[发明专利]催化设备和方法

说明书

本发明涉及一种针对期望产物结果选择电催化剂阵列的方法。所述方法包括将电催化剂体系暴露于溶解或悬浮于导电溶液中的活性剂；以及向所述电催化剂体系施加电压。所述电压足以引起活性物种的多电子氧化或多电子还原；所述电催化剂体系包括对电极；以及电催化剂阵列。所述阵列包括载体基底；从所述载体基底的表面突出的大小均匀的表面结构；所述大小均匀的表面结构具有包括催化剂的边缘和/或顶点。当所述大小均匀的表面结构属于微米级时，产生第一产物比率，当所述大小均匀的表面结构属于纳米级时，产生第二产物比率，其中所述第一产物比率和所述第二产物比率不同；与产生所述第一产物比率相比，所述第二产物比率需要更高阶的电子过程。

技术领域

本发明涉及一种催化电化学氧化还原反应的方法。更具体地，本发明涉及一种使用具有一个或多个表面结构的电催化剂催化电化学氧化还原反应的方法，所述方法可以降低与通常昂贵的催化材料相关的成本。

背景技术

多相催化用于一系列重要的氧化还原催化过程，包含用于能量储存的H₂生产以及燃料电池单元中的O₂还原。然而，催化剂通常是昂贵的材料。对于给定的电催化反应，期望以令人满意的反应速率在尽可能接近可逆电极电位(热力学电极电位)的电位下进行催化反应。然而，通常，改进催化过程的一方面对另一方面具有不利影响，例如改进反应速率将通常需要更大的驱动力，并且因此与热力学电位有大的偏差。

当优化催化过程时，考虑包含以下的多个参数：催化材料、所采用的溶剂(例如，水性、有机溶剂)、溶液特性(例如，pH、粘度和电解质)、流动对比静态、电池单元设计、电极材料形状和朝向。主要组件是在表面上或在电极基质的本体内包含催化剂的电极。可替代地，在金属的情况下，电极材料也可以是催化材料。

优化催化剂的过程通常包含依据对系统内动力学和热力学响应的影响优化以上参数中的每个参数，并且给出关于每个变量如何依据所需速度和能量影响催化效率的理解。然而，迄今为止，极少考虑到关于电极表面的形貌对催化效率的影响。

本发明的目的是提供一种催化活性物种在导电溶液中的电化学氧化还原反应的方法。本发明的目的是降低催化活性物种在导电溶液中的电化学氧化还原反应的成本。可替代地，本发明的目的是至少向公众提供有用的选择。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种催化活性物种在导电溶液中的电化学氧化还原反应的方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供包括以下的电催化剂阵列：

i.载体基底；

ii.从所述载体基底突出的表面结构，其中所述表面结构包含电催化剂；

iii.位于所述电催化剂上的功能表面，其中所述功能表面位于所述表面结构的上部部分上，并且其中所述功能表面适用于接触所述导电溶液中的活性物种；

b.将所述表面结构暴露于所述溶液并且在其中包括对电极；以及

c.在所述电催化剂与所述对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度(电压或电流)聚焦在所述功能表面处并且所述活性物种在与所述功能表面接触后经受所述氧化还原反应。

在一些实施例中，其中所述氧化还原反应选自以下中的一种或多种：

从水释放出氢气，

从水释放出氧气，

从水释放出氢气，

从质子释放出氢气，

氢气氧化成水，

氢气氧化成质子，

氢气氧化成过氧化氢，

氧气还原成水，

氧气还原成过氧化物，