[发明专利]一种水电解催化剂及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及固体聚合物电解质(Solid Polymer Electrolyte，SPE)水电 解阳极催化剂，具体地说是一种可应用于SPE水电解、可再生式燃料电池 或各种电解应用中制氧电极的高效催化剂。

背景技术

氢气是一种清洁、高效的能源载体，它具有可再生、无污染的特点。水 电解制备氢气是制氢的一个重要手段，是一种非常成熟的制备高纯氢的技 术。目前常采用的是碱性水电解技术，但存在液体电解质容易流失、设备 易腐蚀等缺点。固体电解质水电解相比于传统的碱性水电解具备明显的优 点，例如更高的安全可靠性、更高的能量效率，而且由SPE水电解池制备 的氢气纯度可高于99.99％。这些优点使得SPE水电解成为近年来制氢技术 的研究热点。

目前在SPE水电解中常用的固体电解质膜为质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)，其水电解过程是质子交换膜燃料电池反应的逆 反过程。该电解池装置结构类似于质子交换膜燃料电池，但以不同的方式 工作。在SPE水电解中，在电解池上加以电压并通入纯净的水后，在阳极 上发生氧析出反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)并释放出氧气，在阴 极上发生质子的还原并释放出氢气(Hydrogen Evolution Reaction，HER)。 电解质既作为导质子的介质，又作为隔离氢、氧气体的隔膜。

电解过程中，主要的电化学极化产生于阳极的电化学过程。研究者的工 作也集中在增加阳极催化剂活性以降低能耗方面。IrO₂是一种优良的OER 催化剂，且在酸性电解质中具有极好的稳定性。RuO₂具有更高的OER电催 化活性，但是在酸性溶液中，RuO₂会发生严重腐蚀。和Stucki认为， RuO₂被腐蚀的原因在于OER过程中RuO₂被氧化成为可溶性的RuO₄[R. ，S.Stucki，J.Electroanal Chem，172(1984)211]。IrO₂和RuO₂常被制作 成复合物用作水电解阳极催化剂，以获取较好的活性和稳定性。通过加入 第三组分(或第四组分)增加Ir-Ru氧化物阳极催化剂的活性成为目前研究 的一个热点。

US2003/0057088A1涉及使用Ir-Ru氧化物阳极催化剂的SPE水电解装 置，所述催化剂含有至少一种选自铁(Fe)、镍(Ni)和钴(Co)的金属氧 化物。掺杂铁(Fe)、镍(Ni)和钴(Co)的主要目的是为了增强Ir-Ru氧 化物阳极催化剂的耐久性，在催化剂催化活性方面没有明显改善。

A.Mashall等人制备了Ir_xRu_yTa_zO₂[International Journal of Hydrogen Energy32(2007)2320]，文章认为Ir_0.6Ru_0.4O₂在Ir_xRu_yTa_zO₂中具有最好的催 化活性，Ta的加入并没有明显增加催化剂的催化活性。

A.Mashall等人制备并研究了了Ir_xRu_ySn_zO₂[Russian Journal of Electrochemistry，42(2006)1134]，文章认为第三组分Sn的加入减少了催 化剂的活性面积，增大了催化剂的欧姆阻抗，将其用于SPE水电解时，电 解性能下降。

专利CN1874841所涉及催化剂包含IrO₂和可选的RuO₂与高比表面积 的无机氧化物(如TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂及其混合物)。该发明所涉及无机氧 化物为高比表面积类且与IrO₂和RuO₂活性物质形成混合物。加入高比表面 积的无机氧化物是为了增加活性物质的分散度，但是不能减小IrO₂和RuO₂的颗粒；而且所加入的无机氧化物为半导体或绝缘体，导致了催化剂整体 导电性的下降。