[发明专利]使用碳负载MnOX的复合材料电解分解水

说明书

技术领域

本发明涉及使用碳负载锰氧化物(MnO_X)的复合材料电解分解水。具体地，本发明的电解分解水是在中性电解质条件下，具有高电解活性同时使用包含本发明的碳负载锰氧化物(MnO_X)的复合材料的析氧反应(OER)-电极进行的。接着，本发明涉及一种用于制造这种碳负载锰氧化物(MnO_X)的复合材料的方法以及通过本发明的制备方法获得的复合材料，并涉及包含通过本发明的方法获得的碳负载锰氧化物(MnO_X)的复合材料的OER-电极。

背景技术

电解分解水成为氢气和氧气是用于可再生能源储存的未来的关键技术。虽然风能、太阳能光伏或水力源产生可再生电力，但事实上其通常是间歇性的。在本文上下文中，氢是可以直接以分子形式或者通过进一步可逆转化成氢载体分子而存储的重要能量载体。所存储的氢的分子能量之后可用于燃烧，或者更高效地用在氢燃料电池中。

水的电解分解的关键挑战是开发合适的阳极电极，即析氧反应(OER)- 电极，其具有低超电势，良好的稳定性和高活性。具体地，由于在析氧电极处的高氧化性条件，提供同时具有合适的活性和稳定性即惰性的OER电极是主要的技术挑战。

Ortel，E.等人(Chem.Mater.(2011),23,3201.)描述了一种质子交换膜 (PEM)电解器技术，其使用Ti-负载的TiO₂-IrO₂-或TiO₂-RuO₂-基混合金属氧化物体系作为尺寸稳定的阳极，而采用Pt作为阴极材料。然而，为了使得以负担得起的成本广泛地应用，这样的体系应该不含或者含最小量的贵金属。

在这方面，过渡金属氧化物已引起了相当的关注。Gorlin,Y,J.等人(Am. Chem.Soc.(2010),132,13612.)描述了一种电沉积到抛光的玻碳基板上的Mn 氧化物薄膜。在碱性条件下，发现Mn氧化物薄膜对于在燃料电池中的氧气还原反应(ORR)(即阴极反应)，和在电解池中的析氧反应(OER)(即阳极反应) 都是活性的。然而，对于工业用途，需要用于制备这种电极更实际、可扩展的和廉价的工艺，同时仍维持高的电解活性和稳定性。此外，为了使这样的电极广泛地环境可接受地应用，希望提供一种在中性电解质条件下而不是在碱性电解质条件下实现高的电解活性的电极。

Jiao,F.等人(Chem.Commun.(2010),462920.)和WO 2011/094456 A1描述了可在中性溶液中作为OER-电极应用的二氧化硅负载的Mn氧化物簇。然而，合适的OER-电极还必须表现出足够的电子传导性，以最小化欧姆损耗和增加在电解反应过程中的电流密度，从而，使电解池在具有减小的超电势下经济地运行。

WO 2010/027336 A1描述了MnO₂修饰的单壁碳纳米管，其通过包含在 100℃下单一的干燥步骤的对称歧化沉淀法制备。MnO₂修饰的单壁碳纳米管在包含酸聚合物电解质的超级电容器中用作电极。

EP 2140934 A1描述了一种包含二氧化锰纳米针的聚集体并具有中孔结构的催化剂材料。该催化剂材料被用于在酸性条件下氧化分解水，以产生氧气。

最后，EP 1831440 B1描述了一种制备负载型催化剂的方法，通过用氧化剂官能化碳纳米管以形成官能化的碳纳米管，其在将金属催化剂负载到所述官能化的碳纳米管之前进行。

因此，鉴于现有技术，存在对于在中性电解质条件下，即在环境上可接受的条件下分解水的需求，其例如允许分解废水和/或海水，同时实现高的并且优选改进的电解活性，特别是在析氧反应中低的超电势，但是在析氧反应期间的氧化条件下是稳定和惰性的。此外，鉴于现有技术，存在对于在中性条件下分解水的材料的制备方法的需求，同时采用可以在工业环境中有效使用的实用、廉价和可扩展的技术。

发明内容