[发明专利]一种用于双电子、可逆氧气还原反应的催化剂

说明书

提供一种用于双电子、可逆氧气还原反应的催化剂。该催化剂可逆或接近可逆。所述催化剂包括一种金和钴配位络合物，即N,N'‑双(亚水杨基)乙烯二氨基钴(II)(钴salen)或其衍生物。所述钴配位络合物可聚合形成膜，如通过电聚合来覆盖金表面。还提供了金属空气蓄电池、燃料电池和含所述催化剂的空气电极，以及使用所述催化剂来例如还原氧气和/或产生过氧化氢的方法。

相关申请

本申请的主题要求2013年11月1日所提交的美国临时专利申请第61/898,532号的优先权，本申请引用上述美国临时专利申请的全部内容。

政府利益

本发明是依据美国国家科学基金会授予的根据授权/合同号EPS1004083的政府支持作出的。政府对于本申请具有某些权利。

技术领域

本发明涉及一种用于双电子、可逆氧气还原反应的催化剂。还涉及包含该催化剂的空气电极和电化学蓄电池，以及制备该催化剂的方法和使用该催化剂制备过氧化氢的方法。

背景技术

由于与使用化石燃料相关的环境问题以及对能源安全的需要，发展替代和可再生能源令人关注。包括风能、水力发电、太阳能、生物质燃料、地热能及核能的几种不同类型的可再生能源已经被开发。然而，这些能源的一部分并不恒定和/或易运输，如风能和太阳能。因此，往往有必要或便于将能源转换成电能来运输，之后再作储存，例如热量通过蓄热器储存或化学能储存在蓄电池或电容器中。

此外，汽车产业做出诸多研究，尝试使用清洁技术代替内燃机以减少污染。可能的替代装置包括两种不同类型的电化学装置，即燃料电池(fuel cells)和蓄电池(batteries)。燃料电池可以通过与氧气发生电化学反应将环保燃料(如，氢)中的化学能转换成电能。但是，为了让此种方法具有可行性，仍需要研发和/或建立燃料生产的新方法以及燃料储存和全国运输的系统。

蓄电池和超电容器将电能作为化学能和电场能传输并储存。特别地，蓄电池将电能作为化学氧化还原能储存并在使用时将此化学能又转化成电能。化学能可以储存在蓄电池负极的活性材料中。放电时，电子通过外围电路从负极游离到正极为负荷通电，并在离子通过中介电解质(intervening electrolyte)或电解质从负极侧直接流入到正极侧的同时完成放电反应。在可再充电蓄电池(也称之为二次蓄电池)中，电子和离子在再充电期间在相反的方向上游离。考虑到所建立的输电网络系统的存在，假设可以改善这些装置的成本、安全性、能量密度和/或可再充电次数，那么在汽车产业中蓄电池(如，可再充电蓄电池)的使用对于取代内燃机来说会是一个有吸引力的选择。

由于锂空气蓄电池的高理论能量密度(即为12kWh/kg)，其目前是许多科学研究的主题。放电时，锂金属阳极释放锂离子和电子。该电子经过外围电路，且锂离子从电解质游离到阴极。氧气结合电子和锂离子完成反应，并生成氧化锂或过氧化锂(即Li2O和Li2O2)。再充电时，氧化锂或过氧化锂分解生成氧气且锂离子返回到阳极并还原成金属锂。蓄电池放电循环期间，氧电极具有多孔性，从而如存储Li离子与O2反应所生成的固体产物(即Li2O和Li2O2)，且通常包括促进反应的催化剂。根据电解质的类型，已经推荐了四种不同类型的锂空气蓄电池：质子惰性、水成、固态及混合水/质子惰性。尤其是与质子惰性锂空气蓄电池相关的一个问题是驱动产物返回为氧气和金属锂的过电压很大，通常大于1.5V。

因此，需要不断改善电化学系统，例如改善金属空气蓄电池，以及能够在这些系统中使用的强力双观能团催化剂(即能够降低充电过电压和放电过电压两者的催化剂)，从而提高效率和再充电速率。例如，为帮助提高系统效率，需要既可促进氧气还原反应(ORR)又可促进析氧反应(OER)的可逆催化剂。