[发明专利]用于改进催化活性的方法

说明书

本发明涉及一种用于改进氧析出反应(OER)催化剂的催化活性的方法，所述催化剂包含具有催化性金属复合材料涂层的基材。所述方法包括将所述金属复合材料涂层暴露于还原剂，从而增加金属复合材料涂层中的氧空位密度。

技术领域

本发明涉及一种用于改进氧析出反应(OER)催化剂的催化活性的方法，所述催化剂包含具有催化性金属复合材料涂层的基材。本发明还涉及包含改进的OER催化剂的OER电极。

背景技术

由于越来越大的能源需求率和化石燃料污染物排放的增加，对来自替代性可持续能源的能源转换和存储产生了浓厚的研究兴趣。电化学和太阳能水解离已被认为是在阳极上发生氧析出反应(OER)的同时在阴极上大规模生产氢燃料的重要替代物之一。然而，OER的动力学通常是缓慢的并且因此影响阴极上的氢析出反应(HER)。

为了提高OER动力学，已经完成了大量合成高效催化剂的工作。虽然二氧化铱(IrO₂)和二氧化钌(RuO₂)是目前已知的最具活性的OER催化剂，但由于其高成本和不可持续的来源，其使用通常在商业上不可行。已经研究了基于第一行过渡金属及其络合物的替代性OER催化剂的使用。例如，近年来，已将诸如镍基化合物等非贵金属催化剂描述为OER催化剂。

最近，已经报道了作为OER催化剂的Ni/Fe基材料，其可以通过钙钛矿光伏技术提供高的水光分解效率(例如12.3％)。然而，就提供可接受的高电流密度(如100mA.cm^-2)的过电位而言，电催化活性并不令人满意。

对于通过电化学水解离产生的氢燃料(H₂)形式的可再生能源的可扩展存储，催化材料需要克服氧析出反应(OER)的缓慢反应动力学，其通常需要大量的过电位(η)来以可接受的速率产生H₂。

将有利的是，本发明的至少优选实施方式可提供用于改进OER电极的催化活性的简便且通用的方法。还将有利的是，本发明的至少优选实施方式可例如通过以高电流密度降低过电位而由此降低水解离中的输入能量成本，来提高Ni/Fe基OER电极的效率。

发明内容

本发明人进行了大量研究，并首次证明，通过用还原剂处理包含负载在基材上的催化性金属复合材料涂层的OER催化剂，金属复合材料涂层的催化活性将明显改进，因此OER催化剂的催化活性将明显改进。本发明的方法在不需要使用昂贵的贵金属的情况下改进了OER催化剂的催化活性，并且可通过廉价的处理技术和容易获得的设备实现。改进的OER催化剂可以继而用作具有相似改进品质的OER电极。

不希望受任何特定理论束缚，据信催化剂的诸如增强的电子传导性和较低的H₂O吸附能等性质通过将氧缺陷限制在合成材料中而在所观察到的优异催化活性中起重要作用。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于改进OER催化剂的催化活性的方法，所述OER催化剂包含具有催化性金属复合材料涂层的基材，所述方法包括：

(i)将所述金属复合材料涂层暴露于还原剂，从而增加金属复合材料涂层中的氧空位密度。

这将通过下面概述的实验细节得到描述和支持。

金属复合材料涂层可以是金属复合薄膜涂层。

该金属复合材料涂层可以包含双金属复合材料。在该实施方式中，双金属复合材料通常是双金属氧化物复合材料、双金属氢氧化物复合材料或其混合物。

通常，双金属复合材料选自由镍铁复合材料、镍钴复合材料、锰铁复合材料、锰钴复合材料或锰锌复合材料组成的组。优选地，双金属复合材料是镍铁复合材料，例如包含镍铁氧化物、镍铁氢氧化物或其混合物(例如镍铁羟基氧化物)的镍铁复合材料。