[发明专利]电解电催化剂

说明书

技术领域

本发明涉及用于电解过程(例如水的电解)的电催化剂。在水电解的情况下，本发明涉及这种电催化剂在电解槽的阴极产生氢或在电解槽的阳极产生氧的用途，以及包括这种电催化剂的水电解槽。

背景技术

许多电解过程具有在工业上有用的应用。例如，水的电解提供了氢和氧的来源。替代性地，含氯化钠的水的电解提供氢、氯和氢氧化钠的来源。

水电解过程基本上涉及将水分离成它的构成成分，尽管利用水电解的其他的化学反应当然也是可能的。在水电解槽中，水被分解成其组成部分：氢(气体)和氧(气体)。电解槽基本上包括阳极、阴极和电解质。在阴极通过析氢反应(HER)产生氢。在阳极通过析氧反应(OER)产生氧。

在酸性介质中，半电池和总体反应是：

阳极：2H₂O(液)→O₂(气)+4H⁺+4e^-

阴极：4H⁺+4e^-→2H₂

总体反应：H₂O(液)→H₂(气)+1/2O₂(气)

在碱性介质中，半电池和总体反应是：

阳极：2OH^-→1/2O₂(气)+H₂O+2e^-

阴极：2H⁺+2e^-→H₂(气)

总体反应：H₂O(液)→H₂(气)+1/2O₂(气)

其他电解化学反应包括氯碱过程，其中半电池和总体反应是：

阳极：2C1^-→Cl₂(气)+2e^-

阴极：2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-

总体反应：2H₂O(液)+2NaCl(水溶液)→2NaOH(水溶液)+H₂(气)+Cl₂(气)

在氯碱过程中阳极典型的是钛基阳极，其通常涂有金红石型氧化物催化剂，包括铂族金属氧化物。氯碱阴极通常为镍基的，并通常具有一些铂族金属催化剂，从而显著地降低过电位。较新的方法包括氧气扩散电极，其显著地降低制备氢氧化钠的功耗，其中还采用催化剂以显著地降低过电位。

存在着其他电解化学反应，例如阳极氧化，例如电氯化反应、析氯、科尔贝反应和其他有机的电合成或电镀中的阴极还原、电化学硝基基团还原与其他有机的电合成。例如，科尔贝反应涉及羧酸在铂和/或铂合金的存在下的电解脱羧，产生主要导致相似的自由基二聚化的自由基。几种电合成的综述是Rautenbach,Daniel,The Development of an Electrochemical Process for the Production of Para-Substituted Di-Hydroxy Benzenes,PhD Thesis,Nelson Mandela Metropolitan University,Jan 2005.

在阴极和阳极之间存在电偏压，以为反应提供能量，但通常反应受到两个电极上的催化作用的促进，以便在每单位电解产物较低的耗能下进行。例如，水电解槽被视为有吸引力的和高效的大规模氢生产方法，但没有催化剂时分解水需要更多的能量以产生相同量的氢和氧。此外，在许多电解过程中使用的催化剂是昂贵的。降低电解过程的能量消耗的电催化剂是理想的，特别是相对于当前使用的材料而言。比目前使用的材料更便宜、同时保持类似效率的电催化剂是理想的。既降低能量消耗、又降低材料成本的电催化剂是非常理想的。