[发明专利]析氢反应催化剂

说明书

本发明涉及用于析氢反应(HER)的催化剂以及在水分解工艺中使用该催化剂的方法。本发明还提供包含该催化剂的组合物、材料和电极。特别地，本发明涉及一种析氢反应(HER)催化剂，其包括：包含活性催化剂物质的催化金属物质以及钒物质；其中，催化金属物质和钒物质散布在HER催化剂内。

技术领域

本发明涉及用于析氢反应(HER)的催化剂和在水分解工艺中使用该催化剂的方法。本发明还提供了包含该催化剂的组合物、材料和电极。

背景技术

水分解工艺被认为是一种可持续制氢和储氢的方法，因为它们可以利用大量的可用水和低碳密集型能源，例如可再生能源(例如太阳能)作为输入。水分解可以在电解器进行，通过析氢反应(HER)在阴极产生氢气。氧气可以通过析氧反应(OER)在阳极产生。当前的重点是制备用于析氢的催化剂，因为氢气更容易用作多种应用的燃料，如燃料电池。

Pt基催化剂(例如Pt/C)由于在析氢开始时极低的超电势(η)和大的电流密度(j)，目前是水电解器中阴极材料的主要选择。然而，Pt基HER催化剂价格昂贵且供应不可持续，因此不适合大规模应用。

当前的工作集中在开发基于富含于地球的金属的水分解催化剂。富含于地球的金属不包括Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag和Au。

已经表明镍阴极能有效地催化HER。然而，镍阴极由于形成钝化阴极层而具有不稳定性。一些报告表明，电解液中包含钒氧化物(V₂O₅)可以阻止镍阴极的钝化。随着时间推移，在镍阴极的表面上会形成钒氧化物沉积物。

需要持续提供可替代的HER催化剂。特别地，需要开发基于富含于地球的过渡金属的催化剂。

发明内容

本发明至少部分基于以下发现：散布有钒物质的金属催化剂物质(例如，Ni或Co)的催化剂增加了金属催化剂材料的HER催化活性。此外，还防止了金属催化剂物质的钝化。出人意料的是，本发明的掺钒催化剂在碱性和中性溶液中也表现出很强的HER催化活性。

一方面，本发明提供了一种析氢反应(HER)催化剂，包括：

·包含活性催化剂物质的催化金属物质，以及

·钒物质，

其中，催化金属物质和钒物质散布在HER催化剂内。

在另一方面，本发明提供了一种催化材料，其包括本文所述的HER催化剂和基材。

在另一方面，本发明提供了一种电极，其包括本文所述的导电基材和HER催化剂。该HER催化剂通常被涂覆(例如通过电沉积)到导电基材的表面上。

在另一方面，本发明提供了一种制备本文所述的HER催化剂、本文所述的催化材料和/或本文所述的电极的方法，该方法包括将导电基材与包含金属催化剂物质源和钒物质源的溶液接触，并通过所述溶液在基材和对电极之间施加电压，以将金属催化剂物质和钒物质电沉积到所述导电基材的表面上。

在另一方面，本发明提供了一种从水中析氢的方法，该方法包括：提供包括至少两个电极和电解质溶液的电化学电池，使水与至少两个电极接触，以及在至少两个电极之间施加电压，其中，至少两个电极中的至少一个包括本文所述的HER催化剂、本文所述的催化材料或本文所述的电极。

在另一方面，本发明提供了一种包括至少两个电极和电源的电解器，其中，所述至少两个电极中的至少一个包括本发明的HER催化剂。

在详细描述本发明之前，应当理解，本发明不限于特别示例性的实施方式、生产或使用方法，其当然可以变化。