[发明专利]用于水电解的含铱催化剂

说明书

本发明涉及一种微粒催化剂，其包含：‑载体材料，‑含铱涂层，该含铱涂层设置在该载体材料上并且包含氧化铱、氢氧化铱或氧化氢氧化铱，其中该载体材料具有在2msupgt;2/supgt;/g至50msupgt;2/supgt;/g范围内的BET表面积，并且该催化剂的铱含量满足以下条件：(1.505(g/msupgt;2/supgt;)×BET)/(1+0.0176(g/msupgt;2/supgt;)×BET)≤Ir‑G≤(4.012(g/msupgt;2/supgt;)×BET)/(1+0.0468(g/msupgt;2/supgt;)×BET)，其中BET是该载体材料的BET表面积，以msupgt;2/supgt;/g计，并且Ir‑G是该催化剂的铱含量，以重量％计。

本发明涉及用于水电解中的析氧反应的含铱催化剂。

氢气被认为是未来的能量载体，因为它实现可持续能量储存，长期可用，并且还可以使用再生能量技术制备。

蒸汽重整是目前最常见的制备氢气的方法。在蒸汽重整中，甲烷和水蒸气反应以产生氢气和CO。水电解代表氢气制备的另外的变型形式。高纯度的氢气可经由水电解获得。

存在各种水电解方法，特别是碱性水电解、使用聚合物电解质膜的酸性水电解(“PEM”；PEM水电解)和高温固体氧化物电解。

水电解电池包含具有发生析氧反应(“OER”)的电极的半电池，以及具有发生析氢反应(“HER”)的电极的另外的半电池。发生析氧反应的电极称为阳极。

水电解技术，特别是PEM水电解的综述可见于例如M.Carmo等人，InternationalJournal of Hydrogen Energy，第38卷，2013年，第4901-4934页；以及Himabindu等人，Materials Science for Energy Technologies，第2卷，2019年，第442-454页。

在聚合物-电解质膜水电解电池(下文也称为PEM水电解电池)中，聚合物膜用作质子输送介质并且使电极彼此电绝缘。例如，将用于析氧反应和析氢反应的催化剂组合物作为阳极和阴极施加到膜(“催化剂涂覆的膜CCM”)的前侧和后侧，从而获得膜-电极组件(“MEA”)。

在PEM水电解电池的阳极处发生的析氧反应可由以下反应方程式表示：

2H₂O→4H⁺+O₂+4e^-

由于其复杂的反应机制，析氧反应表现出缓慢的反应动力学，这就是为什么在阳极处需要显著的超电势以实现足够高的转化率的原因。此外，析氧反应在高度酸性条件(即，低pH)下进行。

水电解电池的有效操作需要催化剂的存在。由于在阳极处的析氧反应在高度腐蚀性条件(低pH、显著超电压)下进行，因此合适的催化剂材料具体地是贵金属诸如钌和铱以及它们的氧化物。

催化活性金属或金属氧化物可任选地存在于载体材料上，以便由此增加催化剂材料的比表面积。

就载体材料而言，也只有在析氧反应的高度腐蚀性条件下具有足够高稳定性的那些材料是合适的，例如过渡金属氧化物诸如TiO₂或某些主族元素的氧化物诸如Al₂O₃。然而，这些基于氧化物的载体材料中的许多是不导电的，这对析氧反应的效率以及因此还有水电解的效率具有不利影响。

在酸性条件下(即，在PEM水电解电池的阳极处)用于析氧反应的催化剂的综述可见于例如P.Strasser等人，Adv.Energy Mater.，第7卷，2017年，1601275；以及Sapountzi等人，Progress in Energy and Combustion Science，第58卷，2017年，第1-35页。