电解电催化剂的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 在酸性介质中，半电池和总体反应是：
[0005] 阳极：2H20 (液）一02 (气）+4H++4e_
[0006] 阴极：4H++4e- 2H2
[0007] 总体反应：H20 (液）一H2 (气）+1/202 (气）
[0008] 在碱性介质中，半电池和总体反应是：
[0009] 阳极：20IT- 1/20 2 (气）+H20+2e-
[0010] 阴极：2H++2e--H2(气）
[0011]总体反应：H20 (液）一H2 (气）+1/202 (气）
[0012] 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：
[0013] 阳极：2C1_-Cl2(气）+2f
[0014] 阴极：2H20+2e--H2+20IT
[0015] 总体反应：2H20 (液）+2NaCl(水溶液）一2NaOH(水溶液）+H2 (气）+C12 (气）
[0016] 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。
[0017] 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,"TheDevelopmentof anElectrochemicalProcessfortheProductionofPara-SubstitutedDi-Hydroxy Benzenes"，PhDThesis，NelsonMandelaMetropolitanUniversity，Jan2005.
[0018] 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。
[0019] 基本的水电解槽包括阳极、阴极、电解质和提供电流的电源。电源使电子持续 流向阴极，在阴极氢离子消耗电子并形成氢气。通常使用合适的隔膜以保持气体产物 是分离的，使得气体产物可以被收集并用于其他应用。这种基本电解槽单元的多个电 池可以被串联设置，设置成单极或者双极，以便产生更大量的化学产物，特别是产物气 体。在碱性应用中，电解质最经常是氢氧化钾溶液；对于酸性应用，电解质则通常是固 体聚合物膜，其也可作为隔膜。K.Zeng，D.Zhang,ProgressinEnergyandCombustion Science36(2010)307-326是碱性水电解的很好的综述；典型的水电解槽的很好的例子在 P.Millet,etal,InternationalJournalofHydrogenEnergy34 (2〇〇9)4974_4982 中得 以描述。
[0020] 以前，氯碱行业一直采用三种不同类型的电池：汞电池、膜电池和隔膜电池。制氯 涉及的反应的性质限制了阳极的电极材料的选择。非反应性金属如钛常常被用作电极衬 底，电催化剂沉积在该衬底上。然而，至于阴极，更广泛的选择是可能的。经常使用镍，并且 镍往往涂覆或以其他方式浸渍有铂或其他铂族金属催化剂以降低过电位，并因此降低水电 解所需的能量输入。
【发明内容】
[0021] 在第一方面，本发明提供了包括钯和铱的电催化剂在催化电解过程中的用途。
[0022] 在一个实施方案中，电解过程是电合成过程。电催化剂可以是阳极的一部分、阴极 的一部分或者两个电极的一部分。
[0023] 在一个实施方案中，电解过程是水的电解。
[0024] 在一个实施方案中，电解过程是氯碱过程；也被称为氯化钠水溶液（盐水）的电 解。电催化剂可以是阳极的一部分、阴极的一部分、或者两个电极的一部分。在一个具体的 实施方案中，电催化剂被用于氯碱过程的阴极。
[0025] 在一个实施方案中，电解过程是科尔贝反应电解过程。
[0026] 在一个实施方案中，电解过程是电镀过程。
[0027] 在一个实施方案中，电解过程是电镀锌过程。
[0028] 在一个实施方案中，电解过程是其中的电催化剂会增加过程效率的过程。
[0029] 在一个实施方案中，电催化剂是在诸如水电解槽的电解系统的电极的一部分。
[0030] 在一个实施方案中，包括钯和铱的电催化剂用于催化在水电解槽的阴极处的氢的 制备。在阴极，本发明的电催化剂显示出与铂在析氢反应中相同或更好的动力学性能，并显 著地节约成本。氢产生于水电解槽的阴极并且可以被收集。
[0031] 在一个实施方案中，包括钯和铱的电催化剂用于催化在水电解槽阳极处的氧的制 备。在阳极处，本发明的电催化剂显著地节约成本，而相对于铱氧化物的析氧反应并未影响 动力学性能。氧产生于水电解槽的阳极，并且可以被收集。
[0032] 在另一个实施方案中，包括钯和铱的电催化剂用于催化在水电解槽的阴极的氢的 制备和在水电解槽的阳极的氧的制备。在阴极产生的氢和在阳极产生的氧中的任一者或两 者可以被收集。
[0033] 在一个实施方案中，包括钯和铱的电催化剂用于催化电解系统的阴极的氢的制 备，其中通过氯化钠水溶液的电解来产氢。氢产生于电解系统的阴极，并且可以被收集。
[0034] 在第二方面，本发明提供包含钯和铱的电解电催化剂。例如，该电解槽可以是水电 解槽。
[0035] 在第三方面，本发明提供包含电催化剂的电解系统，其中电催化剂包括钯和铱。例 如，该电解系统可以是水电解槽。
[0036] 在一个实施方案中，电解系统包括阳极、阴极和一种或多种电解质，其中阴极、阳 极或两者包括含有钯和铱的电催化剂。
[0037] 在第四方面，本发明提供用于电解水的方法，其包括以下步骤：
[0038] ⑴提供包括阳极、阴极和一种或多种电解质的水电解槽，其中阳极和阴极中的至 少一个包括含有钯和铱的电催化剂；
[0039] (ii)使水电解槽接触水；和
[0040] (iii)产生氢和/或氧。
[0041] 可替代地，本发明提供用于电解氯化钠水溶液的方法，其包括以下步骤：
[0042] ⑴提供包括阳极、阴极和一种或多种电解质的电解系统，其中阳极和阴极中的至 少一个包括含有钯和铱的电催化剂；
[0043] (ii)使阴极和阳极与一种或多种电解质接触，其中电解质中的至少一种包括氯化 钠水溶液；和
[0044](iii)产生氢和/或氯和/或氢氧化钠。
[0045] 例如，阳极可以与氯化钠溶液接触，阴极可以与浓氢氧化钠接触。
[0046] 在第四方面的任何实施方案中，产生氢和/或氯和/或氢氧化钠是通过电解步骤 实现的，该电解步骤通过在阴极和阳极之间产生电偏压而进行。
[0047] 在另一个的实施方案中，本发明提供了用于电解任何合适的输入原料（input)的 方法，其包括以下步骤：
[0048] ⑴提供包括阳极、阴极和一种或多种电解质的电解系统，其中阳极和阴极中的至 少一个包括含有钯和铱的电催化剂；
[0049](ii)使阴极和阳极与一种或多种电解质接触；
[0050] (iii)使电流流至电解系统；和
[0051] (iv)产生电解产物和/或新的物质。
[0052] 在第五方面，本发明提供了生产氢和/或氧的方法，其包括以下步骤：