包括钴钼的水氧化催化剂制造技术

本发明专利技术涉及包括钴钼的水氧化催化剂。具体地，公开了一种使用水合钴钼来氧化水的方法。多个水合钴钼纳米颗粒支撑在电极上并能够与水分子催化相互作用从而产生氧。可将催化剂用作用于产生电能的电化学电池或光电化学电池的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】包括钴钼的水氧化催化剂 专利
本专利技术涉及使用钴钼作为用于电化学和光化学电解水的催化剂的方法和装置，并 且特别是涉及使用水合钴钼作为用于光化学氧化水的催化剂的方法和装置。 专利技术背景 长久以来，认为氢是理想的燃料来源，因为其提供化石燃料的一种清洁的、非污染 的替代品。氢来源之一为如在方程式（I)中所述的将水分解为氢（H 2)和氧（O2)。 (1)2H20 - 02+2H2 在电化学半电池中，水分解反应包含两个半反应： (2) 2H20 - 02+4H++4e (3)2H++2e - H 2 并且使用阳光由水制备的氢预期会提供充足的、可再生的、清洁的能量来源。然 而，析氧半反应比析氢半反应在动力学上更加受限，并且因此可限制氢的总体制备。如此， 付诸努力来研究有效的析氧反应（OER)催化剂，其可以提高OER的动力学，并提高由水制备 氢。特别地，先前已经确定了钌和铱的氧化物。然而，由于它们在地球上属于最为稀有的元 素，所以大规模使用这些催化剂是不切实际的。因此，改进的OER催化剂在作为可替代的燃 料来源的氢的发展中将会是非常有用的。
技术实现思路
在一个方面中，本专利技术公开了一种用于氧化水以产生氧的方法。所述方法包括将 水置于与水合钴钼接触，所述水合钴钼催化水的氧化并产生氧。所述水合钴钼可以是多个 水合钴钼纳米颗粒，其可以附着于或可以不附着于电极，在电极和水之间施加电势来产生 氧。 在本专利技术的另一个方面中，公开了一种用于氧化水以产生氧的电池。所述电池包 含水和水合钴钼，其中水合钴钼催化水的氧化并产生氧。所述电池还可以包含用以保持水 的容器。 在又一个方面中，可将光敏剂添加至水中与水合钴钼接触，并将水和水合钴钼以 及光敏剂的混合物暴露至电磁辐射。在该方面中，光敏剂提供水合钴钼和水之间的电势。在 一些情况下，光敏剂可以是钌-三（2,2' -联吡啶）化合物，例如钌-三（2,2' -联吡啶） 氯化物。【附图说明】 图1为所提出的机制的示意图，钴钼（CoMoO4)用作水氧化催化剂，用于将水转化 为其单质部分，而电子转移至牺牲电子受主，例如3+和S2O82 ; 图2为水合(^〇04纳米颗粒和无水CoMoO 4颗粒的一对扫描电子显微镜（SEM)图 像； 图3为水合CoMoO4催化剂材料的EDX图； 图4为水合CoMoO^米颗粒和无水CoMoO 4颗粒的XRD图； 图5为对于1个循环、10个循环之后的CoMoO4碳糊电极以及对于10个循环之后 的CoWO 4电极，使用5mV/s的扫描速率的循环伏安法形迹的图示； 图6为包括水合CoMoO4和无水0^〇04的过电势对电流密度的电化学性能的图形； 图7为对于施加至涂覆有水合CoMoO4催化剂材料的ITO电极的工作电势来说所 产生氧的百分比随时间变化的图示； 图8为水合CoMo〇d9 TGA数据图示。 专利技术详述 本公开内容提供了用于氧化水以产生氧气的方法、装置和/或催化剂组合物。所 述方法包括提供水合钴钼（CoMoO 4)催化剂材料，并将催化剂在对于产生氧为有效的条件下 添加至水。在一种实施方案中，所述方法进一步包括将包含催化剂的水暴露至光辐射以产 生氧气。 如在这里所使用的"催化剂"是指包含在化学电解反应（或其它电化学反应）中 并提高其速率的材料，并且其自身作为电解的一部分进行反应，但是大部分并未由反应自 身而被消耗，并且可以参与多个化学转化。本专利技术的催化材料在一些应用过程中会存在少 量的消耗，并且在许多实施方案中，可以将本专利技术的催化材料再生至其原始化学状态。所述 反应可以包括水氧化或析氧反应。 在一个方面中，水氧化催化剂或析氧催化剂包括水合钴钼，其将水分解为氧和氢 离子。 在另一个方面中，公开了用于将水电化学水氧化分解为氧和氢离子的电极，包括 基材和与所述基材接触的活性材料。所述活性材料包括水合钴钼。 在一个方面中，水合钴钼可与导电颗粒例如炭黑组合，并且还可以包括粘合剂，例 如NAFION?,购自杜邦的磺化四氟乙烯基氟聚合物共聚物。可以通过本领域技术人员 已知的任何方法将所组合的材料附着于电极基材。可以使用能够传导电流的多种不同的电 极基材，例如玻璃碳、炭黑或其它材料。 催化剂可以包括多个水合钴钼纳米颗粒。在一些情况下，所述纳米颗粒在尺寸方 面是均匀的，并且可以具有小于IOOnm的平均颗粒尺寸。在一种实施方案中，使用本领域技 术人员已知的任何方法将水合钴钼附着于电极。例如，仅出于说明性的目的，可以使用吸附 技术、粘合剂、沉积技术等将水合钴钼附着于电极。 在一些情况下，所述电极可以具有通道，并且可以使水以允许将水引入至电极通 道内的速率与催化剂接触。此外，电极可以位于水性溶液中和/或是电化学电池的一部分 和/或光电化学电池的一部分，其可以包括或可以不包括容器。 所述容器可以是任何接收器，例如盒、罐或瓶，可将电化学设备的部件保持或容纳 于其中。如本领域普通技术人员将已知的，可以使用任何已知的技术或材料来制作容器。所 述容器可以具有任何的形状或尺寸，只要其可以包含电化学设备的部件。电化学设备的部 件可以安装在所述容器中。也就是说，可以将部件例如电极与所述容器连接，从而使得其相 对于所述容器为固定的，并且在一些情况中，由所述容器支撑。 在一些情况下，包含本专利技术实施方案的电化学电池提供极为有效的使用太阳照射 来分解水的方法，而无需施加电势。水在光阳极处氧化时，产生氢质子，随后在对电极处还 原所述氢质子以形成氢气。此外，由电池产生的氧和氢可直接传递至燃料电池以产生进一 步的能量。 在另一种实施方案中，可以通过光阳极（例如染料敏化半导体）或外部电势驱动 电化学电池。所述染料敏化半导体充当化学/光电继电器系统。例如并且仅出于说明性 的目的，图1描述了可在光电继电器系统内发生的一系列电子转移。这样的继电器系统的 例子包括钌N-施主染料，例如多吡啶钌染料，其可以吸收可见光并接收源自水合钴钼催化 剂材料的电子，并由此促进与催化剂接触的水的氧化。在一些情况下，光敏剂可以是钌-三 (2, 2' -联吡啶）化合物，例如钌-三（2, 2' -联吡啶）氯化物。 本专利技术进一步通过下文的实施例进行描述，其为实施本专利技术的具体模式的说明， 并不意图对在权利要求中所定义的本专利技术的范围进行限定。 实施例 实施例1 水合(：〇]?〇04的制备。 起始材料 Co(NO3)2 · 6H20 (Mw = 291. 03g/mol)和 Na2MoO4 · 2H20 (Mw = 241. 95g/ mol)购自Sigma-Aldrich，并在没有进一步提纯的情况下直接使用。在典型的合成中，在强 烈的搅拌下将（〇. 51)似#〇04溶液逐滴添加至（0. 5M) Co (NO3)2溶液中。反应之后，在离心机 上使用水冲洗溶液混合物，并随后利用乙醇洗涤颗粒，之后在35°C下的烘箱中干燥过夜。最 终产物为紫色粉末材料。 通过SEM检查最终的粉末产物，如图2所示。在图中可以看出，与无水颗粒相比， 水合CoMoO 4颗粒具有更小的尺寸。还对粉末颗粒进行如在图3中所示的能量色散X射线 (EDX)分析，确认具有小于当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于氧化水的方法，所述方法包含：提供水合钴钼；提供水；和将水置于与水合钴钼接触，所述水合钴钼催化水的氧化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：K·J·麦克唐纳德，贾鸿飞，
申请(专利权)人：丰田自动车工程及制造北美公司，
类型：发明
国别省市：美国;US