用于超活性氢析出电催化的异质结构制造技术

用于水裂解生产的阴极包括：(1)多孔基质；和(2)附加至多孔基质的电催化剂。电催化剂包括第一材料和第二材料的异质结构，所述第二材料部分地覆盖第一材料。

Heterogeneous structure for electrocatalytic hydrogenation of ultra active hydrogen

A cathode for use in the production of water cracking includes: (1) a porous matrix; and (2) an electrical catalyst attached to a porous matrix. The electrocatalyst comprises a first material and a second material heterostructure, the second material partially covering the first material.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年7月17日提交的美国临时申请号62/025,900的权益，其公开内容通过引用以其全部并入本文。
本公开内容涉及用于氢析出反应的催化剂，并且更具体地，涉及用于催化氢析出反应的异质结构。
技术介绍
氢——作为清洁和可再生能源——已经作为逐渐减少的化石燃料的替代物被广泛研究。产生高纯度氢的有效方法是在电解器中将水电化学地裂解为氢和氧。镍(Ni)和不锈钢通常用于在碱性溶液中分别进行水还原和氧化催化的工业中。然而，由于其高的超电势(大约200mV)和大的塔菲尔斜率，Ni金属不是理想的水还原或氢析出反应(HER)催化剂。现有技术的HER催化剂是铂(Pt)和其合金，但是Pt的稀缺和成本限制了其大规模的电解应用。已经追寻了在碱性溶液中活性的和稳定的非贵金属基HER催化剂，其包括拉尼镍和Ni-钼(Mo)合金。然而，仍存在实现比得上Pt的高活性和稳定性二者的困难。在此背景下，出现了研发本公开内容的实施方式的需要。
技术实现思路
本公开内容的某些方面涉及用于水裂解生产的电极。在一些实施方式中，电极包括：(1)多孔基质；和(2)附加至多孔基质的电催化剂。电催化剂包括第一材料和部分地覆盖第一材料的第二材料的异质结构。在一些实施方式中，第一材料和第二材料分别包括第一金属和第二金属。在一些实施方式中，第一金属和第二金属具有不同的氧化态。在一些实施方式中，第一金属和第二金属是相同的过渡金属。在一些实施方式中，过渡金属是镍。在一些实施方式中，第二材料包括与第一金属和第二金属不同的第三金属。在一些实施方式中，第一金属和第三金属是不同的过渡金属。在一些实施方式中，第一金属是镍，第二金属是镍，并且第三金属是铬。在一些实施方式中，第一材料包括金属，并且第二材料包括类金属。在一些实施方式中，第一材料包括两种或更多种不同的金属。在一些实施方式中，第二材料包括两种或更多种不同的金属。在一些实施方式中，每个异质结构包括第一材料的芯和部分地覆盖第一材料的芯的第二材料的不完全壳(incompleteshell)。在一些实施方式中，芯包括第一金属，并且不完全壳包括第二金属的氧化物和第三金属的氧化物，并且第三金属与第一金属和第二金属不同。在一些实施方式中，芯包括第一金属，并且不完全壳包括第二金属和第三金属的混合氧化物，并且第三金属与第一金属和第二金属不同。在一些实施方式中，多孔基质具有0.3至0.98范围中的孔隙度。在一些实施方式中，多孔基质是金属泡沫(metallicfoam)或非金属泡沫。在一些实施方式中，多孔基质选自，例如，镍泡沫、铜泡沫、碳泡沫、石墨泡沫、碳纤维纸、碳纳米管网络(network)、石墨烯泡沫、钛泡沫、和铝泡沫。在一些实施方式中，多孔基质限定空隙，并且电催化剂被布置在多孔基质的空隙中。本公开内容的另外的方面涉及包括本公开内容的多种实施方式的电极的水电解器。本公开内容的另外的方面涉及包括本公开内容的多种实施方式的电极的氯碱电解槽。本公开内容的进一步的方面涉及制造用于水裂解生产的电极的方法。在一些实施方式中，方法包括：(1)提供包括一种或多种金属——比如至少两种不同的金属——的前体组合物；(2)施加前体组合物至多孔基质以形成涂覆的多孔基质；和(3)使涂覆的多孔基质退火以形成附加至多孔基质的金属的异质结构。在一些实施方式中，方法进一步包括施加极性溶剂至多孔基质，其中在施加前体组合物至多孔基质之前施加极性溶剂。在一些实施方式中，方法进一步包括施加表面活性剂至多孔基质，其中在施加前体组合物至多孔基质之前施加表面活性剂。在一些实施方式中，使涂覆的多孔基质退火在高至400℃的温度和高至100托的压力下进行。在一些实施方式中，前体组合物是水性组合物。也考虑本公开内容的其它方面和实施方式。前述
技术实现思路
和下列具体实施方式不意欲将本公开内容限制于任何具体的实施方式，而仅是意欲描述本公开内容的一些实施方式。附图说明为了更好地理解本公开内容的一些实施方式的性质和目标，应当连同附图参考下列具体实施方式。图1.用于氢析出反应的高活性NiO/Ni-碳纳米管(CNT)纳米级(nanosized)异质结构的结构和性能。(a)低倍扫描透射电子显微镜(STEM)亮场图像，其显示了具有附着至CNT的大约8-15nm颗粒的NiO/Ni-CNT样品的典型形态。(b)原子级分辨率STEM亮场图像，其显示了CNT上的典型的NiO/Ni颗粒(小的NiO纳米颗粒在较大的Ni纳米颗粒芯之上)的结构。(c)NiO/Ni-CNT结构的示意图。(d-f)来自(b)中显示的全部区域的Ni和O的空间分布和它们的交叠(overlay)的化学图谱。两个虚线圆圈突出了在Ni芯的表面上的NiO颗粒层。(g-i)在大约1mV/s的扫描速率下、在大约0.28mg/cm2的载荷下、在旋转圆盘电极(RDE)上，(g)1MKOH、(h)NaHCO3-Na2CO3缓冲液(pH＝大约10.0)和(i)硼酸钾缓冲液(pH＝大约9.5)中的NiO/Ni-CNT和Pt/C的线性扫描伏安法，其显示了NiO/Ni-CNT的高的HER催化活性。图2.NiO/Ni-CNT、NiO/CNT和Ni/CNT的结构和性能。(a-c)(a)NiO/Ni-CNT、(b)NiO/CNT和(c)Ni/CNT结构的示意图。(d-f)(d)NiO/Ni-CNT、(e)NiO/CNT和(f)Ni/CNT结构的具有Ni、C和O的重构的元素图谱。(g)三种杂化材料的高分辨率NiX射线光电子能谱学(XPS)光谱(虚线指明Ni2+(左线)和金属Ni(右线)的结合能)。(h)三种杂化材料的NiL边缘X射线吸收近边结构(XANES)光谱。(i)在大约1mV/s的扫描速率下、在大约0.28mg/cm2的载荷下、在RDE上，大约1MKOH中的三种杂化材料的线性扫描伏安法，其显示了NiO/Ni-CNT的优越的HER催化活性。图3.通过使用或不使用氧化的CNT作为生长基质的相同反应制成的不同的产物。(a)CNT杂化和纯纳米颗粒之间的结构差异的示意图。(b)显示无CNT的Ni纳米片的典型形态的STEM亮场图像和具有Ni和O的来自高光区域的对应的重构的图谱。在表面上观察到非常少量的NiO颗粒。(c)在大约1mV/s的扫描速率下、在大约0.28mg/cm2的载荷下、在RDE上，大约1MKOH中的NiO/Ni-CNT杂化物和无CNT的Ni纳米片的线性扫描伏安法。图4.用于HER催化的高性能NiO/Ni-CNT阴极。(a)在大约1MKOH中、在大约1mV/s的扫描速率下、在大约8mg/cm2的载荷下，NiO/Ni-CNT、沉积在Ni泡沫上的Pt/C和纯的Ni泡沫的线性扫描伏安法。(b)在大约1MKOH中、在大约-0.7V的恒流电势vsRHE下，NiO/Ni-CNT和CrOx-NiO/Ni-CNT的计时电流分析法(chonoamperometry)。(c、d)在2天的HER条件下的操作后的NiO/Ni-CNT的STEM亮场图像和具有Ni和O的来自高光区域的对应的重构的图谱。(e)具有Ni、NiO和CrOx的刚制的(as-made)CrOx-NiO/Ni-CNT的重构的图谱。(本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于水裂解生产的电极，其包括：多孔基质；和电催化剂，其附加至所述多孔基质，所述电催化剂包括第一材料和第二材料的异质结构，所述第二材料部分地覆盖所述第一材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.17 US 62/025,9001.用于水裂解生产的电极，其包括：多孔基质；和电催化剂，其附加至所述多孔基质，所述电催化剂包括第一材料和第二材料的异质结构，所述第二材料部分地覆盖所述第一材料。2.权利要求1所述的电极，其中所述第一材料和所述第二材料分别包括第一金属和第二金属。3.权利要求2所述的电极，其中所述第一金属和所述第二金属具有不同的氧化态。4.权利要求3所述的电极，其中所述第一金属和所述第二金属是相同的过渡金属。5.权利要求4所述的电极，其中所述过渡金属是镍。6.权利要求2所述的电极，其中所述第二材料包括与所述第一金属和所述第二金属不同的第三金属。7.权利要求6所述的电极，其中所述第一金属和所述第三金属是不同的过渡金属。8.权利要求7所述的电极，其中所述第一金属是镍，所述第二金属是镍，并且所述第三金属是铬。9.权利要求1所述的电极，其中所述第一材料包括金属，并且所述第二材料包括类金属。10.权利要求1所述的电极，其中所述第一材料包括两种或更多种不同的金属。11.权利要求1所述的电极，其中所述第二材料包括两种或更多种不同的金属。12.权利要求1所述的电极，其中每个异质结构包括所述第一材料的芯和部分地覆盖所述第一材料的所述芯的所述第二材料的不完全壳。13.权利要求12所述的电极，其中所述芯包括第一金属，并且所述不完全壳包括第二金属的氧化物和第三金属的氧化物，并且所述第三金属与所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·戴，M·龚，
申请(专利权)人：里兰斯坦福初级大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国;US