包括鍺酸鈷鋰的水氧化催化劑的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于電化學(xué)水氧化和析氧的催化劑。
【背景技術(shù)】
[0002] 一直認(rèn)為氫是一種理想的燃料源，因為其提供了作為化石燃料清潔、無污染的替 代物。氫的一種來源是將水分解為氫（H2)和氧（O2)，如式⑴中所示：
[0003] (1)2H20 - 02+2H2
[0004] 在電化學(xué)半電池中，該水分解反應(yīng)包括兩個半反應(yīng)：
[0005] (2) 2H20 - 02+4H++4e-
[0006] (3) 2H++2e--H2
[0007] 并且使用陽光由水制備的氫有望提供一種充足的、可再生的、清潔的能源。盡管還 原質(zhì)子以形成氫是相對容易并且有效的反應(yīng)，但是析氧反應(yīng)需要高得多的驅(qū)動力以克服與 該反應(yīng)相關(guān)的活化能皇，因為該反應(yīng)包括多個質(zhì)子耦合電子的轉(zhuǎn)移過程。因此，為了尋找可 由水產(chǎn)生氧和氫離子的有效水氧化和析氧反應(yīng)（OER)催化劑做出了努力。特別地，先前已 經(jīng)鑒定了釕和銥的氧化物。然而，因為它們處于地球上最稀有的元素當(dāng)中，大規(guī)模地使用這 些催化劑是不現(xiàn)實(shí)的。因此，需要改進(jìn)的水氧化和OER催化劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在一個方面，這里公開了一種將水分解為氧和氫離子的水氧化催化劑，該催化劑 包括鍺酸鈷鋰。
[0009] 在另一個方面，這里公開了一種將水分解為氧和氫離子的析氧催化劑，該催化劑 包括鍺酸鈷鋰。
[0010] 在又一個方面，這里公開了一種用于將水電化學(xué)水氧化分解為氧和氫離子的電 極，該電極包括基材以及與該基材接觸的活性材料。該活性材料包括鍺酸鈷鋰。
[0011] 在另一個方面，這里公開了一種用于氧化水的方法，包括步驟：提供包括鍺酸鈷鋰 的電極；提供水和支持電解質(zhì)；以及將水和支持電解質(zhì)置于與鍺酸鈷鋰接觸，用施加的氧 化過電勢催化水氧化為氧和氫離子。
[0012] 在又一個方面，這里公開了一種用于形成水氧化催化劑的方法，包括步驟：提供 LiOH;提供GeO2;組合LiOH和GeO2，從而形成第一溶液；提供在溶劑中的&)(：12;組合該第 一溶液和在溶劑中的CoCl2，從而形成第二溶液；將該第二溶液暴露于水熱反應(yīng)，從而形成 Li2CoGeO40
【附圖說明】
[0013] 圖1是用于Li2CoGeO4^成的熱彈形高壓容器（bomb)反應(yīng)器的圖形描述；
[0014] 圖2是晶態(tài)Li2CoGeO4納米顆粒的掃描電子顯微鏡（SEM)圖像；
[0015] 圖3是Li2CoGeO4的X射線衍射圖；
[0016] 圖 4 是Li2CoGeO』9EDX圖；
[0017] 圖5是詳述Li2CoGeO4的ICP數(shù)據(jù)的圖表；
[0018] 圖6是用于測試Li2CoGeO4的電化學(xué)試驗裝置的圖形描述；
[0019] 圖7是對于Li2CoGeCVCoWO4和IrO2來說電化學(xué)性能（包括過電勢）對電流密度 的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本公開提供了一種用于催化水的氧化以產(chǎn)生氫離子和氧的方法或工藝、裝置和/ 或組合物。
[0021] 如在此使用的"催化劑"，意指一種在化學(xué)電解反應(yīng)（或其它電化學(xué)反應(yīng)）中包括 并且增加該反應(yīng)的速率的材料，并且其本身作為電解的一部分經(jīng)歷反應(yīng)，但是在很大程度 上未被反應(yīng)本身消耗，并且可以參與多個化學(xué)轉(zhuǎn)變。在一些使用過程中可消耗極少量的本 發(fā)明的催化材料，并且在許多實(shí)施方案中，可將其再生至其初始化學(xué)狀態(tài)。該反應(yīng)可包括水 氧化或析氧反應(yīng)。
[0022] 在一方面，水氧化催化劑或析氧催化劑包括將水分解為氧和氫離子的鍺酸鈷鋰。
[0023] 在又一方面，這里公開了一種用于將水電化學(xué)水氧化分解為氧和氫離子的電極， 該電極包括基材和與該基材接觸的活性材料。該活性材料包括鍺酸鈷鋰。
[0024] 該催化劑可以包括多個鍺酸鈷鋰納米顆粒。在一些情況下，該納米顆粒尺寸均勻 并且可以具有小于1微米的平均顆粒尺寸。在另一方面，該納米顆?？梢跃哂?00nm或更 小的尺寸。
[0025] 在一方面，該鍺酸鈷鋰可以與導(dǎo)電顆粒例如炭黑組合并且還可以包括粘結(jié)劑例如 NAFION?,-種由DuPont出售的基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物共聚物?？梢允褂盟?屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的任何方法將該組合的材料附著于電極基材?？梢岳媚軌騻鲗?dǎo)電 流的各種電極基材，例如玻璃碳。
[0026] 該電極可以是用于將水分解為氧和氫離子的電化學(xué)電池的一部分。可以使用各種 電化學(xué)電池，包括光伏電池和具有外部施加的電勢的電池。該電化學(xué)電池可以包括容器，例 如貯器、盒、罐或瓶，在其中可以容納或攜帶電化學(xué)裝置的部件。如所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員將已知的那樣，可以使用任何已知的技術(shù)或材料制備容器。該容器可以具有任何形狀或 尺寸，只要其能夠容納該電化學(xué)裝置的部件?？梢詫⒃撾娀瘜W(xué)裝置的部件安裝在該容器內(nèi)。 即一個部件（例如電極）可以與該容器結(jié)合，使得將其相對于該容器固定，并且在一些情況 下其由該容器支撐。
[0027] 在一方面，包含本發(fā)明的一個實(shí)施方案的電化學(xué)電池提供了一種使用太陽光照分 解水而不需要施加的電勢的高效方法。在光陽極處氧化水時，釋放氧并且產(chǎn)生氫質(zhì)子，然后 可以在對電極處將該氫質(zhì)子還原以形成氫氣。
[0028] 作為替代，該電化學(xué)電池可以包括向該電池提供過電勢的外部來源。在該電化 學(xué)電池中可以使用與該鍺酸鈷鋰材料相容的各種電解質(zhì)。支持電解質(zhì)的一個實(shí)例包括 NaH2PO4Na2SO40
[0029] 在另一方面，這里公開了一種用于氧化水的方法，包括步驟：提供包括鍺酸鈷鋰的 電極；提供水和支持電解質(zhì)；以及將水和支持電解質(zhì)置于與該鍺酸鈷鋰接觸，用施加的氧 化過電勢催化水氧化為氧和氫離子。
[0030] 在又一方面，這里公開了一種形成水氧化催化劑的方法，包括步驟：提供LiOH;提 供GeO2Ji合所述LiOH和GeO2，從而形成第一溶液；提供在溶劑中的CoCl2;組合所述第一 溶液和在溶劑中的CoCl2，從而形成第二溶液；將所述第二溶液暴露于水熱反應(yīng)，從而形成 Li2CoGeO40
[0031] 可以使用各種溶劑，例如乙二醇。該方法可以包括在150攝氏度的溫度下將該 第二溶液放置在水熱彈形高壓容器中72小時。該方法還可以包括水熱反應(yīng)之后的洗滌 和干燥L(fēng)i2CoGeO4的步驟。該方法可以進(jìn)一步包括干燥步驟之后的研磨Li2CoGe04從而將 Li2CoGeO4分離為顆粒的步驟。該方法提供了一種形成該催化材料而沒有復(fù)雜的制造步驟 的途徑，并且可以調(diào)節(jié)該方法的規(guī)模以生產(chǎn)各種不同數(shù)量的材料。
[0032] 1.-種將水分解為氧和氫離子的水氧化催化劑，包含：鍺酸鈷鋰。
[0033] 2.權(quán)利要求1所述的水氧化催化劑，其中所述鍺酸鈷鋰具有式：Li2C〇Ge04。
[0034] 3.權(quán)利要求1所述的水氧化催化劑，其中所述鍺酸鈷鋰包括尺寸小于1微米的多 個納米顆粒。
[0035] 4.權(quán)利要求3所述的水氧化催化劑，其中所述多個納米顆粒的尺寸為0. 5微米。
[0036] 5.權(quán)利要求1所述的水氧化催化劑，進(jìn)一步包括導(dǎo)電顆粒和與鍺酸鈷鋰的納米顆 粒組合的粘結(jié)劑。
[0037] 6.權(quán)利要求1所述的水氧化催化劑，其中所述催化劑中鈷與鍺的比例為約1比 Io
[0038] 7. -種將水分解為氧和氫離子的析氧催化劑，包含：鍺酸鈷鋰。
[0039] 8.權(quán)利要求7所述的析氧催化劑，其中所述鍺酸鈷鋰具有式：Li2C〇Ge04。
[0040] 9.權(quán)利要求7所述的析氧催化劑，其中所述鍺酸鈷鋰包括尺寸小于1微米的多個 納米顆粒。
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