特表 2024-535633 電解槽システムおよび電極製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-09-30

(54)【発明の名称】電解槽システムおよび電極製造方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 1/04 20210101AFI20240920BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 9/77 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 1/01 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 9/75 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 11/031 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 11/081 20210101ALI20240920BHJP

   C25B 11/089 20210101ALI20240920BHJP

   C25D 7/00 20060101ALI20240920BHJP

   C25D 5/48 20060101ALI20240920BHJP

   C25D 5/24 20060101ALI20240920BHJP

   C25B 11/061 20210101ALN20240920BHJP

   C25B 11/052 20210101ALN20240920BHJP

   C25B 11/054 20210101ALN20240920BHJP

【ＦＩ】

C25B1/04

C25B9/23

C25B9/77

C25B9/00 A

C25B1/01 Z

C25B9/00 Z

C25B9/75

C25B11/031

C25B11/081

C25B11/089

C25D7/00 G

C25D5/48

C25D5/24

C25B11/061

C25B11/052

C25B11/054

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024541595

(86)(22)【出願日】2022-07-18

(85)【翻訳文提出日】2024-03-21

(86)【国際出願番号】 SG2022050503

(87)【国際公開番号】W WO2023003509

(87)【国際公開日】2023-01-26

(31)【優先権主張番号】10202108014T

(32)【優先日】2021-07-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】SG

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524108846

【氏名又は名称】サングリーンエイチ２ プライベート リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】マシュディ パナ，サイード

【テーマコード（参考）】

4K011

4K021

4K024

【Ｆターム（参考）】

4K011AA06

4K011AA11

4K011AA22

4K011AA30

4K011AA48

4K011BA07

4K011BA08

4K011DA01

4K011DA11

4K021AA01

4K021AA09

4K021BA02

4K021BC01

4K021BC07

4K021CA07

4K021CA08

4K021CA09

4K021DB04

4K021DB15

4K021DB16

4K021DB18

4K021DB31

4K021DB36

4K021DB43

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

4K021DC15

4K024AA14

4K024BA01

4K024BA02

4K024BA03

4K024BA04

4K024BA07

4K024BA08

4K024BB09

4K024BB28

4K024BC02

4K024CA01

4K024CA07

4K024CB05

4K024DB10

4K024GA16

(57)【要約】

電解槽システムおよび電極製造方法。電解槽システムは、電解槽スタックと連通している第１の容器と、電源と、電極と、セパレータと、膜と、電解槽スタックと連通している第２の槽とを備えることができる。電極は、触媒材料ならびにミクロ多孔質構造および／またはナノ多孔質構造を有することができる。電極製造方法は、基板を用意することと、基板を酸性溶液に接触させることと、基板に電流を印加することと、粗面化材料を含む担持材料および主材料を基板上に同時に堆積させることと、粗面化材料に浸出処理を施すことと、を含むことができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶液を電気分解するためのシステムであって、
・少なくとも一種の触媒材料を含む化合物、および
・ミクロ多孔質構造、
を有する少なくとも一つの電極と、
少なくとも一つのセパレータと、
を含む少なくとも一つの電解槽スタックに連通している第１の容器、ならびに
前記少なくとも一つの電解槽スタックに連通している第２の容器、
を備える、システム。

【請求項2】

前記少なくとも一種の触媒材料がＰＧＭを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記少なくとも一種の触媒材料がニッケルを含む、請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

前記少なくとも一種の触媒材料がコバルトを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項5】

少なくとも一つの膜をさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項6】

前記少なくとも一つの電極が、粗面化材料をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項7】

前記粗面化材料がアルミニウムを含む、請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記少なくとも一つの電極が、ナノ多孔質構造をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項9】

前記少なくとも一つの電極が、少なくとも一種のドープ剤をさらに含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項10】

溶液中で水を分解するための方法であって、
少なくとも一種の窒素化合物を含む溶液を少なくとも一つの電解槽スタックへ通過させることと、
・少なくとも一種の触媒材料、および
・ミクロ多孔質構造、
を有する少なくとも一つの電極に前記溶液を接触させることと、
前記溶液中の水分子を分解して水素ガス、ならびに窒素ガスおよび酸素ガスを生成することと、
前記酸素ガスまたは前記窒素ガスと前記水素ガスとを分離することと、
前記少なくとも一つの電解槽スタックから前記水素ガスを排出することと、
前記水素ガスを捕集することと、
を含む方法。

【請求項11】

前記電極に電流を印加することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

電極を製造する方法であって、
基板を用意することと、
前記基板を洗浄することと、
前記基板を酸性溶液に接触させることと、
前記基板に電流を印加することと、
前記基板を乾燥またはすすぐことと、
粗面化材料を含む少なくとも一種の担持材料および少なくとも一種の主材料を前記基板上に同時に堆積させることと、
前記基板上に堆積された前記少なくとも一つの粗面化材料に浸出処理を施すことと、
を含む方法。

【請求項13】

前記主材料がニッケルを含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記主材料がＰＧＭを含む、請求項１２または１３に記載の方法。

【請求項15】

前記主材料がコバルトを含む、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

前記少なくとも一種の担持材料がアルミニウムを含む、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項17】

前記少なくとも一種の担持材料がドープ剤を含む、請求項１２から１７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

前記少なくとも一種の材料を堆積させることが物理的堆積を含む、請求項１２から１７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項19】

前記少なくとも一種の材料を堆積させることが化学的堆積を含む、請求項１２から１８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項20】

基板と、
前記基板に接触している多孔質構造であって、
・主材料、
・担持材料、および
・前記担持材料の原子を受容するのに十分な直径を有する細孔、
を有する多孔質構造と、
ドープ剤と、
を備える、電極。

【請求項21】

前記多孔質構造がミクロ孔を含む、請求項２０に記載の電極。

【請求項22】

前記多孔質構造がナノ孔を含む、請求項２０または２１に記載の電極。

【請求項23】

前記主材料および前記担持材料が、前記基板の重量の少なくとも２５％を占める、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の電極。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年７月２２日に出願された「Ｎｏｖｅｌ ＳｕｎＧｒｅｅｎＨ２ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ（新規ＳｕｎＧｒｅｅｎＨ２電解槽システム）」と題するシンガポール特許出願第１０２０２１０８０１４Ｔ号の出願の優先権および利益を主張するものであり、その明細書、特許請求の範囲および図面は、参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明の実施形態は、アノード、カソード、および／または、アノードとカソードとを分離するイオン交換膜を用いてガス状水素を生成する電解槽システムに関する。電解槽システムは、太陽エネルギー、風力、水力、バイオエネルギーおよび地熱エネルギー等の再生可能エネルギー源によって動力が与えられる。

【背景技術】

【0003】

水素は、主要なエネルギー分野全体の持続可能性および排出削減に関するあらゆる議論の重要な部分である。多くの工業プロセスの原料およびプロセスガスであることに加えて、水素は輸送用途のための燃料代替物として浮上している。したがって、再生可能な水素資源は生産能力の増大が求められている。水の低温電気分解は、現在、カーボンフリーな水素生成の最も成熟した方法であり、エネルギー地形に影響を与える関連規模に達しつつある。しかしながら、水の低温電気分解のコストは水素製造の従来の供給源で経済性を図るには依然として削減が必要である。低コストの再生可能エネルギー源が利用できれば運転コストの削減が可能になり、材料および製造の最適化を伴う資本コストの大幅な削減の可能性が存在する。

【0004】

電解槽システムによる水素生成に関する課題としては、電解槽システムの安定性および電極材料の高コストが挙げられる。白金族金属（ＰＧＭ：ｐｌａｔｉｎｕｍ ｇｒｏｕｐ ｍｅｔａｌｓ）系触媒の電極触媒活性の向上を目指した研究の取り組みが進められている。他の研究の取り組みとしては、ＰＧＭ担持量の低減や、非ＰＧＭ電極触媒を開発することによるＰＧＭの完全な削減が挙げられる。必要とされているのは、水素を製造するための電力負荷を低減し、電極材料の効力を維持または増加させながら電極材料のコストを低減する方法である。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のシステムおよび方法は、水素を製造するための電解槽システム、および電解槽システムを用いて水素を製造するための方法に関する。具体的には、本発明のシステムおよび方法は、溶液を電気分解するためのシステムであって、少なくとも一種の触媒材料を含む化合物およびミクロ多孔質構造を有する少なくとも一つの電極と少なくとも一つのセパレータとを含む少なくとも一つの電解槽スタックに連通している第１の容器ならびに少なくとも一つの電解槽スタックに連通している第２の容器を含む、システムに関する。

【0006】

別の実施形態では、少なくとも一種の触媒材料はＰＧＭを含む。別の実施形態では、少なくとも一種の触媒材料は鉄を含む。別の実施形態では、電解槽システムは、少なくとも一つの膜をさらに含む。別の実施形態では、少なくとも一つの電極は、さらに、粗面化（ｓｃａｒｉｆｙｉｎｇ）材料を含む。別の実施形態では、粗面化材料はアルミニウムを含む。別の実施形態では、少なくとも一つの電極は、ナノ多孔質構造をさらに含む。別の実施形態では、少なくとも一つの電極は、少なくとも一種のドープ剤をさらに含む。

【0007】

一実施形態では、本発明の方法は、溶液中で水を分解する方法であって、少なくとも一種の窒素化合物を含む溶液を少なくとも一つの電解槽スタックへ通過させることと、少なくとも一種の触媒材料およびミクロ多孔質構造を含む少なくとも一つの電極に溶液を接触させることと、溶液中の水分子を分解して水素ガスと窒素ガスまたは酸素ガスとを生成することと、酸素ガスまたは窒素ガスと水素ガスとを分離することと、少なくとも一つの電解槽スタックから水素ガスを排出することと、水素ガスを捕集することと、を含む方法に関する。別の実施形態では、本方法は、電極に電流を印加することをさらに含む。

【0008】

一実施形態では、本発明の方法は、電極を製造するための方法であって、基板を用意することと、基板を洗浄することと、基板を酸性溶液に接触させることと、基板に電流を印加することと、基板を乾燥またはすすぐことと、粗面化材料を含む少なくとも一種の担持材料および少なくとも一種の主材料を基板上に同時に堆積させることと、基板上に堆積した少なくとも一つの粗面化材料に浸出処理を施すことと、を含む方法に関する。別の実施形態では、主材料はニッケルを含む。別の実施形態では、担持材料はアルミニウムを含む。別の実施形態では、担持材料はドープ剤を含む。別の実施形態では、少なくとも一種の材料を堆積させることは、物理的堆積を含む。
別の実施形態では、少なくとも一種の材料を堆積させることは、化学的堆積を含む。

【0009】

一実施形態では、本発明のシステムは、電極を製造するための方法に関し、電極は、基板と、基板に接触する多孔質構造と、を含み、多孔質構造は、主材料と、担持材料と、担持材料の原子およびドープ剤を受容するのに十分な直径を有する細孔と、を含む。別の実施形態では、多孔質構造はミクロ孔を含む。別の実施形態では、多孔質構造はナノ孔を含む。別の実施形態において、主材料および担持材料は、基板の重量の少なくとも２５％を占める。

【0010】

本発明の目的、利点および新規な特徴ならびにさらなる適用範囲は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明に部分的に記載され、以下を検討することによって当業者には部分的には明らかになり、または本発明の実施によって習得され得る。本発明の目的および利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される手段および組合せによって実現および達成され得る。

【図面の簡単な説明】

【0011】

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明の一つ以上の実施形態を示し、説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。図面は、本発明の一つ以上の実施形態を例示するためのものにすぎず、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。以下の図面において、

【0012】

【図1】電解槽システムの一実施形態を示す図である。

【0013】

【図2】電解槽スタックの一実施形態を示す図である。

【0014】

【図3】単一セルイオン交換電解槽の一実施形態を示す図である。

【0015】

【図4】バイポーラプレートの一実施形態を示す図である。

【0016】

【図5A】印加磁場を有する電解槽セルの一実施形態を示す図である。

【0017】

【図5B】図５Ａに示す電解槽セルにおける電流の流れおよび磁場の方向を示すグラフである。

【0018】

【図6A】光電気化学システムの配置の一実施形態を示す図である。

【0019】

【図6B】光電気化学システムの配置の一実施形態を示す図である。

【0020】

【図7】スパッタリングまたは電気めっきを使用する電極製造の一実施形態のプロセスフロー図である。

【0021】

【図8】電極製造の一実施形態のプロセスフロー図である。

【0022】

【図9】本発明の新規な膜電極接合体（「ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ」）の初期性能および電流密度を市販のＭＥＡと比較して示す一連のグラフである。

【0023】

【図10】本発明の新規ＭＥＡの初期性能および長期安定性を市販のＭＥＡと比較して示す一連のグラフである。

【0024】

【図11】カソードおよびアノードからの材料の粗面化および／または浸出処理の選択的エッチングの影響を示す一連のグラフである。

【0025】

【図12】カソードおよびアノードを熱処理することの影響を示す一連のグラフである。

【0026】

【図13】カソードおよび／またはアノードから材料を粗面化および／または浸出処理を施すことによって形成されたミクロ多孔質構造を示す一連の写真である。

【0027】

【図14】窒素支援電解槽の長期安定性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0028】

発明の詳細な説明
本発明は、バイポーラプレートと、集電体と、セパレータと、触媒材料およびミクロ多孔質構造を有する電極と、ＭＥＡ／イオン交換膜と、を備え得る電解槽システムである。

【0029】

「金属（ｍｅｔａｌ）」または「複数種の金属（ｍｅｔａｌｓ）」という用語は、本明細書、特許請求の範囲、および図面において、金属原子を含む化合物、混合物、または物質として定義される。「金属（ｍｅｔａｌ）」または「複数種の金属（ｍｅｔａｌｓ）」という用語は、金属水酸化物、金属酸化物、金属塩、元素金属、金属イオン、非イオン性金属、鉱物、またはそれらの組合せを含むが、これらに限定されない。

【0030】

「触媒」または「触媒材料」という用語は、本明細書、特許請求の範囲、および図面において互換的に使用されるものとする。「セパレータ」および「バイポーラプレート」という用語は、本明細書、特許請求の範囲、および図面において互換的に使用されるものとする。

【0031】

「浸出処理」という用語は、本明細書および特許請求の範囲において、材料から１種または複数種の金属を放出、抽出、遊離、または除去するために使用されるプロセスとして定義される。

【0032】

「ミクロ多孔質」または「ミクロ構造」という用語は、本明細書、特許請求の範囲、および図面において、材料の少なくとも一部が直径１ミリメートル未満の細孔を含む材料として定義される。

【0033】

「ナノ多孔質」または「ナノ構造」という用語は、本明細書、特許請求の範囲、および図面において、材料の少なくとも一部が直径１ミクロン未満の細孔を含む材料として定義される。

【0034】

「タンク」または「容器」という用語は、本明細書、特許請求の範囲、および図面において、互換的に使用され、ホルダ、チャンバ、コンテナ、レセプタクル、および／または流体を収容することができる他の物体として定義される。この用語は、ホルダ、チャンバ、コンテナ、レセプタクル、および／または適切な規模もしくは材料のその他の物体を包含するものとする。例えば、それらは、商業規模の水の電気分解のための大型の耐酸性タンクまたは容器を含むことができる。

【0035】

「白金族金属」という用語は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、またはそれらの組合せを含むが、これらに限定されない。

【0036】

本電解槽システムは、従来の電解装置に比べて低い電圧で、水を水素と酸素に、または窒素化合物を水素と窒素に分解することができる。本電解槽システムは、従来の電解槽と比べてより高い電極効率またはＭＥＡ効率および長期安定性を有し得る。

【0037】

本電解槽システムは、ＰＧＭの必要性を低減しつつ高いセル電流密度を達成することができる。特に、本電解槽システムでは、ＰＥＭ技術を使用する従来の電解槽に比べて必要なＰＧＭが減り、ＡＥＭおよびＡＥ技術を使用する従来の電解槽に比べてＰＧＭを必要としない。

【0038】

窒素支援水素生成を用いる電解槽システムは、酸素が発生しないため、Ｏ_２ガスとＨ_２ガスとの混合によって引き起こされる爆発の危険性がない。窒素支援水素生成を用いる電解槽システムの性能安定性は、従来の水分解系と比べて特に長期運転において高くなり得る。窒素のアノードにおけるアノード反応を酸素で置換することにより、電解槽システムをより低い電圧またはゼロ電圧で動作することが可能になり、酸素の存在に起因するアノードの酸化および腐食が回避され、すなわち酸素発生の代わりに窒素が発生する。窒素支援水素生成を使用する電解槽システムは、水素を発生させるために水を使用する電解槽システムに比べてより高い安定性の範囲（例えば、性能の変化を伴いつつも少なくとも１００時間にわたる連続運転）を有し得る。

【0039】

ここで図面を参照すると、図１は、電解槽システム１０を示す。水タンク１２は、電解槽スタック１６の正電荷端１８に水流１４を供給することができる。電解槽スタック１６は、正電荷端１８および負電荷端２２に接続された電源２０によって動力が与えられ得る。電子は、電解槽スタック１６内の経路２４に沿って流れることができ、水を酸素分子と水素分子に分解することができる。酸素は流出２６によって電解槽スタック１６から出ていくことができ、水素は流出２８によって電解槽スタック１６から出ていくことができる。水素は、水素貯蔵タンク３０に捕集することができる。

【0040】

図２は、単一の電解槽セル４２の分解図を用いて電解槽スタック１６を示す。個々の電解槽セルは、コネクタ３２によってスタック内に一緒に保持することができる。単一の電解槽セル３４は、セパレータおよび／またはバイポーラプレート３６の間に少なくとも部分的に配置された電極３８を含むことができる。膜４０は、電極３８の間に少なくとも部分的に配置することができる。水素２７および酸素２５は、セパレータおよび／またはバイポーラプレート３６で生成することができ、単一の電解槽セル３４の両端で単一の電解槽セル３４から出ていくことができる。

【0041】

図３は、単一セルイオン交換電解槽４２を示す。膜４０は、ガスケット５２の間に少なくとも部分的に配置することができる。膜４０は、イオン交換膜５６、酸素発生反応（「ＯＥＲ：ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ」）触媒５８、および水素発生反応（「ＨＥＲ：ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ」）触媒６０を含むことができる。ＯＥＲ触媒５８およびＨＥＲ触媒６０は、ガス拡散層（「ＧＤＬ：ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ」）を含むことができる。イオン交換膜５６は、ＯＥＲ触媒５８とＨＥＲ触媒６０との間に少なくとも部分的に配置することができる。ガスケット５２は、フローフィールドプレート５０の間に少なくとも部分的に配置することができる。フローフィールドプレート５０は、セパレータおよび／またはバイポーラプレート３６の間に少なくとも部分的に配置することができる。セパレータおよび／またはバイポーラプレート３６は、エンドプレート４９および集電体４８を含むことができる。単一セルイオン交換電解槽４２は、アノードセル４４を含むことができる。アノードセル４４は、セパレータおよび／またはバイポーラプレート３６、フローフィールドプレート５０、ガスケット５２およびＯＥＲ触媒５８を含むことができる。単一セルイオン交換電解槽４２は、カソードセル４６を含むことができる。カソードセル４６は、セパレータおよび／またはバイポーラプレート３６、フローフィールドプレート５０、ガスケット５２、およびＨＥＲ触媒６０を含むことができる。図４は、単一セルイオン交換電解槽４２の構成要素であり得るサーペンタイン型チャネルパターン６２を有するセパレータおよび／またはバイポーラプレートの一実施形態を示す。

【0042】

図５Ａおよび図５Ｂは、印加磁場を有する電気分解セル６４と、印加磁場を有する電解槽セル６４における電流の流れおよび磁場を示すグラフとを示す。セルアセンブリ６５は、磁場のＳ極側端部６６と磁場のＮ極側端部６８との間に少なくとも部分的に配置することができる。セルアセンブリ６５は、セパレータおよび／またはバイポーラプレート３６、電極３８、および膜４０を含むことができる。必要に応じて、電極３８は、後に多孔質輸送体に置き換えられてもよく、および／または、膜４０は、触媒とＧＤＬと電極３８とを含むＭＥＡに置き換えられてもよい。磁場６９は、セパレータおよび／もしくはバイポーラプレート３６ならびに／または電極３８に印加することができる。磁場は磁場のＳ極側端部６６および磁場のＮ極側端部６８に平行に印加することができ、磁場に垂直に電流を印加することができる。電流は、セルアセンブリ６５の構成要素のうちの少なくとも一つの両端に流れてもよく、および／または、それを経由して流れてもよい。

【0043】

図６Ａおよび図６Ｂは、電極配置の光電気化学システム７０および光電気化学システム７８を示す。光電気化学システム７０は、光アノード７２とソーラーパネル７６との間に少なくとも部分的に配置された光カソード７４を含む。光電気化学システム７８は、光カソード７４とソーラーパネル７６との間に少なくとも部分的に配置された光アノード７２を含む。ソーラーパネル７６は、日射を電力に変換し、光アノード７２に、および／または、光カソード７４の間に電圧を供給することができる。必要に応じて、光アノード７２および／または光カソード７４は、日射を直接受けることによって電子流を生成してもよい。

【0044】

図７はスパッタリングまたは電気めっきを用いた電極製造の一実施形態を示す。スパッタリングによる製造方法８０では、洗浄工程８２によって基板を前処理してもよい。洗浄工程８２は、脱脂および／または脱酸を含むことができる。次いで、電流を印加することによって基板に電気化学的活性化８４を行うことができる。活性化された基板を乾燥８６させ、続けて主材料および担持材料を含む化合物のスパッタリング８８を行うことができる。担持材料は、粗面化材料を含むことができる。主材料および担持材料に、浸出処理９０を施すことができる。必要に応じて、主材料にドープ剤を導入するために、粗面化された（ｓｃａｒｉｆｉｅｄ）化合物にドーピング９２を行ってもよい。粗面化された化合物を有する基板に、熱処理９４を施してもよい。

【0045】

電気めっき法９６では、洗浄工程８２によって基板を前処理することができる。洗浄工程８２は、脱脂および／または脱酸を含むことができる。次いで、電流を印加することによって基板に電気化学的活性化８４を行うことができる。活性化された基板に、主材料および担持材料を含む化合物の電気めっき９８を施すことができる。担持材料は、粗面化材料を含むことができる。主材料および担持材料に、浸出処理９０を施すことができる。必要に応じて、主材料にドープ剤を導入するために、粗面化された（ｓｃａｒｉｆｉｅｄ）化合物にドーピング９２を行ってもよい。粗面化された化合物を有する基板に、熱処理９４を施してもよい。

【0046】

図８に、電極製造方法１００を示す。電極基板に化学的および電気化学的前処理１０２を施した後、第１の材料堆積１０４を行うことができる。次いで、基板に第１の熱処理１０６を施した後、第１の試薬洗浄１０８および第２の試薬洗浄１１０を行うことができる。水は、蒸留水および／または精製水を含み得る。次いで、基板に酸洗浄１２２を実施した後、第３の試薬洗浄１１４を行うことができる。次いで、基板に電気化学的活性化１１６を実施した後、第４の試薬洗浄１１８を行うことができる。次いで、基板を乾燥させ１２０、第２の材料堆積１２２を行うことができる。次いで、堆積した材料を有する基板に選択的エッチングおよび／または浸出処理１２４を施した後、第５の試薬洗浄１２６および第２の熱処理１２８を施すことができる。洗浄工程のいずれかにおける試薬は、イソプロピルアルコール、蒸留水、精製水、アセトン、エタノール、またはそれらの組合せを含み得る。

【0047】

図９に、本発明のＭＥＡと市販のＭＥＡの初期性能および安定性データを比較する一連のグラフを示す。結果は、本発明のＭＥＡが、市販のＭＥＡと比べてより低い印加電圧で同じ電流密度を達成し得ることを実証している。この結果はまた、本発明のＭＥＡが市販のＭＥＡと比べて向上した長期安定性を有することを実証している。

【0048】

図１０に、本発明の新規な電極の初期性能および電流密度を市販の電極と比較して示す一連のグラフを示す。グラフは、陽イオン交換膜を組み込んだ市販のＭＥＡの初期性能および安定性データを、陽イオン交換膜を組み込んだ本発明のＭＥＡと比較している。陽イオン交換膜は、本発明のＭＥＡおよび市販のＭＥＡのアノード区画とカソード区画との間に少なくとも部分的に配置されている。

【0049】

図１１は、カソードおよびアノードからの材料の粗面化および／または浸出処理の選択的エッチングの影響を示している。グラフは、選択的エッチングまたは浸出処理を施していないカソードおよび選択的エッチングまたは浸出処理を施したカソードの性能を示す。選択的エッチングまたは浸出処理を施したカソードは、選択的エッチングまたは浸出処理を施していないカソードと比べると、所与の電圧に対してより多くのエネルギーを保持した。グラフはまた、選択的エッチングまたは浸出処理を施していないアノードおよび選択的エッチングまたは浸出処理を施したアノードの性能を示す。選択的エッチングまたは浸出処理を施したアノードは、選択的エッチングまたは浸出処理を施していないアノードと比べると、所与の電圧に対してより多くのエネルギーを保持した。

【0050】

図１２に、カソードおよびアノードの熱処理の影響を示す。グラフは、熱処理のありなしでのカソードおよびアノードの性能を示す。熱処理は、カソードおよびアノードの性能を高めた。

【0051】

図１３に、カソードおよび／もしくはアノードからの材料に粗面化ならびに／または浸出処理を施すことによって形成されたミクロ多孔質構造を示す。画像系列１３０は、粗面化された材料および／または浸出処理を施した材料１３２の間に散在する細孔１３４を示している。画像系列１３０はまた、基板１３６に結合した触媒材料１３８を示している。

【0052】

図１４は、１ＭのＫＯＨおよび０．２ＭのＮ_２Ｈ_４中の電流密度１０ｍＡ・ｃｍ^－２における１００時間にわたる二電極ヒドラジン電解槽の長期安定性を示している。電圧は１００時間にわたって安定していた。ヒドラジン電解槽システムの動作中、電圧は約０．４５Ｖを保持していた。

【0053】

電解槽システムは、少なくとも一つの電解槽スタックを含み得る。電解槽スタックは、少なくとも一つの電解セルを含み得る。電解セルは、アノードセルおよび／またはカソードセルを含み得る。アノードセルおよび／またはカソードセルは、バイポーラプレート、フローフィールドプレート、ガスケット、電極、触媒、またはそれらの組合せを含むことができる。膜は、アノードセルとカソードセルとの間に配置することができる。バイポーラプレートは、エンドプレート、集電体、流路、またはそれらの組合せを含むことができ、溶液に溶解したガスが気体に変換するのを促進することができる。フローフィールドプレートは流動場を構成することができる。

【0054】

電解槽システムは膜を含み得る。膜は、プロトン交換膜（「ＰＥＭ：ｐｒｏｔｏｎ－ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ」）、陰イオン交換膜（「ＡＥＭ：ａｎｉｏｎ－ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ」）、アルカリ電解槽（「ＡＥ：ａｌｋａｌｉｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ」）スタック、またはそれらの組合せを含み得る。ＰＥＭおよび／またはＡＥＭはＰＧＭを含み得る。ＰＥＭおよびＡＥＭは、イオン交換膜であり得る。電解槽システムは、ナフィオン１１５、ナフィオン１１７、ナフィオン２１２、パーフルオロスルホン酸膜、ポリテトラフルオロエチレン膜、クロールアルカリ膜、カルボン酸膜、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない陽イオン交換膜をさらに含み得る。電解槽は、金属もしくは混合金属－金属酸化物のミクロ構造および／またはナノ構造を含む電極を用いて高いセル電流密度を達成することができる。電解槽は、カソード触媒および／またはアノード触媒を含んでもよい。カソード触媒および／またはアノード触媒はＰＧＭを含み得る。ＰＥＭ、ＡＥＭ、ＡＥスタック、電極、触媒、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない電解槽システムに磁場を外部から印加することができる。電解槽システムは、水素電解槽システムであってもよい。膜は、少なくとも約０．２ｍｇ・ｃｍ^－２、約０．２ｍｇ・ｃｍ^－２～約３ｍｇ・ｃｍ^－２、約０．４ｍｇ・ｃｍ^－２～約２．５ｍｇ・ｃｍ^－２、約０．６ｍｇ・ｃｍ^－２～約２．０ｍｇ・ｃｍ^－２、約０．８ｍｇ・ｃｍ^－２～約１．５ｍｇ・ｃｍ^－２、約１．０ｍｇ・ｃｍ^－２～約１．２ｍｇ・ｃｍ^－２、または約３ｍｇ・ｃｍ^－２を有し得る。

【0055】

ＭＥＡはＡＥＭを含み得る。ＭＥＡは結合剤を含んでもよい。結合剤は、アニオン性結合剤、カチオン性結合剤、もしくはアイオノマー結合剤、またはそれらの組合せを含み得る。結合剤は、アノードとＡＥＭとの間に少なくとも部分的に配置されてもよい。結合剤はまた、カソードとＡＥＭとの間に少なくとも部分的に配置されてもよい。ＡＥＭは、陰イオン交換膜および／または陽イオン交換膜を含み得る。結合剤は、ＡＥＭとアノードおよび／またはカソードとの間のイオン伝導度を、少なくとも約１０％、約１０％～約４０％、約１５％～約３５％、約２０％～約３０％、または約４０％向上することができる。結合剤は、アイオノマーを含んでもよく、アニオン性またはカチオン性を含んでもよい。結合剤は、ＡＥＭと対応するアノードまたはカソードとの間に以下の順序：
●アノード、第１の（アニオン性）結合剤、ＡＥＭ、第２の（アニオン性）結合剤、カソード；
●アノード、第１の（カチオン性）結合剤、ＡＥＭ、第２の（カチオン性）結合剤、カソード；
●アノード、第１の（アニオン性）結合剤、ＡＥＭ、第２の（カチオン性）結合剤、カソード；もしくは
●アノード、第１の（カチオン性）結合剤、ＡＥＭ、第２の（アニオン性）結合剤、カソード
のうちの１つで少なくとも部分的に配置され得る。

【0056】

ＭＥＡの膜はＰＥＭを含み得る。ＰＥＭは、約４Ａ・ｃｍ^－２未満、約０．５Ａ・ｃｍ^－２～約４Ａ・ｃｍ^－２、約１Ａ・ｃｍ^－２～約３．５Ａ・ｃｍ^－２、約１．５Ａ・ｃｍ^－２～約３Ａ・ｃｍ^－２、約２Ａ・ｃｍ^－２～約２．５Ａ・ｃｍ^－２、または約４Ａ・ｃｍ^－２の電流密度を有し得る。カチオン性結合剤は、アノードとＰＥＭとの間、および／またはカソードとＰＥＭとの間に少なくとも部分的に配置されてもよい。カチオン性結合剤は、アイオノマーを含んでもよく、少なくとも約５重量％、約５重量％～約２０重量％、約１０重量％～約１５重量％、または約２０重量％のアイオノマー溶液から調製されてもよい。従来のＰＥＭ電解槽技術では、アノード触媒およびカソード触媒はＰＧＭを含む。白金は主にカソードを作製するために使用され、イリジウムおよびルテニウムはアノードを作製するために使用される。従来のＰＥＭ電解槽技術によって使用される白金族材料の量は通例、１～３ｍｇ／ｃｍ^２である。ＰＥＭを含む本発明の電解槽システムは、性能を損なうことなく、少なくとも約０．０１ｍｇ／ｃｍ^２、約０．０１ｍｇ／ｃｍ^２～約０．１ｍｇ／ｃｍ^２、約０．０２ｍｇ／ｃｍ^２～約０．０９ｍｇ／ｃｍ^２、約０．０３ｍｇ／ｃｍ^２～約０．０８ｍｇ／ｃｍ^２、約０．０４ｍｇ／ｃｍ^２～約０．０７ｍｇ／ｃｍ^２、約０．０５ｍｇ／ｃｍ^２～約０．０６ｍｇ／ｃｍ^２、約０．１ｍｇ／ｃｍ^２のＰＧＭを含む電極を含み得る。ＰＥＭはまた、カチオン膜および／または陽イオン交換膜を含み得る。

【0057】

電解槽システムは、水の分解に使用される光電気化学（「ＰＥＣ：ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ」）システムを含み得る。ＰＥＣシステムは、透明／半透明光アノード（ＰＡ：ｐｈｏｔｏ－ａｎｏｄｅ）、透明／半透明光カソード（ＰＣ：ｐｈｏｔｏ－ｃａｔｈｏｄｅ）、太陽電池（ＳＣ：ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）、またはそれらの組合せを含むことができる。ＰＥＣシステムは、高い太陽光－水素変換効率で太陽光および水からのグリーン水素の生成を可能にすることができ、すなわち、水素ガスの収率は、ＰＥＣシステムなしの電解槽およびソーラーパネルによって生成された水素の量と比較して高い。ＰＥＣシステムは、導電性金属酸化物およびペロブスカイト材料などの非ＩＩＩ－Ｖ族化合物材料を含んでもよい。

【0058】

電解槽システムは、電源としてソーラーパネルを備えてもよい。ソーラーパネルをＰＥＣシステムに組み込んで、太陽光および水からグリーン水素を直接生成することができ、太陽光－水素変換（ＳＴＨ：ｓｏｌａｒ ｔｏ ｈｙｄｒｏｇｅｎ）効率が向上する。

【0059】

光アノードは、ＢｉＶＯ_４、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されないｎ型半導体および／またはペロブスカイト材料を含んでもよい。透明であり得るバンドギャップを有するヘテロ構造を形成するために使用されるｎ型半導体および／またはペロブスカイト材料。他の適合性材料もまた、高性能ｎ型半導体を形成するために、アノード材料の堆積中に同時に堆積させてもよい。ＺｎＯおよびＴｉ同時に堆積させて、またはＺｎＯ、ＴｉおよびＷを同時に堆積させて高性能な混合酸化物を形成してもよい。また、光アノードに、ＰＧＭ系またはＮｉ系合金を含むがこれらに限定されないアノード触媒のナノ粒子をコーティングして光アノードの全体的な性能を改善してもよい。

【0060】

光カソードは、銅系酸化物、ｐ型金属酸化物の合金、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されないｐ型半導体および／またはペロブスカイト材料を含むことができる。ｐ型半導体および／またはペロブスカイト材料は、透明であり得るバンドギャップを有するヘテロ構造を形成し得る。光カソードは、ＰＧＭ系またはＮｉ系合金を含むがこれらに限定されないカソード触媒のナノ粒子でコーティングして光カソードの全体的な性能を改善してもよい。

【0061】

光電極、例えば光アノードおよび／または光カソードは、５０％を超える曲線因子で１４ｍＡ・ｃｍ^－２を超える光電流密度を達成するように製造することができる。光電極中の材料を最適化して結晶構造を達成することができる。結晶構造には、光電極上のナノ結晶の形成が必要になる場合がある。ナノ結晶は、電極上への材料の堆積を調整することによって、例えば堆積時間、堆積時の温度、堆積時の圧力を制御することによって、反応ガスを制御することによって、またはそれらの組合せによって形成することができる。また、ナノ結晶と電極表面との間の界面を、ナノ結晶を光電極に組み入れるために最適化することができる。界面は、各材料の堆積パラメータを制御することによって、例えば、堆積時間、堆積時の温度、堆積時の圧力を制御することによって、反応ガス、堆積時の電力、ガス流量、またはそれらの組合せを制御することによって最適化することができる。界面設計により、ナノ結晶の表面形態および形状の変化を防ぐことができる。

【0062】

光アノードおよび光カソードは、その後、順次堆積を使用して互いに一体化させてもよい。一体化した光電極は、物理的および／または化学的堆積を使用して太陽電池またはソーラーパネルと直接一体化させてもよい。光電極の太陽電池またはソーラーパネルとの一体化は、残りの光電極またはソーラーコンポーネントの性能を妨げないように、各光電極またはソーラーコンポーネントの光吸収を制御することによって行うことができる。光吸収は、堆積パラメータを調整することによって材料の結晶品質および厚さを調整することによって制御することができる。

【0063】

ＰＥＣシステムのＳＴＨ効率は、短絡光電流密度、水素発生のファラデー効率、および入射光力密度に依存し得る。これらのパラメータはすべて、標準的な太陽照明条件下（ＡＭ １．５Ｇ 太陽光スペクトル）で測定する必要がある。ＳＴＨ効率は、式１に従って測定することができる。

【数1】

（１）

【0064】

ＳＴＨ効率は、熱力学ポテンシャル（Ｖ_{ｒｅｄｏｘ}）に電解電流（ＩＷＥ：ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔ）と水素発生のファラデー効率（ηＦ）とを掛けて２倍し、次いで、入力光パワー（Ｐｉｎ、input light power）で割ることで算出することができる。

【0065】

ＰＥＣシステムは非ＩＩＩ－Ｖ族材料を使用することができ、これにより、光電流密度および水素発生に影響を及ぼすことができる一方、最大３０％のＳＴＨ効率を達成することができる。３０％のＳＴＨ効率は、従来のＰＥＣ技術で達成されるＳＴＨ効率の約３倍である。

【0066】

電解槽システムは、一対の電磁プレートの間に少なくとも部分的に配置された少なくとも一つの電解セルを備えることができる。一対の電磁プレートは、電解セルのスタック内の電流の流れに対して電磁的に垂直に配置することができる。電磁プレートは、準均一な磁場を生成させることができる。電磁プレートは、水素ガスの捕集を加速させることができる。水素ガスの加速は、電解槽スタックを用いた準均一磁場と電荷担体の電流の流れとの協調効果によって達成され得る。電荷担体はプロトンを含み得る。

【0067】

電解槽システムは、溶液中の窒素化合物から水素を生成することができる（窒素支援水素生成）。窒素支援水素生成は、膜電解槽（ＰＥＭまたはＡＥＭのいずれか）、Ｎ_２ガスおよびＨ_２ガスを分離するための隔膜を含むアルカリ電解槽、膜を含まない電解槽、またはそれらの組合せにおいて起こり得る。窒素支援水素生成には、窒素化合物を電解槽と接触させることが必要になり得る。窒素および水素は、式３および式６のアノード半反応、ならびに式４および式７のカソード半反応から得られる式２または式５に従って生成され得る。

【0068】

窒素化合物は、ヒドラジン、尿素を含んでもよく、他の試薬は、電解質に溶解すると窒素に分解することができる。窒素支援水素生成は、酸素発生の代わりにアノード側（例えば、アノード）で窒素を発生させ得る。窒素発生により、電解槽システムを動作させるのに必要な全体的なセル電圧および電力を低減することができる。電解槽システム電極の表面特性を調整して、電極の電気化学的電位を変化させることができる。窒素および酸素を発生させるために窒素化合物を分解する電解槽システムは、少なくとも約１０ｍＶ～約１．５Ｖ、約５０ｍＶ～約１．０Ｖ、約１００ｍＶ～約０．８Ｖ、約０．２Ｖ～約０．６Ｖ、または約１．５Ｖの印加電圧で動作することができる。窒素支援水素生成を使用する電解槽システムは、印加電圧なしで動作することができ、および／または、副産物として電気を発生させることができる。

【0069】

窒素支援水素生成を使用する電解槽システムは、電解液槽であって、ヒドラジン、尿素、電解液に溶解すると窒素に分解され得る任意の他の試薬もしくはそれらの組合せ；蒸留水；ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｋ_２ＣＯ_３もしくはそれらの組合せを非限定的に含むアルカリ金属電解質；Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_２ＣＯ_３もしくはそれらの組合せを非限定的に含む酸性電解質；またはそれらの組合せを非限定的に含む電解液槽を備えることができる。ＫＯＨは、少なくとも約１．０Ｍ、約１．０Ｍ～約５．０Ｍ、約１．５Ｍ～約４．５Ｍ、約２．０Ｍ～約４．０Ｍ、約２．５Ｍ～約３．５Ｍ、または約５．０Ｍの濃度であり得る。ヒドラジン、尿素、電解質に溶解すると窒素に分解され得る任意の他の試薬、またはそれらの組合せは、約０．０１Ｍ以上、約０．０１Ｍ～約３．０Ｍ、約０．５Ｍ～約２．５Ｍ、約１．０Ｍ～約２．０Ｍ、または約３．０Ｍの濃度のＮ_２Ｈ_４またはＣＯ（ＮＨ_２）_２であり得る。浴は、約２０℃以上、約２０℃～約８０℃、約２５℃～約７５℃、約３０℃～約７０℃、約３５℃～約６５℃、約４０℃～約６０℃、約４５℃～約５５℃、または約８０℃の温度で動作することができる。酸素発生反応は、閉鎖循環浴および自動投入システムを介して窒素化合物の濃度を制御することによる窒素発生反応の優位性によって防止される。Ｈ_２とＯ_２との混合物によって引き起こされる爆発の危険性が取り除かれる。

【0070】

電解槽システムは、電源を備えてもよい。電源は、交流、直流、パルス電流、またはそれらの組合せを生成することができる。電源は、日射、熱エネルギー、潮流、風力、バイオエネルギー、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない再生可能エネルギー源から電気エネルギーを生成することができる。電源は、電解槽システムの電解槽セルに電力、例えば電流を伝送することができる。電気エネルギーは、少なくとも１本の電線によって電源から電解槽システムに伝送することができる。

【0071】

電解槽システムは、約２０℃以上、約２０℃～約８０℃、約３０℃～約７０℃、約４０℃～約６０℃、約８０℃の温度で動作することができる。動作温度は、好ましくは約６０℃であり得る。

【0072】

電解槽システムは電解質を含んでもよい。電解質は、アルカリ電解質を含んでもよい。アルカリ電解質は、リチウム（「Ｌｉ」）、ナトリウム（「Ｎａ」）、カリウム（「Ｋ」）、ルビジウム（「Ｒｂ」）、セシウム（「Ｃｓ」）、フランシウム（「Ｆｒ」）、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されないアルカリ金属を含み得る。電解質は、これらに限定されないが、ＫＯＨ、Ｋ_２ＣＯ_３、ＮａＯＨ、またはそれらの組合せを含むことができる。電解質は、約０．１Ｍ以上、約０．１Ｍ～約３Ｍ、約０．５Ｍ～約２．５Ｍ、約１．０Ｍ～約２．０Ｍ、または約３．０Ｍの濃度であり得る。

【0073】

ＭＥＡは、一対の電極に直接接合されてもよく、および／または少なくとも部分的に一対の電極間に配置されてもよい。一対の電極は、アノードおよびカソードを含むことができる。アノードおよびカソードは、ＧＤＬと、ＧＤＬに連通する触媒と、を含んでもよい。触媒は、物理的または化学的堆積によってＧＤＬに付着させることができる。ＧＤＬは多孔質層を含んでもよい。必要に応じて、アノードおよび／またはカソードは、アノードおよび／またはカソードの表面にコーティングされた触媒を有するＧＤＬであってもよい。ＧＤＬは、導電性繊維、紙、発泡体、メッシュ、フェルト、またはそれらの組合せを含むことができる。ＧＤＬは、約０．１ｍｍ以上、約０．１ｍｍ～約２ｍｍ、約０．２ｍｍ～約１．６ｍｍ、約０．４ｍｍ～約１．２ｍｍ、約０．６ｍｍ～約０．８ｍｍ、または約２ｍｍの厚さを有することができる。ＧＤＬは、約１０％以上、約１０％～約９９％、約２０％～約９７％、約３０％～約９５％、約４０％～約９０％、約５０％～約８０％、約６０％～約７０％、または約９９％の特定の多孔度または可変多孔度を有することができる。

【0074】

電極（例えばカソードおよび／またはアノード）、触媒は、ＨＥＲおよび／またはＯＥＲのボルケーノグラフから選択することができ、電解槽システムの所望の電流密度に依存し得る。ＨＥＲ触媒には、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｔｌ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｇａ、またはそれらの組合せが含まれ得るが、これらに限定されない。ＯＥＲ触媒には、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｉｒ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｚｎ、Ａｕ、ＮｂＯｘ、ＲｅＯｘ、ＶＯｘ、ＣｒＯｘ、ＳｎＯｂｘ、ＭｏＯｘ、ＭｎＯｘ、ＰｔＯｘ、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＴｉＯｘ、ＮｉＯｘ、ＰｂＯｂｘ、ＣｏＯｘ、またはそれらの組合せが含まれ得るが、これらに限定されない。ＨＥＲおよび／またはＯＥＲは、電解槽システム、電解セル、および／または電極が、１．８Ｖのセル電圧で、少なくとも約０．５Ａ・ｃｍ^－２以上、約０．５Ａ・ｃｍ^－２～約２Ａ・ｃｍ^－２、約０．７５Ａ・ｃｍ^－２～約１．７５Ａ・ｃｍ^－２、約１Ａ・ｃｍ^－２～約１．５Ａ・ｃｍ^－２、または約２Ａ・ｃｍ^－２の電流密度で動作することを可能とし得る。カソード触媒およびアノード触媒は、以下のうちの１つから選択される非ＰＧＭを含み得る。
●（Ｎｉ_{０．７±０．１}Ｆｅ_{０．３±０．１}）_αＸ_βＹ_γ、但し、α＋β＋γ＝１００％（αは≧５０％であり、βおよびγは残りの５０％を構成し、それぞれ０～５０％の範囲内である）、ＸおよびＹはＣｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｎのうちの１つから選択される。
●（Ａｌ_{０．５±０．１}）（（Ｎｉ_{０．７±０．１}Ｆｅ_{０．３±０．１}）_αＸ_βＹ_γ）_{０．５±０．１}、但し、α＋β＋γ＝１００％（αは≧５０％であり、βおよびγは残りの５０％を構成し、それぞれ０～５０％の範囲内である）、ＸおよびＹはＣｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｎのうちの１つから選択され、触媒は、アルミニウムを浸出させて細孔様構造を形成することによって活性化される。
●（Ａｌ_{０．５±０．１}）（Ｎｉ_{０．７±０．１}Ｍｏ_{０．３±０．１}）_{０．５±０．１}、但し、触媒はアルミニウムを浸出させて細孔様構造を形成することによって活性化され、１．８Ｖのセル電圧で電流密度は２Ａ×ｃｍ^－２より大きい。

【0075】

カソード触媒は、以下：
●（Ａｌ_{０．５±０．１}）（Ｍｏ_{０．７±０．１}Ｐｔ_{０．３±０．１}）_{０．５±０．１}、および
●Ａｌ_{０．７±０．１}Ｐｔ_{０．３±０．１}
から選択されるＰＧＭを含み得る。

【0076】

アノード触媒は、以下から選択される細孔様構造を形成するためにアルミニウムを浸出させることにより活性化されたＰＧＭを含み得る。
●（Ａｌ_{０．５±０．１}）（Ｉｒ_ｘＲｕ_ｙ）_{０．５±０．１}、
●（Ｎｉ_{０．７±０．１}Ｆｅ_{０．３±０．１}）_αＸ_βＹ_γの内層であって、α＋β＋γ＝１００％（αは≧５０％であり、βおよびγは残りの５０％を構成し、それぞれ０～５０％の範囲内である）であり、ＸおよびＹはＣｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｎのうちの１つから選択される内層、ならびにＡｌ_{０．７±０．１}（ＩｒＯｘ）_{０．３±０．１}の外層、
●（Ｎｉ_{０．７±０．１}Ｆｅ_{０．３±０．１}）_αＸ_βＹ_γの内層であって、α＋β＋γ＝１００％（αは≧５０％であり、βおよびγは残りの５０％を構成し、それぞれ０～５０％の範囲内である）であり、ＸおよびＹはＣｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｎのうちの１つから選択される内層、ならびに（Ａｌ_{０．５±０．１}）（Ｉｒ_ｘＲｕ_ｙ）_{０．５±０．１}の外層、
●（Ｎｉ_{０．７±０．１}Ｆｅ_{０．３±０．１}）_αＡｌ_β（但し、α＋β＋γ＝１００％（αは≧５０％であり、βおよびγは残りの５０％を構成し、それぞれ０～５０の範囲内である）。

【0077】

バイポーラプレートは、ガス流路および／または液体流路を含むことができる。ガス流路および／または液体流路は、チャネルを含むことができる。チャネルは、これらに限定されないが、サーペンタイン型、カラムピン型、または平行チャネルパターンもしくは直線チャネルパターン、またはそれらの組合せを含むことができる。バイポーラプレートは、集電体、電解質圧力・流量制御器、電気抵抗調整器、またはそれらの組合せを含むことができる。バイポーラプレートのチャネルパターンおよびこれらのプレート上への堆積材料の表面設計は、電解質圧力、電解質の流れ、および／またはバイポーラプレートの電気抵抗に影響を及ぼす可能性がある。バイポーラプレートのチャネルパターンは、規定の深さ、幅、および曲率を有することができる。

【0078】

バイポーラプレートのチャネルパターンにより、電気分解内の液体および／またはガスの管理を円滑に進めることができる。バイポーラプレートを最適化することで、ガスが電解槽システム内に捕捉されるのを防ぐことができ、電解槽システム内の電解質の流れおよび電解槽システムからのガス放出の改善をもたらすことができる。バイポーラプレートの最適化は、ガスおよび／または液体流路のパターンを変更して、ガスがバイポーラプレートおよび／または電解槽システムに捕捉されるのを防止することによって、ならびに導電性および／または耐食性材料でバイポーラプレートをコーティングして、酸化を回避するとともに電気伝導率を高めることによって行われ得る。バイポーラプレートは、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、炭素系製品、およびアルミニウム、プラスチック、アクリル、発泡体、またはそれらの組合せを含むことができる。導電性耐食性材料は、合金であって、これらに限定されないが、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、モリブデン、クロム、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、亜鉛、青銅、真鍮、またはそれらの組合せを含む合金を含み得る。

【0079】

電解槽システムは、スパッタリングまたは電気めっき法によって製造された電極を含んでもよい。電極は、最初に基板を前処理することによって製造することができる。基板は、ニッケル、クロム鉄、モリブデン、銅、チタン、鋼、ステンレス鋼、ニッケル－クロム合金、ニッケル－鉄合金、ニッケル－モリブデン合金、ニッケル－銅合金、チタン合金、フェルト、紙、発泡体またはそれらの組合せを含むことができるが、これらに限定されない。基板を洗浄および／または脱脂して、基板から油、グリース、および／または自然酸化物を除去することができる。基板は、超音波洗浄（１８Ω×ｃｍを超える抵抗率）および／またはＮａＯＨ、アセトン、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、蒸留水もしくはそれらの組合せとの接触によって、洗浄および／または脱脂することができる。基板は、約５分間以上、約５分間～約３０分間、約１０分間～約２５分間、約１５分間～約２０分間、または約３０分間、少なくとも一回、洗浄および／または脱脂することができる。基板を酸と接触させることによって、基板の表面から自然酸化物を除去することができる。基板を酸性溶液に浸漬してもよい。酸は、塩酸、フッ化水素酸、硫酸、またはそれらの組合せを含み得るが、これらに限定されない。

【0080】

必要に応じて、基板を、基板から自然酸化物を少なくとも部分的に除去することができるエッチング剤と接触させてもよい。酸は、溶液中の重量濃度（ｗ／ｗ）で、約５％以上、約５％～約５０％、約１０％～約４５％、約１５％～約４０％、約２０％～約３５％、約２５％～約３０％の濃度であり得る。酸は、約５０℃以上、約５０℃～約８０℃、約５５℃～約７５℃、約６０℃～約７０℃、または約８０℃の温度であり得る。

【0081】

基板は、基板に電流を印加することによって電気化学的に活性化することができる。印加電流密度は、約４０ｍＡ／ｃｍ^２以上、約４０ｍＡ／ｃｍ^２～約１０００ｍＡ／ｃｍ^２、約８０ｍＡ／ｃｍ^２～約９００ｍＡ／ｃｍ^２、約１００ｍＡ／ｃｍ^２～約８００ｍＡ／ｃｍ^２、約２００ｍＡ／ｃｍ^２～約７００ｍＡ／ｃｍ^２、約３００ｍＡ／ｃｍ^２～約６００ｍＡ／ｃｍ^２、約４００ｍＡ／ｃｍ^２～約５００ｍＡ／ｃｍ^２、または約１０００ｍＡ／ｃｍ^２であり得る。基板は、ＨＣｌ浸漬、その後のアセトンおよび／もしくは脱イオン水の洗浄ならびに／またはすすぎによって活性化することができる。

【0082】

スパッタリングまたは電着を使用して、材料を基板に塗布することができる。スパッタリングを使用して材料を塗布する場合、基板を乾燥させてもよい。乾燥は窒素乾燥を含み得る。必要に応じて、乾燥は、約６０℃以上、約６０℃～約２５０℃、約８０℃～約２３０℃、約１００℃～約２１０℃、約１２０℃～約１９０℃、約１３０℃～約１７０℃の温度範囲内または約２５０℃において真空オーブンで行ってもよい。基板は完全に乾燥させてもよい。電気めっきを使用して材料を塗布する場合、基板を溶媒ですすいでもよい。溶媒は、蒸留水および／または精製水を含み得る。

【0083】

材料は、電極基板の表面上に堆積させることができる。材料は、化合物材料を含んでもよい。化合物材料は、スパッタリング、電子ビーム蒸着、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない物理的堆積によって基板の表面上に堆積させてもよく、電気めっき、電気化学堆積、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない化学的堆積によって基板の表面上に堆積させてもよい。化合物材料は、主材料および担持材料を含み得る。主材料は触媒を含み得る。触媒は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｏや、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｏの合金、またはそれらの組合せを含むことができるが、これらに限定されない。化合物材料は、ＮｉＰｔ、ＮｉＩｒ、ＮｉＲｕ、ＰｔＩｒ、ＰｔＲｕ、ＩｒＲｕ、ＩｒＷ、ＩｒＴｉ、ＩｒＰｄ、またはそれらの組合せを含むことができるが、これらに限定されない。担持材料は、粗面化材料およびドープ剤を含んでもよい。

【0084】

粗面化材料は、Ｌｉ、Ｃａ、Ｎａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、またはそれらの組合せを含むことができるが、これらに限定されない。粗面化材料は、主触媒と比べてより低い電気化学ポテンシャルを有し得る。主材料および担持材料は、基板上に同時に堆積させてもよい。基板上に堆積される主材料および担持材料の量は、基板の重量の２５％以上にすることができる。選択的エッチングによって化合物材料から粗面化材料を後で浸出させてもよい。粗面化材料を選択的にエッチングおよび／または浸出処理するために、エッチング剤またはエッチング方法を使用することができる。主材料のエッチングおよび／または無視できるエッチングが浸出処理および／または選択的エッチングプロセス中に起こり得る。主材料および粗面化材料は、物理的および／または化学的堆積方法のいずれかを使用して同時に堆積させることができる。

【0085】

主材料および粗面化材料の同時堆積は、物理的堆積法を用いる場合、材料の化合物ターゲットおよび／もしくは化合物ターゲット前駆体、または材料のマルチターゲットおよび／もしくはマルチターゲット前駆体を使用することによって行うことができる。化合物および／またはマルチターゲットは、物理的堆積方法に依存し得る。前駆体は、化合物および／またはマルチターゲット中の原子、例えばＰｔ、Ｎｉなどであり得る。適切なターゲットまたは前駆体を選択することにより、化合物材料を基板上に堆積させる、すなわち結合させることができる。例えば、スパッタリング法により化合物材料を堆積させる場合、スパッタリングターゲットを用いてもよい。スパッタリングターゲットは、Ｐｔ、Ｎｉ、もしくはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない単一物質、および／または、ＮｉＰｔ、ＮｉＭｏ、ＮｉＰｔＩｒ、もしくはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない物質の組合せであってもよい。ターゲットまたは化合物ターゲットは、本方法に特有であり得る。例えば、電子ビーム蒸着を使用して基板上に化合物材料を堆積させる場合、化合物やマルチターゲットの代わりに前駆体を用いてもよい。化学的堆積法を用いて化合物材料を基板に塗布するために、混合塩化合物または化合物材料の塩を使用することができる。塩は、ＮｉＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、ＦｅＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏ、ＣｏＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、（ＮＨ_４）_２ＭｏＯ_４、ＺｎＣｌ_２、Ｔ／Ｈ_２ＰｔＣｌ_６、ＣｏＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、Ｔｉ／ＩｒＣｌ_４・Ｈ_２Ｏ、ＺｎＣｌ_２、またはそれらの組合せを含み得るが、これらに限定されない。電気化学堆積を用いて化合物材料を塗布する場合、パルス電流波を使用することができる。パルス波は、ｔ_ｏｎが、少なくとも約５０μｓ（ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ）、約５０μｓ～約５０００μｓ、約１００μｓ～約４５００μｓ、約２００μｓ～約４０００μｓ、約３００μｓ～約３５００μｓ、約４００μｓ～約３０００μｓ、約５００μｓ～約２５００μｓ、約６００μｓ～約２０００μｓ、約７００μｓ～約１５００μｓ、約８００μｓ～約１０００μｓの範囲内、または約５０００μｓであり得る。また、パルス波は、ｔ_ｏｆｆが、少なくとも約１０μｓ、約１０μｓ～約１０００μｓ、約１００μｓ～約９００μｓ、約２００μｓ～約８００μｓ、約３００μｓ～約７００μｓ、約４００μｓ～約６００μｓの範囲内、または約１０００μｓであってもよい。各化合物材料を別々にそして同時に堆積させて目標組成物を達成することができる、すなわち、主材料および担持材料の基板上への同時共堆積を達成することができる。同時堆積により、従来の電極に比べて高い触媒活性を示しつつ、最大１０分の１以下のＰＧＭ族材料を用いて合金および電極を形成することができる。電極の触媒活性は、活性領域の表面に関連する。粗面化材料を浸出処理および／または選択的にエッチングすると、電極内にミクロ多孔質構造および／またはナノ多孔質構造が形成される。浸出処理および／または選択的にエッチングされた粗面化材料は、化合物材料内に細孔を残す。ミクロ多孔質構造および／またはナノ多孔質構造が形成されると、触媒材料の露出表面積および／または活性領域が増大する。表面積が増大すると、電極の製造に必要な触媒材料の量を削減しつつ、電極の触媒活性が高まる。活性領域は、少なくとも約３０％、約３０％～約１５０％、約４０％～約１２５％、約５０％～約１００％、約６０％～約７５％、または約１５０％増大し得る。触媒の表面積は、少なくとも約１０％、約１０％～約７５％、約２０％～約７０％、約３０％～約６０％、約４０％～約５０％、または約７５％増大させることができる。

【0086】

粗面化材料を浸出処理および／または選択的にエッチングすることにより、化合物材料内にミクロ孔および／またはナノ孔を形成することができる。多孔質化合物材料は、電極のミクロ多孔質構造および／またはナノ多孔質構造を形成し得る。細孔径の大きさが浸出した原子および／または選択的にエッチングされた原子を受容するのに十分であるように、ナノ多孔質構造内の細孔径は、浸出した原子および／または選択的にエッチングされた原子の幅程度であり得る。例えば、ＮｉＰｔを含む化合物材料において、Ｎｉ原子がＮｉＰｔ化合物から浸出処理および／または選択的にエッチングされると、ナノ孔を含むナノ多孔質構造が形成される。ナノ孔は、Ｎｉ原子を受容するのに十分な直径を有する。

【0087】

担持材料は、窒素、リン、硫黄、ホウ素、モリブデン、鉄、クロム、コバルト、銅、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されないドープ剤を含むことができる。担持材料は、酸窒化物、窒素および硫黄化合物、窒素およびリン化合物、窒素およびホウ素化合物、窒素およびモリブデン化合物、窒素および鉄化合物、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されないドーピング化合物を含むことができる。ドーピングを微量の不純物として主化合物に導入して、電極の電気的性質または電気化学ポテンシャルを含むがこれらに限定されない表面特性を変化させることができる。ドープ剤は、主材料中に微量、すなわち５％未満で存在し得る。ドープ剤は、主化合物と比較して異なる原子サイズおよび構成を有することができ、それが不純物と呼ばれる所以である。ドーピングは、化合物材料の堆積中または堆積後に行うことができる。ドープされた材料は、ドーピング材料およびその濃度に応じて、１．２３Ｖ～０未満の理論的最小値と比べて低いセル電位を有し得る。セル電位を低下させることにより、セルに印加される電力を低減することができ、それにより、電解槽の全体的な効率が改善される。ドープ剤により、電解槽システムの効率を少なくとも約１０％、約１０％～約８０％、約２０％～約７０％、約３０％～約６０％、約４０％～約５０％、または約８０％改善することができる。

【0088】

ドープ剤を電極に加えることによって、電極表面特性が最小必要電位および／または最大効率を有するように調整することができる。スパッタリングされた化合物材料中の共堆積によって、スパッタリング中に反応性ガスを用いることによって、浸出処理および／もしくは選択的エッチング後の電気化学的および／もしくは熱化学的添加によって、またはそれらの組合せによって、ドープ剤を電極に添加することができる。共堆積法では、ドープ剤を化合物材料の他の成分と共に電極上に同時に堆積することができる。ドープ剤は、化合物材料の１０％未満であり得る。反応性ガス法では、主材料の堆積と同時にドープ剤、例えば窒素を電極内に拡散させるために、アルゴンガスに対する窒素ガスの比は約３０％未満であり得る。電気化学的ドーピングでは、Ｎ、Ｐ、Ｓ、および／またはＢを含み得るがこれらに限定されないドープ剤を電解質溶液中に溶解／分散することができる。電解質溶液に電位を印加することによって、ドープ剤を電極および／または化合物材料に組み込むことができる。電位は、少なくとも約５０ｍＶ、約５０ｍＶ～約１５００ｍＶ、約１００ｍＶ～約１３００ｍＶ、約２００ｍＶ～約１１００ｍＶ、約３００ｍＶ～約９００ｍＶ、約５００ｍＶ～約７００ｍＶ、または約１５００ｍＶであり得る。熱化学的ドーピングでは、化合物材料およびドープ剤は、不活性ガス充填炉内、例えばアルゴン雰囲気下で配置することができる。ドープ剤は、温度を上昇させることによって化合物材料に固定、拡散および／または添加することができる。化合物材料にドープ剤をドープするために、温度を約２５０℃以上、約２５０℃～９００℃、約３００℃～８００℃、約４００℃～７００℃、約５００℃～６００℃、または約９００℃に上げてもよい。すべての方法について、ドープされた電極を、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、酒石酸ナトリウムカリウム四水和物、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない試薬によって処理した後、脱イオン水洗浄、窒素乾燥、オーブン乾燥、またはそれらの組合せにより、ミクロ多孔質構造および／またはナノ多孔質構造を形成することができる。さらに、すべての方法について、ドープ剤は、化合物材料の担持材料に埋め込まれ、ドープされ、および／または添加され得る。

【0089】

物理的エッチング（反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）および誘導結合プラズマエッチングを含むがこれらに限定されない）または化学的／電気化学的エッチングを含むがこれらに限定されない様々なタイプのエッチング法を使用して、粗面化材料に浸出処理を施すことができる。エッチングには、粗面化材料を、それを除去するための物質と接触させることが必要である。一種以上のガスを物理的エッチングにおけるエッチング剤として使用してもよい。試薬を化学的／電気化学的エッチングに使用してもよい。化学的／電気化学的エッチング剤を含む浴に浸漬することによって、電極をエッチングしてもよい。浴組成、作業温度、時間、および印加電流は、エッチングのために選択された材料に応じて変化し得る。

【0090】

化学的／電気化学的エッチングのための浴は、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＨＣｌ、Ｈ_２ＳＯ_４、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない塩基性溶液または酸性溶液を含み得る。浴はまた、緩衝剤、ヒドラジン、スケーリング防止剤、エッチング促進剤、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない添加剤を含んでもよい。緩衝液は、限定するものではないが、ホウ酸、ホウ酸塩、またはそれらの組合せを含むことができ、浴のｐＨを維持するために使用することができる。ヒドラジンを使用して、ｐＨ値が低い浴中での酸化を防止することができる。ポリリン酸塩を含むがこれに限定されないスケーリング防止剤は、エッチング中の電極上の塩の析出を防止することができる。酒石酸ナトリウムカリウム四水和物を含むがこれに限定されないエッチング促進剤は、アルカリ性環境でエッチングを促進することができる。浴は、約２５℃以上、約２５℃～約８５℃、約３０℃～約８０℃、約３５℃～約７５℃、約４０℃～約７０℃、約４５℃～約６５℃、約５０℃～約６０℃、または約８５℃の温度で動作させることができる。浴に電流を印加することができる。電流は、直流、交流、パルス電流、またはそれらの組合せを含むことができる。印加される直流電流は、少なくとも約２５ｍＡ／ｃｍ^２、約２５ｍＡ／ｃｍ^２～約１０００ｍＡ／ｃｍ^２、約５０ｍＡ／ｃｍ^２～約９００ｍＡ／ｃｍ^２、約１００ｍＡ／ｃｍ^２～約８００ｍＡ／ｃｍ^２、約２００ｍＡ／ｃｍ^２～約７００ｍＡ／ｃｍ^２、約３００ｍＡ／ｃｍ^２～約６００ｍＡ／ｃｍ^２、約４００ｍＡ／ｃｍ^２～約５００ｍＡ／ｃｍ^２、または約１０００ｍＡ／ｃｍ^２であり得る。

【0091】

電解槽システムは、少なくとも一つの電極を含み得る。電極は、アノードおよび／またはカソードを含み得る。電極は、性能を改善するために熱処理されてもよい。真空熱処理を電極に施してもよい。真空熱処理は、約３００℃以上、約３００℃～約１０００℃、約４００℃～約９００℃、約５００℃～約８００℃、約６００℃～約７００℃、または約１０００℃の温度で行われ得る。真空熱処理は、少なくとも約３０分間、約３０分間～約４時間、約１時間～約３．５時間、約１．５時間～約３時間、約２時間～約２．５時間、または約４時間行われ得る。熱処理は、電極の温度を上昇させること、電極の温度を維持すること、および電極の温度を低下させることを含み得る。電極温度の上昇および低下は、少なくとも約５℃／分、約５℃／分～約２０℃／分、約１０℃／分～約１５℃／分、または約２０℃／分の速度で行われ得る。

【0092】

電解槽システムの実際のセル電圧は、周囲温度での水分解の理論的最小電圧１２３０ｍＶと比較して、約１００ｍＶ未満であり得る。電極の触媒組成物のミクロ多孔質構造および／またはナノ多孔質構造は、水分解のセル電圧を０ｍＶに低下させることができ、すなわち、電解槽システムは自律的な電解槽になり、印加電圧なしで動作することができる。ＢおよびＮを含むがこれらに限定されないドープ剤を使用することにより、カソード電位をより正の値にシフトさせることができ、アノード電位をより負の値にシフトさせることができる。水素生成反応は、外部電力をなんら必要とせずに自発的に起こり得る。水素還元の電圧は、電解セルのカソード側の低ｐＨ値および電解セルのアノード側の高ｐＨ値のもとでは、ヒドラジンまたは尿素の酸化よりもはるかにプラス側になる。低ｐＨ値は、少なくとも約０、約０～約５．５、約２．５～約５、約２．５～約４．５、約３～約４、または約５．５であり得る。高ｐＨ値は、少なくとも約８、約８～約１４、約９～約１３、約１０～約１２、または約１４であり得る。このとき、水素生成は熱力学的に有利になり、両側の塩の濃度が維持されている限り自発的に起こる。したがって、窒素化合物支援水素電解槽は、自律的に機能してガス状水素を生成することができ、電気を発生させることもできる。約１Ａ・ｃｍ^－２の高い電解セル電流密度は、金属または混合金属－金属酸化物ナノ粒子の電極への組み込みから生じ得る。

【0093】

電解槽システムは、アノードセルおよび／またはカソードセルを含み得る。アノードセルの全体的電位は、約１０ｍＡ・ｃｍ^－２の電流密度で約２５０ｍＶ未満、約２５０ｍＶ～約０ｍＶ、約２２５ｍＶ～約１０ｍＶ、約２００ｍＶ～約５０ｍＶ、約１５０ｍＶ～約１００ｍＶ、または約２５０ｍＶであり得る。カソードセル内の全体的電位は、１０ｍＡ・ｃｍ^－２の電流密度で約１００ｍＶ未満、約０ｍＶ～約１００ｍＶ、約５ｍＶ～約９９ｍＶ、約１０ｍＶ～約９７ｍＶ、約１５ｍＶ～約９５ｍＶ、約２０ｍＶ～約９０ｍＶ、約３０ｍＶ～約８０ｍＶ、約４０ｍＶ～約７０ｍＶ、約５０ｍＶ～約６０ｍＶ、または約１００ｍＶであり得る。

【0094】

カソードおよびアノードは、同じ材料組成物を含んでもよく、すなわち、二元機能電極として機能してもよく、または異なる材料組成物を含んでもよく、例えば、別個の電極として機能してもよい。二元機能電極は別個の電極と比べて高い安定性を有することができるが、これは電極組成に差がなく、ガルバニ電池のカップリングおよびその後の電極の腐食および劣化のリスクが低減または回避されるためである。セル電圧が１００ｍＶ未満のＰｔ電極は、アノードとカソードの両方の性能基準として機能し得る。

【0095】

ミクロ構造化発泡体および／またはナノ構造化発泡体は、金属または混合金属－金属酸化物ナノ粒子を含むミクロ構造化触媒および／またはナノ構造化触媒を含み得る。金属または混合金属－金属酸化物は、マグネトロンスパッタリング、プラズマコーティング、電解被覆、またはそれらの組合せを含むがこれらに限定されない物理的または化学的堆積法を使用して、ミクロ構造化発泡体および／またはナノ構造化発泡体に付着させることができる。金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、またはそれらの組合せを含み得るが、これらに限定されない。金属酸化物は、上記金属から作られた酸化物であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0096】

本発明は、以下の非限定的な実施例によってさらに説明される。

【実施例】

【0097】

実施例１
基板上への化合物材料の堆積は、スパッタ法により行った。洗浄後、基板をスパッタリング室（ＤＣ、ＲＦ、またはマグネトロンなどの様々なモデルの試験で問題がなかった）に入れ、約１０^－６トル（高真空）の試験到達圧力（ｂａｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を達成した。主触媒および粗面化材料を、（ＩｒＯ_ｘ、ＮｉＮ、ＮｉＯ_ｘＮなどの金属酸化物または酸窒化物の堆積のための）アルゴン雰囲気中またはアルゴン／酸素／窒素雰囲気中、約３～９ミリトルの作業圧力において、２５～５００Ｗの範囲内のスパッタリング出力および１～１００標準立方センチメートルの範囲内のガス流量を用いて共堆積させた。
実施例２

【0098】

基板上への化合物材料の堆積は、電気化学堆積法によって行った。いくつかの異なる方法があった。一態様では、電気化学的方法は、パルス電着法を使用することによって、またはコア－シェル構造（粗面化材料がコアで主触媒がシェル）を形成することによって行われた。電気化学的方法に用いた浴の温度は、恒温サーモスタットを用いて維持した。溶液は、ＤＩ水およびＡｎａｌａＲグレードの化学物質を使用して新たに調製した。表１および表２に、電気化学堆積に使用した溶液および塩の例を示す。

【表1】

【表2】

【0099】

実施例３
材料の電着は、ポテンショスタットによる直流およびパルス電流を用いて行った。電流値および時間は、コーティングの厚さおよび形態ならびに目標とする粒径の範囲に依存した。電気めっき時間は、１５分～１時間の範囲内であった。印加電流は、７５ｍＡ／ｃｍ^２～５００ｍＡ／ｃｍ^２の範囲内であった。パルス法には、ｔ_ｏｎ＝５０μｓ～５０００μｓ、ｔ_ｏｆｆ＝１０μｓ～１０００μｓの方形波を用いた。
実施例４

【0100】

基板上に堆積した化合物材料の後処理は、浸出処理およびドーピングによって行った。化合物材料からの粗面化材料の浸出処理により、触媒材料のミクロ構造が形成された。このプロセスは、選択的エッチングによって行われた。選択的エッチングでは、特定の材料のみがエッチングされ、系内の他の材料への影響は無視できた。

【0101】

前述の実施例で使用したものの代わりに、本発明の実施形態の一般的または具体的に記載された構成要素および／または動作条件を用いて前述の実施例を繰り返すことができ、同様の成功を収めることができる。

【0102】

本明細書および特許請求の範囲において、「約」または「およそ」は、与えられた量または値の２０パーセント（２０％）以内を意味することに留意されたい。

【0103】

本発明の実施形態は、互いに独立して本明細書に開示される特徴のあらゆる組合せを含むことができる。本発明は、開示された実施形態を特に参照して詳細に説明されているが、他の実施形態も同じ結果を達成することができる。本発明の変形および修正は当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲においてそのような修正および均等物をすべて網羅することが意図されている。上記で引用された全ての参考文献、出願、特許および刊行物の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。上記で「必須」であると具体的に述べられていない限り、様々な構成要素またはそれらの相互関係のいずれも本発明の動作に必須ではない。むしろ、様々な構成要素を置換すること、および／または、それらの関係を互いに再構成することによって、望ましい結果を達成することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【国際調査報告】