RU2799965C2 - Use of sulfide compositions - Google Patents

Use of sulfide compositions Download PDF

Info

Publication number
RU2799965C2
RU2799965C2 RU2021124182A RU2021124182A RU2799965C2 RU 2799965 C2 RU2799965 C2 RU 2799965C2 RU 2021124182 A RU2021124182 A RU 2021124182A RU 2021124182 A RU2021124182 A RU 2021124182A RU 2799965 C2 RU2799965 C2 RU 2799965C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hours
range
comparative example
electrode
composition
Prior art date
Application number
RU2021124182A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021124182A (en
Inventor
Ларс ХЕНСГЕН
Ульф-Петер АПФЕЛЬ
Матиас СМИАЛЬКОВСКИ
Original Assignee
Триботекк Гмбх
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Триботекк Гмбх filed Critical Триботекк Гмбх
Publication of RU2021124182A publication Critical patent/RU2021124182A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2799965C2 publication Critical patent/RU2799965C2/en

Links

Abstract

FIELD: chemical industry.
SUBSTANCE: present invention relates to the use of a composition of formula I
where M denotes one or more elements characterized in the ionic state by an effective ionic radius in the range of 70-92 pm, and is a number in the range of 2.5≤a≤3.5, b is a number in the range 1.5≤b≤ 5.0, s is a number in the range 0.0≤c≤2.0, d is a number in the range 0.0≤d≤4.0 where the sum of a, b and c is in the range 5≤a+b+c≤8 and where ≥90 wt.% of the composition is in the pentlandite phase, for electrocatalytic water splitting. The invention also relates to an electrode.
EFFECT: use of the invention allows the use of a higher current density, and the composition also has better resistance to sulphur compounds and better start-stop properties compared to materials of the prior art.
9 cl, 25 dwg, 3 tbl, 14 ex

Description

Настоящее изобретение относится к применению сульфидной композиции для электрокаталитического расщепления воды.The present invention relates to the use of a sulfide composition for electrocatalytic water splitting.

Предшествующий уровень техники изобретенияBackground of the Invention

Водород в основном получают из природного газа путем паровой конверсии метана. Другими ископаемыми источниками являются другие углеводороды и уголь (см., например, John A. Turner, Sustainable Hydrogen Production, Science 2004, Vol 305, 972-974). Экологичными исходными материалами для получения водорода являются биомасса или вода. С водой в качестве исходного материала осуществляют различные производственные процессы, например, электролиз, термолиз и фотоэлектролиз. Существует два разных типа электролизеров при умеренной температуре: электролизеры со щелочной и протонообменной мембраной (РЕМ (от англ. - proton exchange membrane)) (см., например, Jamie D. Holladay, An overview of hydrogen production technologies, Catalysis Today 2009, 139, 244 - 260).Hydrogen is mainly produced from natural gas by steam reforming of methane. Other fossil sources are other hydrocarbons and coal (see, for example, John A. Turner, Sustainable Hydrogen Production, Science 2004, Vol 305, 972-974). Ecological source materials for hydrogen production are biomass or water. With water as the starting material, various production processes are carried out, such as electrolysis, thermolysis, and photoelectrolysis. There are two different types of moderate temperature electrolyzers: alkaline and proton exchange membrane (PEM) electrolyzers (see, for example, Jamie D. Holladay, An overview of hydrogen production technologies, Catalysis Today 2009, 139, 244 - 260).

В коммерческих электролизерах РЕМ платину используются в качестве электрокатализатора для реакции выделения водорода (HER (от англ. - hydrogen evolution reaction)) (см., например, Peter С.K. Vesborg, Recent Development in Hydrogen Evolution Reaction Catalysts and Their Practical Implementation, The Journal of Physical Chemistry Letters 2015, 6, 951-957).In commercial PEM electrolyzers, platinum is used as an electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction (HER) (see, for example, Peter C.K. Vesborg, Recent Development in Hydrogen Evolution Reaction Catalysts and Their Practical Implementation, The Journal of Physical Chemistry Letters 2015, 6, 951-957).

Например, в европейском патентном документе ЕР3222752 А1 раскрыт способ образования водорода и кислорода из воды, включающий в себя обеспечение сборки мембранного электрода, содержащей анодный катализатор электролизера, способный катализировать реакцию выделения кислорода при потенциалах, превышающих +1,23 В относительно обратимого водородного электрода, при этом анодный катализатор электролизера содержит наноструктурированные нитевидные кристаллы, имеющие на себе несколько чередующихся слоев, содержащих соответственно в любом порядке Pt и Ir, сборка мембранного электрода, кроме того, содержит катод; обеспечение контакта воды с анодным катализатором электролизера и обеспечение электрического потенциала с достаточным током через сборку мембранного электрода для конверсии по меньшей мере части воды в водород и кислород на катоде и аноде, соответственно.For example, European patent document EP3222752 A1 discloses a method for generating hydrogen and oxygen from water, which includes providing a membrane electrode assembly containing an anode electrolyzer catalyst capable of catalyzing an oxygen evolution reaction at potentials exceeding +1.23 V relative to a reversible hydrogen electrode, while the anode electrolyzer catalyst contains nanostructured whiskers having several alternating layers containing Pt and Ir, respectively, in any order, membrane assembly leg electrode, in addition, contains a cathode; contacting the water with the anode catalyst of the cell; and providing an electrical potential with sufficient current through the membrane electrode assembly to convert at least a portion of the water to hydrogen and oxygen at the cathode and anode, respectively.

Уже были предприняты попытки обеспечения для HER не содержащих платину электрокатализаторов. В частности, сульфиды металлов, карбиды металлов, селениды металлов, нитриды металлов и фосфиды металлов демонстрируют представляющие интерес свойства для этой реакции (см., например, Xiaoxin Zou, Noble metal-free hydrogen evolution catalysts for water splitting, Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5148-5180).Efforts have already been made to provide platinum-free electrocatalysts for HER. In particular, metal sulfides, metal carbides, metal selenides, metal nitrides, and metal phosphides exhibit properties of interest for this reaction (see, for example, Xiaoxin Zou, Noble metal-free hydrogen evolution catalysts for water splitting, Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5148-5180).

В публикации международной заявки WO 2017/062736 А1 раскрыты материалы на основе структурированного дисульфида молибдена для электрокаталитических применений.International application WO 2017/062736 A1 discloses materials based on structured molybdenum disulfide for electrocatalytic applications.

В публикации международной заявки WO2018/098451 А1 раскрыты катализаторы, включающие в себя пленки халькогенидов переходных металлов, для реакции выделения водорода.WO2018/098451 A1 discloses catalysts comprising transition metal chalcogenide films for a hydrogen evolution reaction.

В патентном документе США US2015/0259810 А1 заявлено устройство, содержащее катализатор реакции выделения водорода. Катализатор включает в себя по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, состоящей из фосфидов переходных металлов, сульфидов переходных металлов первого ряда и арсенидов переходных металлов в виде наночастиц и, в частности, СоР.US Patent Document US2015/0259810 A1 claims a device containing a hydrogen evolution reaction catalyst. The catalyst includes at least one component selected from the group consisting of transition metal phosphides, first row transition metal sulfides and transition metal arsenides in the form of nanoparticles and, in particular, CoP.

В патентном документе Китая CN105132941 А заявлен композитный материал для электрокатализа выделения водорода на основе диселенида молибдена/углеродной сажи и способ его получения.Chinese Patent Document CN105132941 A claims a molybdenum diselenide/carbon black composite material for hydrogen evolution electrocatalysis and a method for producing the same.

В публикации международной заявки WO2015/021019 А1 заявлен катализатор для обеспечения реакции выделения водорода, при этом катализатор включает в себя нитрид металла, характеризующийся формулой M'xM''yNz, где М' выбран из группы, состоящей из Ag, Al, Са, Со, Cr, Cu, Fe, Ga, In, Li, Mg, Mn, Na, Ni, Sc, Ti, V, Y, Zn и их смесей; где М'' выбран из группы, состоящей из Hf, Mo, Nb, Re, Ru, Та, W, Zr и их смесей; где х представляет собой число от 0 до 1; где у представляет собой число от 1 до 2; где z представляет собой число более 1,8 и менее 2,2; и где нитрид металла содержит гексагональную решетку с четырехслойной последовательностью упаковки, которая включает в себя две формульных единицы смешанной плотноупакованной структуры с чередующимися слоями металлов М'' в тригональной призматической координации, а также металлов М' или М' и М'' в октаэдрической координации.WO2015/021019 A1 claims a catalyst for providing a hydrogen evolution reaction, the catalyst comprising a metal nitride having the formula M' x M'' y N z , where M' is selected from the group consisting of Ag, Al, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, In, Li, Mg, Mn, Na, Ni, Sc, Ti, V, Y, Zn, and mixtures thereof; where M'' is selected from the group consisting of Hf, Mo, Nb, Re, Ru, Ta, W, Zr and mixtures thereof; where x is a number from 0 to 1; where y is a number from 1 to 2; where z is a number greater than 1.8 and less than 2.2; and where the metal nitride contains a hexagonal lattice with a four-layer packing sequence, which includes two formula units of a mixed close-packed structure with alternating layers of metals M'' in trigonal prismatic coordination, and metals M' or M' and M'' in octahedral coordination.

В европейском патентном документе ЕР2377971 А1 раскрыты электрокатализаторы для восстановления протонов с образованием Н2, состоящие из аморфных пленок сульфидов переходных металлов или твердых веществ, обладающих активностью при всех значениях рН. Кроме того, упоминаются MoS2 и WS2 в качестве возможных сульфидов переходных металлов.European patent document EP2377971 A1 discloses electrocatalysts for the reduction of protons with the formation of H 2 consisting of amorphous films of transition metal sulfides or solids with activity at all pH values. In addition, MoS 2 and WS 2 are mentioned as possible transition metal sulfides.

Железо-никелевый пентландит оказался представляющим интерес составом для HER (см. Konkena et al., "Pentlandite rocks as sustainable and stable efficient electrocatalysts for hydrogen generation", Nature Communication 2016, 7, Article number 12269).Iron-nickel pentlandite has proven to be an interesting composition for HER (see Konkena et al., "Pentlandite rocks as sustainable and stable efficient electrocatalysts for hydrogen generation", Nature Communication 2016, 7, Article number 12269).

У Klein et al. ((таблица A2) "Chemical composition of Pentlandite of ODP holes 209-1268A, 209-1270D, 209-1271 В and 209-1274A"; 2010), Schrocke et al. ("Mineralogie: Ein Lehrbuch Auf Systematischer Grundlage", page 137, 1981), в Mineral Data Publishing ("Pentlandite", 2001) и у Rajamani et al. ("Crystal Chemistry of Natural Pentlandites", Canadian Mineralogist, Vol. 12, page 178-187, 1973) раскрыты встречающиеся в природе пентландиты.Klein et al. ((Table A2) "Chemical composition of Pentlandite of ODP holes 209-1268A, 209-1270D, 209-1271 B and 209-1274A"; 2010), Schrocke et al. ("Mineralogie: Ein Lehrbuch Auf Systematischer Grundlage", page 137, 1981), in Mineral Data Publishing ("Pentlandite", 2001) and in Rajamani et al. ("Crystal Chemistry of Natural Pentlandites", Canadian Mineralogist, Vol. 12, page 178-187, 1973) discloses naturally occurring pentlandites.

У Knop et al. ("Chalcogenides of the Transition Elements", Can. J. Chem., Vol. 39, 1961) раскрыты синтетически полученные FeCoNiS-пентландиты.Knop et al. ("Chalcogenides of the Transition Elements", Can. J. Chem., Vol. 39, 1961) synthetically prepared FeCoNiS pentlandites are disclosed.

Цель и краткое раскрытие изобретенияPurpose and summary of the invention

Композиции для электрокаталитического расщепления воды, раскрытые в известном уровне техники, не удовлетворяют всем требованиям каталитических характеристик, устойчивости к соединениям серы, стабильности каталитической активности и/или стартстопных свойств. Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить новое применение композиции для HER, характеризующейся более высокой плотностью тока, лучшей устойчивостью к соединениям серы и лучшими стартстопными свойствами по сравнению с материалами известного уровня техники.The compositions for electrocatalytic water splitting disclosed in the prior art do not meet all the requirements for catalytic performance, resistance to sulfur compounds, stability of catalytic activity and/or start-stop properties. Thus, the aim of the present invention is to provide a novel application for an HER composition having higher current density, better resistance to sulfur compounds, and better start-stop properties compared to prior art materials.

Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к применению композиции формулыAccording to one aspect, the present invention relates to the use of a composition of the formula

гдеWhere

М обозначает один или несколько элементов, характеризующихся в ионном состоянии эффективным ионным радиусом в диапазоне 70-92 пм,M denotes one or more elements characterized in the ionic state by an effective ionic radius in the range of 70-92 pm,

а представляет собой число в диапазоне 2,5≤а≤3,5, более предпочтительно 2,7≤а≤3,3,a is a number in the range 2.5≤a≤3.5, more preferably 2.7≤a≤3.3,

b представляет собой число в диапазоне 1,5≤b≤5,0, более предпочтительно 1,5≤b≤4,0, наиболее предпочтительно 2,5≤b≤3,5,b is a number in the range 1.5≤b≤5.0, more preferably 1.5≤b≤4.0, most preferably 2.5≤b≤3.5,

с представляет собой число в диапазоне 0,0≤с≤2,0, более предпочтительно 0,0≤с≤1,0,c is a number in the range 0.0≤c≤2.0, more preferably 0.0≤c≤1.0,

d представляет собой число в диапазоне 0,0≤d≤4,0, более предпочтительно 0,0≤d≤1,0,d is a number in the range 0.0≤d≤4.0, more preferably 0.0≤d≤1.0,

где сумма a, b и с находится в диапазоне 5≤а+b+с≤8,where the sum of a, b and c is in the range 5≤a+b+c≤8,

и где ≥90 масс. % композиции находится в пентландитовой фазе, для электрокаталитического расщепления воды, предпочтительно для реакции выделения водорода.and where ≥90 wt. % of the composition is in the pentlandite phase, for electrocatalytic splitting of water, preferably for the hydrogen evolution reaction.

Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials

На фиг. 1 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, полученные в диапазоне сканирования от 0 до -0,65 V по сравнению с RHE (от англ. - reversible hydrogen electrode - обратимый водородный электрод) в 0,5 М серной кислоте при комнатной температуре.In FIG. 1 shows linear potential sweep voltammetry charts obtained in the scan range from 0 to -0.65 V compared to RHE (from the English - reversible hydrogen electrode - reversible hydrogen electrode) in 0.5 M sulfuric acid at room temperature.

На фиг. 2 показаны результаты измерений кулонометрии с управляемым потенциалом при -0,5 В по сравнению с RHE при 20°С и 60°С для электродов на основе Pt (сравнительный пример 6) и Fe3Co3Ni3S8 (пример 1) в течение 20 часов.In FIG. 2 shows the results of voltage controlled coulometry measurements at -0.5 V compared to RHE at 20° C. and 60° C. for electrodes based on Pt (comparative example 6) and Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 (example 1) for 20 hours.

На фиг. 3 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой при 20°С (А) и 60°С (В) до и после 20-часового электролиза для платины (сравнительный пример 6) и Fe3Co3Ni3S8 (пример 1).In FIG. 3 shows linear potential sweep voltammetry charts performed at 20°C (A) and 60°C (B) before and after a 20 hour electrolysis for platinum (comparative example 6) and Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 (example 1).

На фиг. 4 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в стартстопном режиме, измеряемая при 60°С и -304 мВ по сравнению с RHE на протяжении 72 часов для Fe3Co3Ni3S8 (пример 1) и платины (сравнительный пример 6).In FIG. 4 shows start-stop potential controlled coulometry measured at 60° C. and -304 mV compared to RHE over 72 hours for Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 (example 1) and platinum (comparative example 6).

На фиг. 5 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S, измеряемая при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 20 часов.In FIG. 5 shows controlled potential coulometry with and without H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE over 20 hours.

На фиг. 6 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 6 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after 20 hours of electrolysis.

На фиг. 7 показана порошковая рентгенограмма (паттерны дифракции, (излучение Cu-Kα)) композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением и сравнительными примерами.In FIG. 7 shows X-ray powder diffraction (diffraction patterns, (Cu-Kα radiation)) compositions used in accordance with the present invention and comparative examples.

На фиг. 8 показано поперечное сечение электрохимической ячейки, используемой для испытаний, проводимых с композициями, используемыми в соответствии с настоящим изобретением и сравнительными примерами.In FIG. 8 shows a cross section of an electrochemical cell used for tests carried out with compositions used in accordance with the present invention and comparative examples.

На фиг. 9 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в стартстопном режиме, измеряемая при 60°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 72 часов.In FIG. 9 shows start-stop controlled potential coulometry measured at 60° C. and -350 mV compared to RHE over 72 hours.

На фиг. 10 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S, измеряемая при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 20 часов.In FIG. 10 shows controlled potential coulometry with and without H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE over 20 hours.

На фиг. 11 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 11 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after a 20 hour electrolysis.

На фиг. 12 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S, измеряемая при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 20 часов.In FIG. 12 shows controlled potential coulometry with and without H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE over 20 hours.

На фиг. 13 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 13 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after a 20 hour electrolysis.

На фиг. 14 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S, измеряемая при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 20 часов.In FIG. 14 shows controlled potential coulometry with and without H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE over 20 hours.

На фиг. 15 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 15 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after 20 hours of electrolysis.

На фиг. 16 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 16 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after 20 hours of electrolysis.

На фиг. 17 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в стартстопном режиме, измеряемая при 60°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 72 часов.In FIG. 17 shows start-stop controlled potential coulometry measured at 60°C and -350 mV compared to RHE over 72 hours.

На фиг. 18 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S, измеряемая при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 20 часов.In FIG. 18 shows controlled potential coulometry with and without H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE over 20 hours.

На фиг. 19 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 19 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after 20 hours of electrolysis.

На фиг. 20 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S, измеряемая при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 20 часов.In FIG. 20 shows controlled potential coulometry with and without H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE over 20 hours.

На фиг. 21 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 21 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after 20 hours of electrolysis.

На фиг. 22 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S, измеряемая при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 20 часов.In FIG. 22 shows controlled potential coulometry with and without H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE over 20 hours.

На фиг. 23 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 23 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after 20 hours of electrolysis.

На фиг. 24 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 24 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after 20 hours of electrolysis.

На фиг. 25 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.In FIG. 25 shows linear sweep voltammetry plots performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after 20 hours of electrolysis.

Подробное раскрытие изобретенияDetailed disclosure of the invention

Неожиданно обнаружили, что благодаря введению Со в Fe,Ni-пентландит композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют более низкое перенапряжение для HER по сравнению с известным из уровня техники пентландитом или другими не содержащими металлы платиновой группы (МПГ) материалами. Также выяснили, что в композицию могут быть добавлены дополнительные металлы, имеющие эффективный ионный радиус, сравнимый с радиусами Fe2+, Ni2+ или Со2+. Кроме того, неожиданно обнаружили, что, хотя Se2- имеет другой ионный радиус по сравнению с S2- (198 пм против 184 пм), можно заменить до 50% S на Se без потери целостности молекулярной структуры пентландитовой фазы, электрокаталитической активности или стабильности.Surprisingly, due to the incorporation of Co into the Fe,Ni-pentlandite, the compositions used in accordance with the present invention show a lower overvoltage for HER compared to prior art pentlandite or other non-platinum group metal (PGM) materials. It has also been found that additional metals having an effective ionic radius comparable to those of Fe 2+ , Ni 2+ or Co 2+ can be added to the composition. In addition, it was unexpectedly found that although Se 2- has a different ionic radius compared to S 2- (198 pm vs 184 pm), it is possible to replace up to 50% of S with Se without losing the integrity of the pentlandite phase molecular structure, electrocatalytic activity or stability.

Эффективный ионный радиус ионов металлов может быть определен согласно способу, раскрытому в Hollemann, Wieberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Verlag: De Gruyter; 102th edition (2007).The effective ionic radius of metal ions can be determined according to the method disclosed in Hollemann, Wieberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Verlag: De Gruyter; 102th edition (2007).

Композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют более высокие плотности тока, чем материалы на основе платины, после нескольких часов электролиза и не теряют значительной активности в ходе получения водорода. Кроме того, электроды, полученные из композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением, имеют существенно улучшенные стартстопные характеристики по сравнению с платиновыми электродами. Наконец, композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, устойчивы к отравлению серой.The compositions used in accordance with the present invention show higher current densities than platinum-based materials after several hours of electrolysis and do not lose significant activity during hydrogen production. In addition, the electrodes obtained from the compositions used in accordance with the present invention have significantly improved start-stop characteristics compared to platinum electrodes. Finally, the compositions used in accordance with the present invention are resistant to sulfur poisoning.

Кристаллическая фаза немодифицированного пентландита раскрывается, например, в A. Pearson, М. Buerger, Am. Mineral. 1956, 41, 804-805. В композиции, используемой в соответствии с настоящим изобретением, ≥90 масс. % композиции находится в пентландитовой фазе.The crystalline phase of unmodified pentlandite is disclosed, for example, in A. Pearson, M. Buerger, Am. mineral. 1956, 41, 804-805. In the composition used in accordance with the present invention, ≥90 wt. % of the composition is in the pentlandite phase.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения М не присутствует в композиции формулы I.According to one embodiment of the present invention, M is not present in the formula I composition.

Согласно данному варианту осуществления композиция может быть выбрана из группы, состоящей из Fe3Ni3Co3S8, Fe1Co5Ni3S8, Fe2Co4Ni3S8, Fe4Co2Ni3S8, Fe3Ni3Co3S4Se4, Fe3Ni3Co3S7Se и их смесей.According to this embodiment, the composition may be selected from the group consisting of Fe 3 Ni 3 Co 3 S 8 , Fe 1 Co 5 Ni 3 S 8 , Fe 2 Co 4 Ni 3 S 8 , Fe 4 Co 2 Ni 3 S 8 , Fe 3 Ni 3 Co 3 S 4 Se 4 , Fe 3 Ni 3 Co 3 S 7 Se and mixtures thereof.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения М присутствует в композиции формулы I.According to another embodiment of the present invention, M is present in the composition of formula I.

М предпочтительно характеризуется эффективным ионным радиусом, сравнимым с таковым у Fe2+, Ni2+ или Со2+.M preferably has an effective ionic radius comparable to that of Fe 2+ , Ni 2+ or Co 2+ .

В частности, М может быть выбран из группы, состоящей из Nb, Cu, Mn или Cr и их смесей, более предпочтительно из Mn, Cr и их смесей, наиболее предпочтительно из Cr.In particular, M may be selected from the group consisting of Nb, Cu, Mn or Cr and mixtures thereof, more preferably Mn, Cr and mixtures thereof, most preferably Cr.

В частности, композиция может быть выбрана из группы, состоящей из CrFe2,5Co2,5Ni3S8, MnFe2,5Co2,5Ni3S8, Mn0,25Fe2,875Со2,875Ni3S8,In particular, the composition may be selected from the group consisting of CrFe 2.5 Co 2.5 Ni 3 S 8 , MnFe 2.5 Co 2.5 Ni 3 S 8 , Mn 0.25 Fe 2.875 Co 2.875 Ni 3 S 8 ,

NbFe2,5Co2,5Ni3S8 и их смесей.NbFe 2 , 5 Co 2.5 Ni 3 S 8 and mixtures thereof.

Композиция, используемая в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно характеризуется показателем перенапряжения для реакции выделения водорода (HER) 328 мВ и меньше, предпочтительно 300 мВ и меньше, при плотности тока -10 мА/см2, в частности, в соответствии с условиями испытания, подробно изложенными ниже.The composition used in accordance with the present invention preferably has a hydrogen evolution reaction (HER) surge of 328 mV or less, preferably 300 mV or less, at a current density of -10 mA/cm 2 , in particular in accordance with the test conditions detailed below.

Согласно следующему аспекту представлен электрод, содержащий композицию, используемую в соответствии с настоящим изобретением.According to a further aspect, there is provided an electrode containing a composition used in accordance with the present invention.

Электрод в соответствии с настоящим изобретением характеризуется показателем перенапряжения для реакции выделения водорода (HER) 328 мВ и меньше, предпочтительно 300 мВ и меньше, при плотности тока -10 мА/см2, в частности, в соответствии с условиями испытания, подробно изложенными ниже.The electrode according to the present invention is characterized by a hydrogen evolution reaction (HER) surge of 328 mV or less, preferably 300 mV or less, at a current density of -10 mA/cm 2 , in particular according to the test conditions detailed below.

Согласно следующему аспекту настоящее изобретение относится к различным процессам получения композиции, используемой в соответствии с настоящим изобретением. Первый процесс (далее - процесс №1) характеризуется тем, что композиции синтезируют термическим синтезом при отсутствии кислорода в вакууме. Второй процесс (процесс №2) характеризуется тем, что композиции синтезируют термическим синтезом при отсутствии кислорода в инертном газе. Для не содержащих селена композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением, подходят два дополнительных процесса. В одном из этих процессов в атмосфере инертного газа композиции синтезируют с помощью способа совместного осаждения и стадии дополнительной обработки (процесс №3). Другой процесс (процесс №4) характеризуется тем, что композиции синтезируют с помощью способа золь-гель и стадии дополнительной обработки.According to the following aspect, the present invention relates to various processes for obtaining a composition used in accordance with the present invention. The first process (hereinafter - process No. 1) is characterized by the fact that the compositions are synthesized by thermal synthesis in the absence of oxygen in a vacuum. The second process (process No. 2) is characterized by the fact that the compositions are synthesized by thermal synthesis in the absence of oxygen in an inert gas. For selenium-free compositions used in accordance with the present invention, two additional processes are suitable. In one of these inert gas processes, compositions are synthesized using a co-precipitation process and a post-treatment step (Process #3). Another process (Process No. 4) is characterized in that the compositions are synthesized using a sol-gel method and an additional processing step.

Термический синтез при отсутствии кислорода для получения композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой способ, аналогичный пути термического синтеза, раскрытого в Piontek et al. ACS Catalysis 2018, 8, 987-996.Thermal synthesis in the absence of oxygen to obtain compositions used in accordance with the present invention is a method similar to the thermal synthesis route disclosed in Piontek et al. ACS Catalysis 2018, 8, 987-996.

Более конкретно, термический синтез при отсутствии кислорода в вакууме (процесс №1) включает в себя следующие стадии:More specifically, thermal synthesis in the absence of oxygen in a vacuum (process #1) includes the following steps:

а) получения гомогенной смеси порошка Fe, порошка Ni, порошка Со, порошка S и необязательно порошка Se и/или порошка М путем смешивания или измельчения; при этом средний размер частиц конечной смеси предпочтительно ниже 100 мкм;a) obtaining a homogeneous mixture of Fe powder, Ni powder, Co powder, S powder and optionally Se powder and/or M powder by mixing or grinding; while the average particle size of the final mixture is preferably below 100 microns;

b) переноса смеси, полученной на стадии а), в закрытый сосуд и откачивания воздуха до состояния вакуума в диапазоне от 30 мбар до 10-15 мбар, предпочтительно от 1 мбар до 10-7 мбар;b) transferring the mixture obtained in step a) into a closed vessel and evacuating the air to a vacuum in the range from 30 mbar to 10 -15 mbar, preferably from 1 mbar to 10 -7 mbar;

c) нагревания закрытого сосуда при скорости 0,1-20 K минута-1 в диапазоне температур 600-1100°С и охлаждения в течение 1-120 часов, предпочтительно 700-1100°С, в течение 1-10 часов при скорости 2-5 K минут-1, более предпочтительно с двумя температурами охлаждения - первой температурой 600-800°С в течении 3-10 часов и второй температурой 900-1100°С в течение 10-20 часов - при скорости 2-5 K минута-1, наиболее предпочтительно с двумя температурами охлаждения - первой температурой 700°С в течение 3 часов и второй температурой 1000°С в течение 10 часов.c) heating the closed vessel at a rate of 0.1-20 K min -1 in the temperature range of 600-1100°C and cooling for 1-120 hours, preferably 700-1100°C for 1-10 hours at a rate of 2-5 K min -1 , more preferably with two cooling temperatures - the first temperature of 600-800°C for 3-10 hours and the second temperature of 900-1100° C for 10-20 hours - at a rate of 2-5 K min -1 , most preferably with two cooling temperatures - the first temperature of 700°C for 3 hours and the second temperature of 1000°C for 10 hours.

Более конкретно, термический синтез при отсутствии кислорода в инертном газе (процесс №2) включает в себя следующие стадии:More specifically, thermal synthesis in the absence of oxygen in an inert gas (process #2) includes the following steps:

a) получения гомогенной смеси порошка Fe, порошка Ni, порошка Со, порошка S и необязательно порошка Se и/или порошка М путем смешивания или измельчения; при этом средний размер частиц конечной смеси предпочтительно ниже 100 мкм;a) obtaining a homogeneous mixture of Fe powder, Ni powder, Co powder, S powder and optionally Se powder and/or M powder by mixing or grinding; while the average particle size of the final mixture is preferably below 100 microns;

b) переноса смеси, полученной на стадии а), в закрытый сосуд и замены воздуха инертным газом; при этом инертный газ может представлять собой азот, диоксид углерода, неон, аргон, криптон, ксенон или их смесь, предпочтительно азот, диоксид углерода и аргон, более предпочтительно азот и аргон, наиболее предпочтительно азот;b) transferring the mixture obtained in step a) into a closed vessel and replacing the air with an inert gas; wherein the inert gas may be nitrogen, carbon dioxide, neon, argon, krypton, xenon or a mixture thereof, preferably nitrogen, carbon dioxide and argon, more preferably nitrogen and argon, most preferably nitrogen;

c) нагревания закрытого сосуда при скорости 0,1-20 K минута-1 в диапазоне температур 600-1100°С и охлаждения в течение 1-120 часов, предпочтительно 700-1100°С, в течение 1-10 часов при скорости 2-5 K минут-1, более предпочтительно с двумя температурами охлаждения - первой температурой 600-800°С в течении 3-10 часов и второй температурой 900-1100°С в течение 10-20 часов - при скорости 2-5 K минута-1, наиболее предпочтительно с двумя температурами охлаждения - первой температурой 700°С в течение 3 часов и второй температурой 1000°С в течение 10 часов.c) heating the closed vessel at a rate of 0.1-20 K min -1 in the temperature range of 600-1100°C and cooling for 1-120 hours, preferably 700-1100°C for 1-10 hours at a rate of 2-5 K min -1 , more preferably with two cooling temperatures - the first temperature of 600-800°C for 3-10 hours and the second temperature of 900-1100° C for 10-20 hours - at a rate of 2-5 K min -1 , most preferably with two cooling temperatures - the first temperature of 700°C for 3 hours and the second temperature of 1000°C for 10 hours.

Более конкретно, способ совместного осаждения со стадией дополнительной обработки (процесс №3) включает в себя следующие стадии:More specifically, the co-deposition method with post-treatment step (Process No. 3) includes the following steps:

а) получения раствора соли железа, соли никеля, соли кобальта и необязательно одной или нескольких солей М, определяемого в соединении формулы I, и необязательно неорганической кислоты в воде;a) obtaining a solution of an iron salt, a nickel salt, a cobalt salt and optionally one or more salts of M defined in a compound of formula I and optionally an inorganic acid in water;

b) добавления одного или нескольких источников сульфида в воде, необязательно с неорганическим основанием, на протяжении от 1 до 120 минут, предпочтительно от 10 до 60 минут;b) adding one or more sources of sulfide in water, optionally with an inorganic base, over 1 to 120 minutes, preferably 10 to 60 minutes;

c) фильтрации и промывания осадка водой;c) filtering and washing the precipitate with water;

d) сушки в диапазоне температур 60-120°С в течение 1-120 часов, предпочтительно 80-100°С, в течение 3-15 часов, или необязательно сушки замораживанием;d) drying in the temperature range 60-120°C for 1-120 hours, preferably 80-100°C for 3-15 hours, or optional freeze-drying;

e) нагревания осадка в диапазоне температур 200-500°С при скорости 0,1-20 K минута-1 в течение 1-120 часов, предпочтительно 250-400°С, в течение 2-10 часов при скорости 2-5 K минута-1, в атмосфере водорода и сероводорода;e) heating the precipitate in the temperature range of 200-500°C at a rate of 0.1-20 K minute -1 for 1-120 hours, preferably 250-400°C, for 2-10 hours at a rate of 2-5 K minute -1 , in an atmosphere of hydrogen and hydrogen sulfide;

f) и необязательно нагревания образца в течение 0,5-20 часов, предпочтительно 2-5 часов, в атмосфере водорода, необязательно разбавленного инертным газом, например, N2 или Ar.f) and optionally heating the sample for 0.5-20 hours, preferably 2-5 hours, in an atmosphere of hydrogen, optionally diluted with an inert gas such as N 2 or Ar.

В данном процессе подходящая соль железа, никеля, кобальта и М включает в себя, например, нитраты, оксиды, гидроксиды, карбонаты, сульфаты, ацетаты, галогениды и их смеси, предпочтительно нитраты, сульфаты, ацетаты и их смеси, наиболее предпочтительно нитраты.In this process, a suitable salt of iron, nickel, cobalt and M includes, for example, nitrates, oxides, hydroxides, carbonates, sulfates, acetates, halides and mixtures thereof, preferably nitrates, sulfates, acetates and mixtures thereof, most preferably nitrates.

В данном процессе неорганическая кислота на стадии а) включает в себя соответствующие неорганические кислоты, например, азотную кислоту, серную кислоту, хлористоводородную кислоту и их смеси, предпочтительно азотную кислоту, серную кислоту и их смеси, наиболее предпочтительно азотную кислоту.In this process, the inorganic acid in step a) includes the corresponding inorganic acids, for example nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid and mixtures thereof, preferably nitric acid, sulfuric acid and mixtures thereof, most preferably nitric acid.

В данном процессе подходящий источник сульфида включает в себя соли сульфида, например, сульфид натрия, гидросульфид натрия, сульфид аммония, гидросульфид аммония, сульфид калия, гидросульфид калия и сероводород, предпочтительно сульфид натрия, сероводород и сульфид аммония, более предпочтительно сульфид натрия и сульфид аммония, наиболее предпочтительно сульфид натрия.In this process, a suitable sulfide source includes sulfide salts such as sodium sulfide, sodium hydrosulfide, ammonium sulfide, ammonium hydrosulfide, potassium sulfide, potassium hydrosulfide and hydrogen sulfide, preferably sodium sulfide, hydrogen sulfide and ammonium sulfide, more preferably sodium sulfide and ammonium sulfide, most preferably sodium sulfide.

В данном процессе неорганическое основание на стадии b) включает в себя подходящее неорганическое основание, например, гидроксид натрия, оксид натрия, аммиак, оксид калия, гидроксид калия, предпочтительно гидроксид натрия, оксид натрия и аммиак, более предпочтительно гидроксид натрия и аммиак, наиболее предпочтительно гидроксид натрия.In this process, the inorganic base in step b) includes a suitable inorganic base such as sodium hydroxide, sodium oxide, ammonia, potassium oxide, potassium hydroxide, preferably sodium hydroxide, sodium oxide and ammonia, more preferably sodium hydroxide and ammonia, most preferably sodium hydroxide.

Смесь водорода и сероводорода может характеризоваться отношением от 95:5 до 0:100, предпочтительно от 90:10 до 50:50, более предпочтительно от 90:10 до 80:20, например, 85:15. Такая смесь может быть разбавлена инертным газом, например, аргоном, азотом.The mixture of hydrogen and hydrogen sulfide may have a ratio of 95:5 to 0:100, preferably 90:10 to 50:50, more preferably 90:10 to 80:20, eg 85:15. Such a mixture can be diluted with an inert gas such as argon, nitrogen.

Способ золь-гель со стадией дополнительной обработки (процесс №4) включает в себя следующие стадии:The sol-gel method with an additional processing stage (process No. 4) includes the following stages:

a) получения раствора соли железа, соли никеля, соли кобальта и необязательно одной или нескольких солей М, определяемого в соединении формулы I, и одного или нескольких полимерных предшественников, а также необязательно одного или нескольких комплексообразующих средств в воде;a) obtaining a solution of an iron salt, a nickel salt, a cobalt salt and optionally one or more salts of M defined in a compound of formula I and one or more polymeric precursors and optionally one or more complexing agents in water;

b) необязательно добавления неорганической кислоты в раствор, полученный на стадии а);b) optionally adding an inorganic acid to the solution obtained in step a);

c) нагревания раствора при 90°С в течение 1-120 часов до образования вязкого геля;c) heating the solution at 90°C for 1-120 hours until a viscous gel is formed;

d) прокаливания геля в диапазоне температур 300-700°С в течение 1-120 часов, предпочтительно 400-500°С в течение 2-20 часов, в воздухе;d) calcining the gel in the temperature range of 300-700°C for 1-120 hours, preferably 400-500°C for 2-20 hours, in air;

e) нагревания смешанного оксида в диапазоне температур 200-500°С в течение 1-120 часов, предпочтительно 250-400°С, в течение 2-10 часов в атмосфере водорода и сероводорода;e) heating the mixed oxide in the temperature range of 200-500°C for 1-120 hours, preferably 250-400°C for 2-10 hours in an atmosphere of hydrogen and hydrogen sulfide;

f) и необязательно нагревания образца в течение 0,5-20 часов, предпочтительно 2-5 часов, в атмосфере водорода, необязательно разбавленного инертным газом, например, N2 или Ar.f) and optionally heating the sample for 0.5-20 hours, preferably 2-5 hours, in an atmosphere of hydrogen, optionally diluted with an inert gas such as N 2 or Ar.

В данном процессе комплексообразующее средство также может служить полимерным предшественником.In this process, the complexing agent can also serve as a polymeric precursor.

В данном процессе подходящий полимерный предшественник включает в себя многоосновные карбоновые кислоты, гидроксикарбоновые кислоты, многоатомные спирты и их смеси, предпочтительно многоатомные спирты, многоосновные карбоновые кислоты и их смеси, более предпочтительно многоосновные карбоновые кислоты, наиболее предпочтительно лимонную кислоту.In this process, suitable polymeric precursor includes polycarboxylic acids, hydroxycarboxylic acids, polyhydric alcohols and mixtures thereof, preferably polyhydric alcohols, polycarboxylic acids and mixtures thereof, more preferably polycarboxylic acids, most preferably citric acid.

В данном процессе подходящее комплексообразующее средство включает в себя органические соединения, например, органические кислоты, кетоны, альдегиды, спирты, амины и их смеси, предпочтительно многоосновные карбоновые кислоты, более предпочтительно лимонную кислоту и щавелевую кислоту, а наиболее предпочтительно лимонную кислоту.In this process, a suitable complexing agent includes organic compounds such as organic acids, ketones, aldehydes, alcohols, amines and mixtures thereof, preferably polybasic carboxylic acids, more preferably citric acid and oxalic acid, and most preferably citric acid.

В данном процессе подходящая соль железа, никеля, кобальта и М включает в себя соли этих элементов, например, нитраты, оксиды, гидроксиды, карбонаты, сульфаты, ацетаты, галогениды и их смеси, предпочтительно нитраты, сульфаты, ацетаты и их смеси, наиболее предпочтительно нитраты.In this process, a suitable salt of iron, nickel, cobalt and M includes salts of these elements, for example, nitrates, oxides, hydroxides, carbonates, sulfates, acetates, halides and mixtures thereof, preferably nitrates, sulfates, acetates and mixtures thereof, most preferably nitrates.

В данном процессе неорганическая кислота на стадии а) включает в себя подходящие неорганические кислоты, например, азотную кислоту, серную кислоту, хлористоводородную кислоту и их смеси, предпочтительно азотную кислоту, серную кислоту и их смеси, наиболее предпочтительно азотную кислоту.In this process, the inorganic acid in step a) includes suitable inorganic acids, for example nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid and mixtures thereof, preferably nitric acid, sulfuric acid and mixtures thereof, most preferably nitric acid.

ПримерыExamples

Пример 1 (согласно процессу №1)Example 1 (according to process #1)

Fe3Co3Ni3S8 Fe 3 Co3Ni 3 S 8

Порошок железа (0,43 г, Sigma-Aldrich, ≥99 масс. %), порошок кобальта (0,46 г, ABCR, 99,8 масс. %), порошок никеля (0,45 г, ABCR, 99,9 масс. %) и сера (0,66 г, Sigma-Aldrich, 99,5 масс. % - 100,5 масс. %) смешивали вместе в течение 10 минут до получения визуально гомогенной смеси элементов. Гомогенной смесью элементов наполняли кварцевую ампулу (диаметром 10 мм, общим объемом 15 мл), из которой откачивали воздух при давлении ниже 4×10-2 мбар в течение 16 часов, а затем запечатывали в вакууме. Образец помещали в печь и нагревали до 700°С при скорости нагревания 4,5 K минута-1. После выдерживания изотермы температур в течение 3 часов, чтобы сера прореагировала со смесью металлов без повреждения сосуда, температуру повышали до 1000°С (скорость нагревания 3,33 K минута-1) для усиления диффузии. Затем образец выдерживали при этой температуре в течение 10 часов. После этого обеспечивали охлаждение образца до комнатной температуры.Iron powder (0.43 g, Sigma-Aldrich, ≥99 wt%), cobalt powder (0.46 g, ABCR, 99.8 wt%), nickel powder (0.45 g, ABCR, 99.9 wt%) and sulfur (0.66 g, Sigma-Aldrich, 99.5 wt% - 100.5 wt%) were mixed together for 1 0 minutes to obtain a visually homogeneous mixture of elements. A homogeneous mixture of elements was filled into a quartz ampoule (diameter 10 mm, total volume 15 ml), from which air was pumped out at a pressure below 4×10 -2 mbar for 16 hours, and then sealed in vacuum. The sample was placed in an oven and heated to 700° C. at a heating rate of 4.5 K min -1 . After keeping the temperature isotherm for 3 hours, so that the sulfur reacted with the mixture of metals without damaging the vessel, the temperature was raised to 1000°C (heating rate 3.33 K min -1 ) to enhance diffusion. The sample was then kept at this temperature for 10 hours. After that, the sample was cooled down to room temperature.

Пример 2-10Example 2-10

Следующие композиции синтезировали подобно процессу, раскрываемому в примере 1.The following compositions were synthesized similar to the process disclosed in Example 1.

Пример 11 (согласно процессу №2)Example 11 (according to process #2)

Fe3Co3Ni3S8 Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8

Порошок железа (0,43 г, Sigma-Aldrich, ≥99 масс. %), порошок кобальта (0,46 г, ABCR, 99,8 масс. %), порошок никеля (0,45 г, ABCR, 99,9 масс. %) и серу (0,66 г, Sigma-Aldrich, 99,5 масс. % - 100,5 масс. %) смешивали вместе в течение 10 минут до получения визуально гомогенной смеси элементов. Гомогенной смесью элементов наполняли кварцевую ампулу (диаметром 10 мм, общим объемом 15 мл), из которой откачивали воздух при давлении ниже 4×10-2 мбар, заполняли аргоном, а затем запечатывали в статической атмосфере аргона. Образец помещали в печь и нагревали до 700°С при скорости нагревания 4,5 K минута-1. После выдерживания изотермы температур в течение 3 часов температуру повышали до 1000°С (скорость нагревания 3,33 K минута-1). Затем образец выдерживали при этой температуре в течение 10 часов. После этого обеспечивали охлаждение образца до комнатной температуры.Iron powder (0.43 g, Sigma-Aldrich, ≥99 wt%), cobalt powder (0.46 g, ABCR, 99.8 wt%), nickel powder (0.45 g, ABCR, 99.9 wt%) and sulfur (0.66 g, Sigma-Aldrich, 99.5 wt% - 100.5 wt%) were mixed together for 1 0 minutes to obtain a visually homogeneous mixture of elements. A homogeneous mixture of elements was filled into a quartz ampoule (diameter 10 mm, total volume 15 ml), from which air was pumped out at a pressure below 4×10 -2 mbar, filled with argon, and then sealed in a static argon atmosphere. The sample was placed in an oven and heated to 700° C. at a heating rate of 4.5 K min -1 . After keeping the temperature isotherm for 3 hours, the temperature was raised to 1000° C. (heating rate 3.33 K min -1 ). The sample was then kept at this temperature for 10 hours. After that, the sample was cooled down to room temperature.

Пример 12 (согласно процессу №3)Example 12 (according to process #3)

Fe3Co3Ni3S8 Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8

Нитрат железа(III) (Fe(NO3)3⋅9H2O, 1,35 г), нитрат никеля(II) (Ni(NO3)2⋅6H2O, 0,97 г) и нитрат кобальта(II) (Co(NO3)2⋅6H2O, 0,97 г) растворяли в 300 мл воды. В отдельном контейнере растворяли сульфид натрия (Na2S⋅9H2O, 4,80 г) в 200 мл воды. Добавляли раствор сульфида к раствору нитрата за 30 минут при энергичном взбалтывании, что приводило к образованию черного осадка. Черный осадок отфильтровывали и промывали 200 мл воды. Затем осадок сушили замораживанием. Затем в потоке N2 черный порошок нагревали до 40°С (10 K минута-1) и выдерживали при этой температуре в течение 10 минут. После этого температуру повышали до 300°С (10 K минута-1) с применением потока водорода (85 об.%)/сероводорода (15 об.%). Через 4 часа при таких условиях к образцу подавали чистый водород в течение 4 часов подряд. Реакцию быстро останавливали путем подачи холодного (25°С) потока газообразного азота. На протяжении всего эксперимента поток газа регулировали до 40 мл минута-1 и держали постоянным.Iron(III) nitrate (Fe(NO 3 ) 3 ⋅9H 2 O, 1.35 g), nickel(II) nitrate (Ni(NO 3 ) 2 ⋅6H 2 O, 0.97 g) and cobalt(II) nitrate (Co(NO 3 ) 2 ⋅6H 2 O, 0.97 g) were dissolved in 300 ml of water. In a separate container, sodium sulfide (Na 2 S⋅9H 2 O, 4.80 g) was dissolved in 200 ml of water. The sulfide solution was added to the nitrate solution over 30 minutes with vigorous agitation, which resulted in the formation of a black precipitate. The black precipitate was filtered off and washed with 200 ml of water. The precipitate was then freeze dried. Then, in a stream of N 2 black powder was heated to 40°C (10 K minute -1 ) and kept at this temperature for 10 minutes. Thereafter, the temperature was raised to 300°C (10 K min -1 ) using a stream of hydrogen (85 vol.%)/hydrogen sulfide (15 vol.%). After 4 hours under these conditions, pure hydrogen was supplied to the sample for 4 consecutive hours. The reaction was quickly stopped by supplying a cold (25°C) flow of nitrogen gas. Throughout the experiment, the gas flow was adjusted to 40 ml min -1 and kept constant.

Пример 13 (согласно процессу №3)Example 13 (according to process #3)

Fe3Co3Ni3S8 Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8

Нитрат железа(III) (Fe(NO3)3⋅9H2O, 1,35 г), нитрат никеля(II) (Ni(NO3)2⋅6H2O, 0,97 г) и нитрат кобальта(II) (Co(NO3)2⋅6H2O, 0,97 г) растворяли в 300 мл воды. В отдельном контейнере растворяли сульфид аммония ((NH4)2S (20 масс. % в H2O), 20 ммоль, 6,81 г) в 200 мл воды. Добавляли раствор сульфида к раствору нитрата за 30 минут при энергичном взбалтывании, что приводило к образованию черного осадка. Черный осадок отфильтровывали и промывали 200 мл воды. Затем осадок сушили замораживанием. Затем в потоке N2 черный порошок нагревали до 40°С (10 K минута-1) и выдерживали при этой температуре в течение 10 минут. После этого температуру повышали до 300°С (10 K минута-1) с применением потока водорода (85 об.%)/сероводорода (15 об.%). Через 4 часа при таких условиях к образцу подавали чистый водород в течение 4 часов подряд. Реакцию быстро останавливали путем подачи холодного (25°С) потока газообразного азота. На протяжении всего эксперимента поток газа регулировали до 40 мл минута-1 и держали постоянным.Iron(III) nitrate (Fe(NO 3 ) 3 ⋅9H 2 O, 1.35 g), nickel(II) nitrate (Ni(NO 3 ) 2 ⋅6H 2 O, 0.97 g) and cobalt(II) nitrate (Co(NO 3 ) 2 ⋅6H 2 O, 0.97 g) were dissolved in 300 ml of water. In a separate container was dissolved ammonium sulfide ((NH 4 ) 2 S (20 wt.% in H 2 O), 20 mmol, 6.81 g) in 200 ml of water. The sulfide solution was added to the nitrate solution over 30 minutes with vigorous agitation, which resulted in the formation of a black precipitate. The black precipitate was filtered off and washed with 200 ml of water. The precipitate was then freeze dried. Then, in a stream of N 2 black powder was heated to 40°C (10 K minute -1 ) and kept at this temperature for 10 minutes. Thereafter, the temperature was raised to 300°C (10 K min -1 ) using a stream of hydrogen (85 vol.%)/hydrogen sulfide (15 vol.%). After 4 hours under these conditions, pure hydrogen was supplied to the sample for 4 consecutive hours. The reaction was quickly stopped by supplying a cold (25°C) flow of nitrogen gas. Throughout the experiment, the gas flow was adjusted to 40 ml min -1 and kept constant.

Пример 14 (согласно процессу №4)Example 14 (according to process #4)

Fe3Co3Ni3S8 Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8

Нитрат железа(II) (Fe(NO3)3⋅9H2O, 2,02 г), нитрат кобальта(II) (Co(NO3)2⋅6H2O, 1,46 г) и нитрат никеля(II) (Ni(NO3)2⋅6H2O, 1,45 г) растворяли в 15 мл воды, содержащей 2,88 г лимонной кислоты. Раствор нагревали до 90°С в течение 2-6 часов, что приводило к образованию вязкого геля. Полученный гель прокаливали при 500°С в течение 18 часов и полученным черным твердым веществом наполняли кювету из кварцевого стекла, которую помещали в печь. Затем печь продували инертным газом (N2) в течение 10 минут при 40°С. Затем поток газа заменяли на смесь водорода (85 об.%) и сероводорода (15 об.%) и температуру повышали до 300°С при скорости нагревания 10 K минута-1. Через 15 минут продувания образца водородом (85 об.%) и сероводородом (15 об.%) при 300°С через аппарат продували чистый водород при 300°С в течение 4 часов. После этого печь выключали и образец быстро охлаждали в холодном (25°С) потоке N2. На протяжении всего эксперимента поток газа регулировали до 40 мл минута-1 и держали постоянным.Iron(II) nitrate (Fe(NO 3 ) 3 ⋅9H 2 O, 2.02 g), cobalt(II) nitrate (Co(NO 3 ) 2 ⋅6H 2 O, 1.46 g) and nickel(II) nitrate (Ni(NO 3 ) 2 ⋅6H 2 O, 1.45 g) were dissolved in 15 ml of water containing 2.88 g citric acid. The solution was heated to 90°C for 2-6 hours, which led to the formation of a viscous gel. The resulting gel was calcined at 500° C. for 18 hours, and the resulting black solid was filled into a quartz glass cuvette, which was placed in an oven. The oven was then purged with an inert gas (N 2 ) for 10 minutes at 40°C. Then the gas flow was changed to a mixture of hydrogen (85 vol.%) and hydrogen sulfide (15 vol.%) and the temperature was raised to 300°C at a heating rate of 10 K minute -1 . After 15 minutes of purging the sample with hydrogen (85 vol.%) and hydrogen sulfide (15 vol.%) at 300°C, pure hydrogen was purged through the apparatus at 300°C for 4 hours. After that, the oven was turned off and the sample was rapidly cooled in a cold (25°C) flow of N 2 . Throughout the experiment, the gas flow was adjusted to 40 ml min -1 and kept constant.

Сравнительный пример 1Comparative Example 1

Fe4,5Ni4,5S8 (Piontek et al. ACS Catalysis 2018, 8, 987-996)Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 (Piontek et al. ACS Catalysis 2018, 8, 987-996)

Порошок металлического железа (1,75 г, Sigma-Aldrich, ≥99 масс. %), никель (1,75 г, ABCR, 99,9 масс. %) и серу (1,70 г, Sigma-Aldrich, 99,5 масс. % -100,5 масс. %) смешивали вместе в течение 10 минут до получения визуально гомогенной смеси элементов. Эту смесь помещали в 10-мм кварцевую трубку. После этого кварцевую трубку запечатывали в статическом вакууме и нагревали до 700°С со скоростью 5°С минута-1. После 3 часов отжига при 700°С температуру повышали до 1100°С за 30 минут. После 10 часов при 1100°С обеспечивали охлаждение смеси до комнатной температуры.Metallic iron powder (1.75 g, Sigma-Aldrich, ≥99 wt%), nickel (1.75 g, ABCR, 99.9 wt%) and sulfur (1.70 g, Sigma-Aldrich, 99.5 wt% -100.5 wt%) were mixed together for 10 minutes until a visually homogeneous mixture of elements was obtained. This mixture was placed in a 10 mm quartz tube. Thereafter, the quartz tube was sealed under static vacuum and heated to 700° C. at a rate of 5° C. minute -1 . After 3 hours of annealing at 700°C, the temperature was raised to 1100°C in 30 minutes. After 10 hours at 1100° C., the mixture was allowed to cool to room temperature.

Сравнительный пример 2Comparative Example 2

Co9S8 Co 9 S 8

Порошок кобальта (1,35 г, ABCR, 99,8 масс. %) и сера (0,66 г, Sigma-Aldrich, 99,5 масс. % - 100,5 масс. %) смешивали вместе в течение 10 минут до получения визуально гомогенной смеси элементов. Гомогенной смесью элементов наполняли кварцевую ампулу (диаметром 10 мм, общим объемом 15 мл), из которой откачивали воздух при давлении ниже 4 x 10-2 мбар в течение 16 часов, а затем запечатывали в вакууме. Образец помещали в печь и нагревали до 700°С при скорости нагревания 4,5 K минута-1. После выдерживания изотермы температур в течение 3 часов, чтобы сера прореагировала со смесью металлов без повреждения сосуда, температуру повышали до 1000°С (скорость нагревания 3,33 K минута-1) для усиления диффузии. Затем образец выдерживали при этой температуре в течение 10 часов. После этого обеспечивали охлаждение образца до комнатной температуры.Cobalt powder (1.35 g, ABCR, 99.8 wt.%) and sulfur (0.66 g, Sigma-Aldrich, 99.5 wt.% - 100.5 wt.%) were mixed together for 10 minutes until a visually homogeneous mixture of elements was obtained. The homogeneous mixture of elements was filled into a quartz ampoule (diameter 10 mm, total volume 15 ml), from which air was pumped out at a pressure below 4 x 10 -2 mbar for 16 hours, and then sealed in vacuum. The sample was placed in an oven and heated to 700° C. at a heating rate of 4.5 K min -1 . After keeping the temperature isotherm for 3 hours, so that the sulfur reacted with the mixture of metals without damaging the vessel, the temperature was raised to 1000°C (heating rate 3.33 K min -1 ) to enhance diffusion. The sample was then kept at this temperature for 10 hours. After that, the sample was cooled down to room temperature.

Получение электрода согласно примеру 1-10, а также согласно сравнительному примеру 1-2Obtaining the electrode according to example 1-10, as well as according to comparative example 1-2

В качестве контакта для электродов (диаметром 3 мм) использовали специально изготовленный тефлоновый кожух с латунным стержнем. Соответствующий материал, используемый для изготовления электрода (50 мг), измельчали до получения мелкоизмельченного порошкового материала. Измельченный порошок загружали в прессовальный инструмент (диаметром 3 мм) и прессовали измельченный порошок с максимальной силой веса 800 кг/см2. На латунный стержень в полости тефлонового кожуха наносили двухкомпонентный эпоксидный клей с серебром для соединения латунной подложки с материалом электрода. Затем гранулу вдавливали в тефлоновый кожух и удаляли любые загрязнения с тефлонового кожуха. Контакт между латунным стержнем и гранулой испытывали с помощью вольтметра, чтобы убедиться в надлежащей проводимости. После этого электрод выдерживали при 60°С в течение 12 часов для обеспечения отверждения двухкомпонентного клея. После охлаждения до комнатной температуры электрод полировали наждачной бумагой (зернистость 20 мкм, 14 мкм, 3 мкм и 1 мкм) для получения блестящей гладкой плоской поверхности внутри тефлонового корпуса. После очистки поверхности деионизированной водой и сушки в условиях окружающей среды электрод можно было использовать без дополнительной обработки.A specially made Teflon casing with a brass rod was used as a contact for electrodes (3 mm in diameter). The appropriate material used to make the electrode (50 mg) was ground to a fine powder material. The crushed powder was loaded into a pressing tool (3 mm in diameter), and the crushed powder was pressed with a maximum weight force of 800 kg/cm 2 . A two-component epoxy adhesive with silver was applied to the brass rod in the cavity of the Teflon casing to connect the brass substrate to the electrode material. The pellet was then pressed into the Teflon jacket and any contaminants were removed from the Teflon jacket. The contact between the brass rod and the pellet was tested with a voltmeter to ensure proper conduction. Thereafter, the electrode was kept at 60° C. for 12 hours to allow the two-component adhesive to cure. After cooling to room temperature, the electrode was polished with sandpaper (grit 20 µm, 14 µm, 3 µm and 1 µm) to obtain a shiny smooth flat surface inside the Teflon case. After cleaning the surface with deionized water and drying at ambient conditions, the electrode could be used without additional treatment.

Сравнительный пример 3Comparative Example 3

Нанолисты MoS2 Nanosheets MoS 2

Объемные кристаллы MoS2 синтезировали способом химического паропереноса. При обычном синтезе порошки элементарных частиц Мо и S смешивали в стехиометрических пропорциях (1:1) и помещали в кварцевую трубку. Из кварцевой трубки откачивали воздух до ~10-6 мбар и запечатывали. Запечатанную кварцевую трубку помещали в трубчатую печь при 800°С на 2 недели для обеспечения образования кристаллов. Кварцевую трубку охлаждали до комнатной температуры и открывали для сбора образовавшихся кристаллов.Bulk MoS 2 crystals were synthesized by the chemical vapor transfer method. In conventional synthesis, powders of Mo and S elementary particles were mixed in stoichiometric proportions (1:1) and placed in a quartz tube. The quartz tube was evacuated to ~10 -6 mbar and sealed. The sealed quartz tube was placed in a tube furnace at 800° C. for 2 weeks to allow crystals to form. The quartz tube was cooled to room temperature and opened to collect the formed crystals.

Эти кристаллы MoS2 эксфолиировали путем диспергирования 5 мг/мл кристаллов в растворе поверхностно-активного вещества цетилтриметиламмония бромид ЦТАБ (2 мг/мл) в воде с последующей обработкой ультразвуком в течение 10 часов в ультразвуковой ванне мощностью 100 Вт. После обработки ультразвуком дисперсии подвергали дифференциальному центрифугированию для сужения распределения по размерам. В типичном способе дисперсии центрифугировали при 1000 оборотах в минуту в течение 1 часа. Супернатант отделяли и подвергали последовательному центрифугированию при 2000 и 4000 оборотах в минуту на протяжении периодов по 2 часа каждый. На этой стадии процесс останавливали (при 4000 оборотах в минуту). Осадок собирали и повторно диспергировали в воде при обработке ультразвуком. После обработки ультразвуком дисперсия оставалась стабильной в течение 3 месяцев без какой-либо флокуляции и использовалась для дальнейших исследований. Для получения электрода готовили водную суспензию с концентрацией 5 г MoS2 на литр с последующей обработкой ультразвуком в течение 30 минут. Объем 5 мл данной суспензии наносили каплями на полированный стеклоуглеродный электрод с геометрической площадью 0,126 см2 и сушили на воздухе при комнатной температуре. Модифицированные электроды подвергали непрерывному циклированию потенциала в окне потенциалов от -0,5 до 0,5 В относительно Ag/AgCl/3 М KCl до получения воспроизводимых диаграмм вольтамперометрии.These MoS 2 crystals were exfoliated by dispersing 5 mg/mL of the crystals in a solution of the surfactant cetyltrimethylammonium bromide CTAB (2 mg/mL) in water, followed by sonication for 10 hours in a 100 W ultrasonic bath. After sonication, the dispersions were subjected to differential centrifugation to narrow the size distribution. In a typical method, the dispersions were centrifuged at 1000 rpm for 1 hour. The supernatant was separated and subjected to successive centrifugation at 2000 and 4000 rpm for periods of 2 hours each. At this stage, the process was stopped (at 4000 rpm). The precipitate was collected and redispersed in water under sonication. After sonication, the dispersion remained stable for 3 months without any flocculation and was used for further studies. To obtain an electrode, an aqueous suspension was prepared at a concentration of 5 g MoS 2 per liter, followed by sonication for 30 minutes. A volume of 5 ml of this suspension was dropped onto a polished glassy carbon electrode with a geometric area of 0.126 cm 2 and dried in air at room temperature. The modified electrodes were subjected to continuous potential cycling in a potential window from -0.5 to 0.5 V relative to Ag/AgCl/3 M KCl until reproducible voltammetry diagrams were obtained.

Сравнительный пример 4Comparative Example 4

Нанолисты NiS2 NiS 2 nanosheets

Нанолисты NiS2 синтезировали одностадийным гидротермическим способом. В типичном способе смешивали 4 ммоль хлорида никеля гексагидрата (NiCl2-6H2O) и 4 ммоль Na2S2O3⋅5H2O в химическом стакане, содержащем 30 мл воды качества Milli-Q и взбалтывали в течение 1 часа. Смешанный раствор переносили в 60-мл покрытый тефлоном автоклав из нержавеющей стали и нагревали в течение 24 часов при 180°С. Осадок собирали центрифугированием и несколько раз промывали смесью этанола и воды (1:2), а затем сушили. Для получения электрода готовили водную суспензию с концентрацией 5 г MoS2 на литр с последующей обработкой ультразвуком в течение 30 минут. Объем 5 мл данной суспензии наносили каплями на полированный стеклоуглеродный электрод с геометрической площадью 0,126 см2 и сушили на воздухе при комнатной температуре. Модифицированные электроды подвергали непрерывному циклированию потенциала в окне потенциалов от -0,5 до 0,5 В относительно Ag/AgCl/3 М KCl до получения воспроизводимых диаграмм вольтамперометрии.NiS 2 nanosheets were synthesized by a one-stage hydrothermal method. In a typical method, 4 mmol nickel chloride hexahydrate (NiCl 2 -6H 2 O) and 4 mmol Na 2 S 2 O 3 .5H 2 O were mixed in a beaker containing 30 ml Milli-Q quality water and agitated for 1 hour. The mixed solution was transferred to a 60 ml Teflon-coated stainless steel autoclave and heated for 24 hours at 180°C. The precipitate was collected by centrifugation and washed several times with a mixture of ethanol and water (1:2) and then dried. To obtain an electrode, an aqueous suspension was prepared at a concentration of 5 g MoS 2 per liter, followed by sonication for 30 minutes. A volume of 5 ml of this suspension was dropped onto a polished glassy carbon electrode with a geometric area of 0.126 cm 2 and dried in air at room temperature. The modified electrodes were subjected to continuous potential cycling in a potential window from -0.5 to 0.5 V relative to Ag/AgCl/3 M KCl until reproducible voltammetry diagrams were obtained.

Сравнительный пример 5Comparative Example 5

Нанолисты FeS2 Nanosheets FeS 2

Нанолисты FeS2 синтезировали одностадийным гидротермическим способом. В типичном способе смешивали 4 ммоль хлорида трехвалентного железа тетрагидрата (FeCl2⋅4H2O) и 4 ммоль Na2S2O3⋅5H2O в химическом стакане, содержащем 30 мл воды качества Milli-Q и взбалтывали в течение 1 часа. Смешанный раствор переносили в 60-мл покрытый тефлоном автоклав из нержавеющей стали и нагревали в течение 24 часов при 180°С. Осадок собирали центрифугированием и несколько раз промывали смесью этанола и воды (1:2), а затем сушили. Для получения электрода готовили водную суспензию с концентрацией 5 г MoS2 на литр с последующей обработкой ультразвуком в течение 30 минут. Объем 5 мл данной суспензии наносили каплями на полированный стеклоуглеродный электрод с геометрической площадью 0,126 см2 и сушили на воздухе при комнатной температуре. Модифицированные электроды подвергали непрерывному циклированию потенциала в окне потенциалов от -0,5 до 0,5 В относительно Ag/AgCl/3 М KCl до получения воспроизводимых диаграмм вольтамперометрии.FeS 2 nanosheets were synthesized by a one-stage hydrothermal method. In a typical method, 4 mmol of ferric chloride tetrahydrate (FeCl 2 ⋅4H 2 O) and 4 mmol of Na 2 S 2 O 3 ⋅5H 2 O were mixed in a beaker containing 30 ml of Milli-Q quality water and agitated for 1 hour. The mixed solution was transferred to a 60 ml Teflon-coated stainless steel autoclave and heated for 24 hours at 180°C. The precipitate was collected by centrifugation and washed several times with a mixture of ethanol and water (1:2) and then dried. To obtain an electrode, an aqueous suspension was prepared at a concentration of 5 g MoS 2 per liter, followed by sonication for 30 minutes. A volume of 5 ml of this suspension was dropped onto a polished glassy carbon electrode with a geometric area of 0.126 cm 2 and dried in air at room temperature. The modified electrodes were subjected to continuous potential cycling in a potential window from -0.5 to 0.5 V relative to Ag/AgCl/3 M KCl until reproducible voltammetry diagrams were obtained.

Сравнительный пример 6Comparative Example 6

PtPt

В качестве контакта для электродов (диаметром 3 мм) использовали специально изготовленный тефлоновый кожух с латунным стержнем. Измельчали 200 мг платиновой сетки с мелкими ячейками (99,99 мас. %) с получением мелкоизмельченного порошкового материала. Мелкоизмельченный порошок загружали в прессовальный инструмент (диаметром 3 мм) и прессовали порошок с максимальной силой веса 800 кг/см2. На латунный стержень в полости тефлонового кожуха наносили двухкомпонентный эпоксидный клей с серебром для соединения латунной подложки с материалом электрода. Затем гранулу вдавливали в тефлоновый кожух и удаляли любые загрязнения с тефлонового кожуха. Контакт между латунным стержнем и гранулой испытывали с помощью вольтметра, чтобы убедиться в надлежащей проводимости. После этого электрод выдерживали при 60°С в течение 12 часов для обеспечения отверждения двухкомпонентного клея. После охлаждения до комнатной температуры электрод полировали наждачной бумагой (зернистость 20 мкм, 14 мкм, 3 мкм и 1 мкм) для получения блестящей гладкой плоской поверхности внутри тефлонового корпуса. Сетку очищали на первой стадии концентрированной хлористоводородной кислотой, а затем деионизированной водой и сушили в условиях окружающей среды. Электрод можно было использовать без дополнительной обработки.A specially made Teflon casing with a brass rod was used as a contact for electrodes (3 mm in diameter). 200 mg of fine mesh platinum mesh (99.99% by weight) was ground to obtain a finely divided powder material. The fine powder was loaded into a pressing tool (diameter 3 mm) and the powder was pressed with a maximum weight force of 800 kg/cm 2 . A two-component epoxy adhesive with silver was applied to the brass rod in the cavity of the Teflon casing to connect the brass substrate to the electrode material. The pellet was then pressed into the Teflon jacket and any contaminants were removed from the Teflon jacket. The contact between the brass rod and the pellet was tested with a voltmeter to ensure proper conduction. Thereafter, the electrode was kept at 60° C. for 12 hours to allow the two-component adhesive to cure. After cooling to room temperature, the electrode was polished with sandpaper (grit 20 µm, 14 µm, 3 µm and 1 µm) to obtain a shiny smooth flat surface inside the Teflon case. The mesh was cleaned in the first step with concentrated hydrochloric acid and then with deionized water and dried at ambient conditions. The electrode could be used without additional processing.

Условия для электрохимического испытанияConditions for electrochemical testing

Для электрохимического исследования материалов катализатора соответствующий катализатор прессовали в гранулы и вставляли в специально изготовленные электроды со следующими стадиями:For the electrochemical study of catalyst materials, the corresponding catalyst was pressed into granules and inserted into specially made electrodes with the following steps:

а) материал катализатора (50 мг) измельчали в мелкоизмельченный порошковый материал, загружали в специально созданный прессовальный инструмент (диаметром 3 мм), а затем прессовали с максимальной силой веса 800 кг/см2;a) the catalyst material (50 mg) was ground into a fine powder material, loaded into a specially designed pressing tool (diameter 3 mm), and then pressed with a maximum weight force of 800 kg/cm 2 ;

b) осуществляли контакт специально созданного тефлонового кожуха с латунным стержнем в качестве контакта для электродов (диаметром 3 мм); наносили эпоксидный клей с серебром (Polytec ЕС 151 L) на латунный стержень в полости тефлонового кожуха для соединения латунной подложки с материалом электрода;b) contacting a specially designed Teflon sheath with a brass rod as a contact for the electrodes (3 mm diameter); a silver epoxy adhesive (Polytec EC 151 L) was applied to the brass rod in the cavity of the Teflon jacket to bond the brass substrate to the electrode material;

c) гранулу вдавливали в тефлоновый кожух и удаляли какие-либо загрязнения с тефлонового кожуха;c) the pellet was pressed into the Teflon casing and any contaminants were removed from the Teflon casing;

d) контакт между латунным стержнем и гранулой испытывали с помощью вольтметра (VOLTCRAFT VC840), чтобы убедиться в надлежащей проводимости;d) the contact between the brass rod and the pellet was tested with a voltmeter (VOLTCRAFT VC840) to ensure proper conductivity;

e) электрод выдерживали при 60°С в течение 12 часов для обеспечения отверждения двухкомпонентного клея;e) the electrode was held at 60° C. for 12 hours to allow the two-component adhesive to cure;

f) электрод охлаждали до комнатной температуры и полировали наждачной бумагой (зернистость 20 мкм, 14 мкм, 3 мкм и 1 мкм, 3М Lapping Film Bogen 261Х/262Х) для получения блестящей гладкой плоской поверхности внутри тефлонового корпуса; после очистки поверхности деионизированной водой (Millipore Milli-Q Academic Water Purification System) и сушки в условиях окружающей среды электрод можно было использовать без дополнительной обработки.f) the electrode was cooled to room temperature and polished with sandpaper (grit 20 µm, 14 µm, 3 µm and 1 µm, 3M Lapping Film Bogen 261X/262X) to obtain a shiny smooth flat surface inside the Teflon housing; after cleaning the surface with deionized water (Millipore Milli-Q Academic Water Purification System) and drying at ambient conditions, the electrode was usable without further treatment.

Эксперименты проводили на стандартной трехэлектродной установке с использованием полученного электрода (Агеом.=0,071 см2) в качестве рабочего электрода, электрода из Ag/AgCl (насыщенный раствор KCl или 3 М KCl) в качестве эталонного электрода и проволоки из Pt (диаметр 1 мм) или сетки из Pt (Aгеом.=1,25 см2) в качестве противоэлектрода. Затем специально созданную газонепроницаемую ячейку Н-типа оснащали перемешивающим стержнем и наполняли электролитом, состоящим из 0,5 М H2SO4, для всех электрохимических экспериментов. Замену электролита во время электрохимического испытания электрода не производили. Все потенциалы относятся к ERHE (RHE=обратимый водородный электрод) согласно ERHE=EAg/AgCl+X+0,059 рН, где X=0,197 В (насыщенный раствор KCl), или X=0,210 В (3 М KCl), если не указано иное. В качестве потенциостата использовали прибор Gamry Reference 600+.The experiments were carried out on a standard three-electrode setup using the obtained electrode (A geom. = 0.071 cm 2 ) as a working electrode, an Ag/AgCl electrode (saturated solution of KCl or 3 M KCl) as a reference electrode, and a Pt wire (diameter 1 mm) or Pt grid (A geom. = 1.25 cm 2 ) as a counter electrode. Then, a specially designed H-type gas-tight cell was equipped with a stirring rod and filled with an electrolyte consisting of 0.5 M H 2 SO 4 for all electrochemical experiments. The electrolyte was not replaced during the electrochemical test of the electrode. All potentials refer to E RHE (RHE = reversible hydrogen electrode) according to E RHE = E Ag / AgCl + X + 0.059 pH, where X = 0.197 V (saturated KCl solution), or X = 0.210 V (3 M KCl), unless otherwise indicated. A Gamry Reference 600+ device was used as a potentiostat.

Измерение каталитических характеристикMeasurement of catalytic performance

Электрокаталитические эксперименты выполняли со следующими стадиями:Electrocatalytic experiments were performed with the following steps:

a) электролит (0,5 М H2SO4, 25 мл) добавляли в электрохимическую ячейку и электроды регулировали для обеспечения полного погружения электродов в раствор;a) electrolyte (0.5 M H 2 SO 4 , 25 ml) was added to the electrochemical cell and the electrodes were adjusted to ensure that the electrodes were completely immersed in the solution;

b) включили магнитную мешалку (IKA Topolino);b) turn on the magnetic stirrer (IKA Topolino);

c) проводили эксперимент по циклической вольтамперометрии (CV) для получения быстрого обзора электрохимических процессов, которые можно было наблюдать;c) a cyclic voltammetry (CV) experiment was performed to obtain a quick overview of the electrochemical processes that could be observed;

d) эксперимент CV повторяли, чтобы обеспечить быструю электрохимическую очистку поверхности в диапазоне потенциалов от 0,2 до -0,2 В. Эксперименты проводили со скоростью сканирования 100 мВ/с (некаталитическая область потенциала) и количество циклов устанавливали на 20. Перед началом эксперимента значение компенсации iR для электрохимической установки определяли с использованием потенциостата GAMRY Reference 600 и установленной программы системы программного обеспечения. Диапазон потенциалов для экспериментов вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала (LSV (от англ. - linear sweep voltametry) устанавливали от -0,2 до -0,8 В по сравнению с RHE, а скорость сканирования 5 мВ/с с учетом падения iR в эксперименте. Эксперименты с линейной разверткой повторяли по меньшей мере три раза для обеспечения воспроизводимости.d) The CV experiment was repeated to ensure fast electrochemical cleaning of the surface in the potential range from 0.2 to -0.2 V. The experiments were carried out with a scan rate of 100 mV/s (non-catalytic potential region) and the number of cycles was set to 20. Before starting the experiment, the iR compensation value for the electrochemical setup was determined using a GAMRY Reference 600 potentiostat and the installed software system program. The potential range for linear sweep voltammetry (LSV) experiments was set from -0.2 to -0.8 V compared to RHE, and the scanning speed was 5 mV/s, taking into account the drop in iR in the experiment. Linear sweep experiments were repeated at least three times to ensure reproducibility.

Испытание стабильности и газовый анализStability test and gas analysis

Для оценивания стабильности материалов согласно примерам электроды держали под постоянным потенциалом (эксперименты с СРС) на протяжении длительного периода времени (по меньшей мере 12 часов). Электроды оценивали в 0,5 М H2SO4 при постоянном потенциале -0,71 В по сравнению с RHE. Кроме того, одновременно отбирали образцы газа из свободного пространства. Для этого к электрохимической ячейке подключали газовый хроматограф (ГХ; система Agilent с системой впрыска JAS), оснащенный детектором теплопроводности. В петлевой дозатор ГХ непрерывно подавали газ из свободного пространство от электролизера. Аргон (10-20 мл минута-1) использовали в качестве газа-носителя для продувки реактора и петлевого дозатора ГХ. Таким образом, определяли количество газообразного водорода, образующегося во время электролиза, и рассчитывали эффективность по Фарадею, коррелируя измеренное количество, полученное из протекающего заряда во время экспериментов с СРС, с максимально теоретически возможным количеством.To evaluate the stability of the materials according to the examples, the electrodes were kept at a constant potential (experiments with CPC) for a long period of time (at least 12 hours). The electrodes were evaluated at 0.5 M H 2 SO 4 at a constant potential of -0.71 V compared to RHE. In addition, gas samples were taken from free space at the same time. For this, a gas chromatograph (GC; Agilent system with JAS injection system) equipped with a thermal conductivity detector was connected to the electrochemical cell. The GC loop dispenser was continuously supplied with gas from the headspace of the cell. Argon (10-20 ml min -1 ) was used as carrier gas to purge the reactor and the GC dosing loop. Thus, the amount of hydrogen gas generated during electrolysis was determined, and the Faraday efficiency was calculated by correlating the measured amount obtained from the flowing charge during the CPC experiments with the maximum theoretically possible amount.

Стартстопные характеристикиStart-stop characteristics

При работе с возобновляемыми источниками энергии возможность запускать и останавливать электрохимический процесс имеет первостепенное значение. Таким образом, исследовали стартстопные свойства пентландитовых электродов. Для этой цели раскрываемые выше длительные эксперименты (см. тестирование стабильности) с пониженным перенапряжением (-350 мВ по сравнению с RHE или -304 мВ по сравнению с RHE) выполняли с определенными перерывами (таблица 2). Затем измерения автоматически возобновляли при идентичных условиях. Измерения на пентландитовых электродах стандартно сравнивали с платиновым электродом того же диаметра.When working with renewable energy sources, the ability to start and stop an electrochemical process is of paramount importance. Thus, the start-stop properties of pentlandite electrodes were investigated. For this purpose, the long-term experiments described above (see stability testing) with reduced overvoltage (-350 mV compared to RHE or -304 mV compared to RHE) were performed intermittently (Table 2). Then the measurements were automatically resumed under identical conditions. Measurements on pentlandite electrodes were standardly compared with a platinum electrode of the same diameter.

Эксперименты по отравлениюPoison experiments

Поскольку отравление малыми молекулами (например, H2S) делает многие катализаторы неприменимыми или требует тщательной очистки исходных материалов, авторы настоящего изобретения исследовали применимость пентландитов в качестве стабильных электрокатализаторов также в присутствии обычных катализаторных ядов. Таким образом, длительные эксперименты (см. приведенную выше экспериментальную процедуру «Испытание стабильности и газовый анализ») проводили в присутствии H2S. Для этого электролит постоянно продували H2S, а общее давление поддерживали на уровне 1,5 бар.Because poisoning with small molecules (eg H 2 S) renders many catalysts unusable or requires extensive purification of the starting materials, the inventors of the present invention investigated the utility of pentlandites as stable electrocatalysts also in the presence of conventional catalyst poisons. Thus, long-term experiments (see above experimental procedure "Stability test and gas analysis") were carried out in the presence of H 2 S. For this, the electrolyte was constantly purged with H 2 S, and the total pressure was maintained at 1.5 bar.

ХарактеристикаCharacteristic

Композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, частично характеризовали применительно к XRD (от англ. - X-ray diffraction -рентгеновская дифракция), DSC (от англ. - differential scanning calorimetry -дифференциальная сканирующая калориметрия), ICP-OES (от англ. - inductively coupled plasma optical emission spectrometry - оптическая эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой) и SEM-EDX (от англ. - scanning electron microscopy-electron dispersive X-ray spectroscopy - сканирующая электронная микроскопия с электронно-дисперсионной рентгеновской спектроскопией).The compositions used in accordance with the present invention have been partially characterized in relation to XRD (from English - X-ray diffraction - X-ray diffraction), DSC (from English - differential scanning calorimetry - differential scanning calorimetry), ICP-OES (from English - inductively coupled plasma optical emission spectrometry - optical emission spectrometry with inductively coupled plasma) and SEM- EDX (from English - scanning electron microscopy-electron dispersive X-ray spectroscopy - scanning electron microscopy with electron dispersive X-ray spectroscopy).

Сканирующий электронный микроскоп (SEM (от англ. - scanning electron microscope)) LEO (Zeiss) 1530 Gemini FESEM работал при напряжении 20 кВ (SEM) и 4,4 кВ (электронно-дисперсионная рентгеновская спектроскопия, EDX (от англ. - electron dispersive X-ray spectroscopy)).Scanning electron microscope (SEM (from English - scanning electron microscope)) LEO (Zeiss) 1530 Gemini FESEM operated at a voltage of 20 kV (SEM) and 4.4 kV (electron dispersive X-ray spectroscopy, EDX (from English - electron dispersive X-ray spectroscopy)).

Порошковую рентгеновскую дифракцию (PXRD (от англ. - powder X-ray diffraction)) выполняли с использованием дифрактометра от компании HUBER с излучением Мо-Kα (0,709 А) и Bruker Advance D8 с излучением Cu-Kα (0,154 А) при сканировании в диапазоне углов 3-50° с размером шага 0,037 с. Все позиции отражения преобразовывали из излучения Мо в излучение Cu по закону Брэгга.Powder X-ray diffraction (PXRD) was performed using a diffractometer from HUBER with Mo-Kα radiation (0.709 A) and a Bruker Advance D8 with Cu-Kα radiation (0.154 A) while scanning in the angle range of 3-50° with a step size of 0.037 s. All reflection positions were converted from Mo radiation to Cu radiation according to the Bragg law.

Состав Fe и Ni для всех различных образцов определяли с помощью оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES) с Thermo Scientific iCAP 6500 Duo, оснащенным автоматическим пробоотборником СЕТАС ASX 520. Сбор данных осуществляли на iTEVA. Калибровочные кривые строили по дважды деионизированной воде (ddw (от англ. - double deionized water)) с 3 об.% азотной кислоты в диапазоне 5000-100 частей на миллиард (6 точек). Стандарты и образцы готовили свежими в ddw с 3 об.% азотной кислоты, не содержащей металлов. Показания регистрировали в безгазовом режиме. Образцы (1 мг) разбавляли 3 мл царской водки, не содержащей металлов, помещали в 55-мл сосуды из TFM (от англ. - modified polytetrafluoroethylene - модифицированный политетрафторэтилен) и разлагали в микроволновой печи СЕМ Mars Xpress (160°С, скорость изменения 15 минут, выдержка 15 минут). Затем разлагаемые смеси разбавляли до 10 мл, добавляя дважды деионизированную воду.The composition of Fe and Ni for all different samples was determined by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) with a Thermo Scientific iCAP 6500 Duo equipped with a CETAC ASX 520 autosampler. Data collection was performed on iTEVA. Calibration curves were built on double deionized water (ddw (from English - double deionized water)) with 3 vol.% nitric acid in the range of 5000-100 parts per billion (6 points). Standards and samples were prepared fresh in ddw with 3 vol% metal-free nitric acid. Readings were recorded in gasless mode. Samples (1 mg) were diluted with 3 ml of metal-free aqua regia, placed in 55 ml TFM (modified polytetrafluoroethylene) vials, and digested in a CEM Mars Xpress microwave oven (160° C., change rate 15 minutes, exposure 15 minutes). The digestible mixtures were then diluted to 10 ml by adding doubly deionized water.

Материалы исследовали с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) с использованием NETZSCH STA 449 F3 Jupiter. Приблизительно 50 мг образца помещали в закрытый корундовый тигль и обрабатывали при температуре от комнатной до 1000°С и наоборот при 10 К минута-1 в непрерывном потоке газообразного N2.The materials were examined by differential scanning calorimetry (DSC) using a NETZSCH STA 449 F3 Jupiter. Approximately 50 mg of the sample was placed in a closed corundum crucible and treated at room temperature to 1000° C. and vice versa at 10 K min -1 in a continuous flow of gaseous N 2 .

Электрохимическая ячейкаElectrochemical cell

Большинство частей ячейки изготовлены специально, если не указано иное, и поясняются далее со ссылкой на фигуру 8, на которой показано поперечное сечение ячейки. Специально изготовленная электрохимическая ячейка 1 состоит из двух стеклянных отсеков 2, 3. В правом отсеке 3 находятся рабочий электрод 32 и эталонный электрод (36). В левом отсеке 2 находится противоэлектрод 24. Ячейка 1 оснащена специально созданным держателем 4 алюминиевой мембраны, необязательно обернутым лентой из политетрофторэтилена ПТФЭ (обычной герметизирующей лентой), соединяющей части. Держатель 4 мембраны фиксирует мембрану 5 (Fumatech FUMASEP F 10100), отделяющую катод от анодного пространства, двумя резиновыми кольцами 6 (18×5 мм). Держатель 4 мембраны размещается между стеклянными фланцами отсеков 2, 3 ячейки, а алюминиевое удерживающее устройство (трехточечный фиксатор NeoLab KF16) фиксирует все на месте. Отсеки 2, 3 электрохимической ячейки 1 можно термически обрабатывать с помощью жидкостного рециркуляционного охладителя или нагревателя. Специально изготовленные вставки 21, 31 держателя электродов для отсеков ячейки выполнены из полимера полиарилэфирэфиркетон ПЭЭК и имеют просверленные отверстия для размещения электродов 24, 32, 36 и датчика температуры (необязательно) в электролите. Специально изготовленные винты 23, 33 из ПЭЭК и компрессионные кольца (не показаны) служат для фиксирования электродов 24, 32, 36 и необязательных датчиков температуры на месте. Для необязательных устройств 22, 34 продувки газом выполнены дополнительные просверленные отверстия. Вставки крышки фиксируются на месте крышками 25, 35 GL45 SCHOTT с нарезками (соединительные системы Duran).Most parts of the cell are custom made, unless otherwise noted, and are explained below with reference to Figure 8, which shows a cross section of the cell. The specially made electrochemical cell 1 consists of two glass compartments 2, 3. The working electrode 32 and the reference electrode (36) are located in the right compartment 3. The left compartment 2 houses the counter electrode 24. The cell 1 is equipped with a specially designed aluminum membrane holder 4, optionally wrapped with PTFE tape (conventional sealing tape) connecting the parts. The membrane holder 4 fixes the membrane 5 (Fumatech FUMASEP F 10100) separating the cathode from the anode space with two rubber rings 6 (18×5 mm). Membrane holder 4 is placed between the glass flanges of cells 2, 3, and an aluminum retainer (NeoLab KF16 three-point lock) locks everything in place. Compartments 2, 3 of the electrochemical cell 1 can be thermally treated with a liquid recirculating cooler or heater. Specially made inserts 21, 31 of the electrode holder for the cell compartments are made of PEEK polymer and have drilled holes to accommodate the electrodes 24, 32, 36 and the temperature sensor (optional) in the electrolyte. Specially made PEEK screws 23, 33 and compression rings (not shown) serve to lock the electrodes 24, 32, 36 and optional temperature sensors in place. Additional drilled holes are provided for the optional gas purge devices 22, 34. Lid inserts are locked in place with 25, 35 GL45 SCHOTT threaded lids (Duran connection systems).

Результаты ПеренапряжениеResults Overvoltage

В таблице 3 кратко характеризуются потенциалы, измеряемые с композициями, используемыми в соответствии с настоящим изобретением и сравнительными примерами. Отрицательные значения являются результатом того, что потенциал измеряли относительно обратимого водородного электрода.Table 3 briefly characterizes the potentials measured with the compositions used in accordance with the present invention and comparative examples. The negative values are the result of the potential being measured relative to a reversible hydrogen electrode.

В таблице 3 показано, что композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют более высокое перенапряжение по сравнению с катализаторами на основе платины, но, что удивительно, преимущественно они демонстрируют более низкое перенапряжение для HER по сравнению с другим известным из уровня техники катализатором (сравнительный пример 1).Table 3 shows that the compositions used in accordance with the present invention show a higher overvoltage compared to platinum-based catalysts, but, surprisingly, they predominantly show a lower overvoltage for HER compared to another prior art catalyst (Comparative Example 1).

На фигурах 1А - 1Е представлены диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, полученные в диапазоне сканирования от 0 до -0,65 В по сравнению с RHE в 0,5 М серной кислоты при комнатной температуре. По оси X показан потенциал в В, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.Figures 1A-1E show linear swept voltammetry plots obtained over a scan range of 0 to -0.65 V compared to RHE in 0.5 M sulfuric acid at room temperature. The X-axis shows the potential in V and the Y-axis shows the current density in mA cm -2 .

Фиг. 1А: пример 1 (сплошная линия), сравнительный пример 1 (штриховая линия), сравнительный пример 2 (пунктирная линия), сравнительный пример 3 (штрихпунктирная линия), сравнительный пример 4 (штрих-дважды пунктирная линия), сравнительный пример 5 (короткопунктирная линия) и сравнительный пример 6 (короткопунктирная линия).Fig. 1A: Example 1 (solid line), Comparative Example 1 (dashed line), Comparative Example 2 (dashed line), Comparative Example 3 (dash-dotted line), Comparative Example 4 (dash-double-dotted line), Comparative Example 5 (short-dotted line), and Comparative Example 6 (short-dotted line).

Фиг. 1В: пример 1 (сплошная линия), пример 3 (пунктирная линия), пример 4 (штрихпунктирная линия) и сравнительный пример 6 (короткопунктирная линия).Fig. 1B: Example 1 (solid line), Example 3 (dashed line), Example 4 (dash-dotted line), and Comparative Example 6 (short-dotted line).

Фиг. 1С: пример 1 (сплошная линия), пример 5 (штрих-дважды пунктирная линия), пример 6 (короткопунктирная линия) и сравнительный пример 6 (короткопунктирная линия).Fig. 1C: Example 1 (solid line), Example 5 (dash-doubly dashed line), Example 6 (short dashed line), and Comparative Example 6 (short dashed line).

Фиг. 1D: пример 1 (сплошная линия), пример 11 (штриховая линия), пример 12/13 (пунктирная линия), пример 14 (штрихпунктирная линия) и сравнительный пример 6 (короткопунктирная линия).Fig. 1D: Example 1 (solid line), Example 11 (dashed line), Example 12/13 (dashed line), Example 14 (dash-dotted line) and Comparative example 6 (short-dotted line).

Фиг. 1Е: пример 1 (сплошная линия), пример 7 (штриховая линия), сравнительный пример 1 (короткопунктирная линия) и сравнительный пример 6 (короткопунктирная линия).Fig. 1E: Example 1 (solid line), Example 7 (dashed line), Comparative Example 1 (short dashed line), and Comparative Example 6 (short dashed line).

Плотности тока после нескольких часов электролизаCurrent densities after several hours of electrolysis

Композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют более высокое перенапряжение для HER по сравнению с катализаторами на основе платины, но, что удивительно, они демонстрируют более высокие плотности тока, чем материалы на основе платины, после нескольких часов электролиза. При более высоких плотностях тока можно получать большее количество водорода с количественной эффективностью Фарадея. Следовательно, промышленное получение водорода с использованием этих композиций более эффективно и более дешевое, чем с коммерческими катализаторами.The compositions used in accordance with the present invention show a higher overvoltage for HER compared to platinum based catalysts, but surprisingly they show higher current densities than platinum based materials after several hours of electrolysis. At higher current densities, more hydrogen can be produced at Faraday's quantitative efficiency. Therefore, industrial production of hydrogen using these compositions is more efficient and cheaper than with commercial catalysts.

На фигуре 2 показаны результаты измерений кулонометрии с управляемым потенциалом при -0,5 В по сравнению с RHE при 20°С и 60°С для электродов на основе Pt (сравнительный пример 6) и Fe3Co3Ni3S8 (пример 1) в течение 20 часов. Показаны кривые примера 1 при 20°С (шашка) и при 60°С (квадрат), а также сравнительного примера 6 при 20°С (треугольник) и 60°С (кружок).Figure 2 shows the results of voltage controlled coulometry measurements at -0.5 V compared to RHE at 20°C and 60°C for electrodes based on Pt (comparative example 6) and Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 (example 1) for 20 hours. Shown are the curves of example 1 at 20°C (checker) and at 60°C (square), as well as comparative example 6 at 20°C (triangle) and 60°C (circle).

По оси X показано время в часах, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.The X-axis shows the time in hours and the Y-axis shows the current density in mA cm -2 .

Уровень активности при получении водородаThe level of activity in the production of hydrogen

Известные из уровня техники материалы теряют значительную активность во время использования по сравнению с их свежим состоянием. Удивительно, что электроды, полученные из композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением, не теряют значительной активности во время получения водорода, как показано на фигуре 3.Prior art materials lose significant potency during use compared to their fresh state. Surprisingly, the electrodes obtained from the compositions used in accordance with the present invention do not lose significant activity during the production of hydrogen, as shown in figure 3.

На фигуре 3 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой при 20°С (А) и 60°С (В) до и после 20-часового электролиза для платины (сравнительный пример 6) и Fe3Co3Ni3S8 (пример 1).Figure 3 shows linear sweep voltammetry charts performed at 20°C (A) and 60°C (B) before and after a 20 hour electrolysis for platinum (comparative example 6) and Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 (example 1).

Фигура 3А: пример 1 до (сплошная линия) и после (штрихпунктирная линия) и сравнительный пример 6 до (штриховая линия) и после (пунктирная линия) электролиза при 20°С.Figure 3A: example 1 before (solid line) and after (dash-dotted line) and comparative example 6 before (dashed line) and after (dotted line) electrolysis at 20°C.

Фигура 3 В: пример 1 до (сплошная линия) и после (штрихпунктирная линия) и сравнительный пример 6 до (штриховая линия) и после (пунктирная линия) электролиза при 60°С.Figure 3B: example 1 before (solid line) and after (dash-dotted line) and comparative example 6 before (dashed line) and after (dotted line) electrolysis at 60°C.

По оси X в каждом случае показан потенциал в В, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.The X-axis in each case shows the potential in V, and the Y-axis shows the current density in mA cm -2 .

Стартстопная характеристикаStart-stop characteristic

Стартстопная характеристика - по сравнению со сравнительным примером 6Start-stop characteristic - compared with comparative example 6

Удивительно то, что электроды, полученные из композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением, обладают значительно лучшими стартстопными характеристиками, чем платиновые электроды, о чем свидетельствуют фигуры 4 и 9. Тогда как плотность тока платины снижается до менее чем 20% от ее начальной плотности тока, композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, могут сохранять значительно большее значение своих исходных плотностей тока. Благодаря этим улучшенным стартстопным характеристикам можно в полной мере использовать максимумы возобновляемых источников энергии (например, ветра или фотоэлектрической системы) для устойчивого получения водорода.Surprisingly, the electrodes made from the compositions used in accordance with the present invention have significantly better start-stop characteristics than platinum electrodes, as evidenced by figures 4 and 9. While the current density of platinum is reduced to less than 20% of its initial current density, the compositions used in accordance with the present invention can maintain a significantly higher value of their original current densities. Thanks to these improved start-stop characteristics, it is possible to take full advantage of the peaks of renewable energy sources (eg wind or photovoltaic) for sustainable hydrogen production.

На фигуре 4 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в стартстопном режиме, измеряемая при 60°С и -304 мВ по сравнению с RHE на протяжении 72 часов для Fe3Co3Ni3S8 (пример 1, квадрат) и платины (сравнительный пример 6, шашка).Figure 4 shows start-stop potential controlled coulometry measured at 60° C. and -304 mV compared to RHE over 72 hours for Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 (example 1, square) and platinum (comparative example 6, checker).

По оси X показано время в часах, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.The X-axis shows the time in hours and the Y-axis shows the current density in mA cm -2 .

На фигуре 9А также показана кулонометрия с управляемым потенциалом в стартстопном режиме для Fe3Co3Ni3S8 (пример 1, квадрат) и платины (сравнительный пример 6, шашка), однако измеренная при 60°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 72 часов. Плотности тока в примере 1 и сравнительном примере 6 на фигуре 4 являются более низкими по сравнению с полученными плотностями тока с теми же катализаторами на фигуре 9А. Эти различия возникают из-за более низкого потенциала, приложенного при измерении на фигуре 4 (-304 мВ) по сравнению с фигурами 9А - 9Е (-350 мВ). Тем не менее, на обеих фигурах (фиг. 4 и 9А) показано, что стартстопная характеристика в примере 1 превосходит таковую в сравнительном примере 6.Figure 9A also shows start-stop controlled potential coulometry for Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 (example 1, square) and platinum (comparative example 6, checker), however measured at 60° C. and -350 mV compared to RHE over 72 hours. The current densities in Example 1 and Comparative Example 6 in Figure 4 are lower than those obtained with the same catalysts in Figure 9A. These differences arise from the lower potential applied in the measurement in Figure 4 (-304 mV) compared to Figures 9A - 9E (-350 mV). However, both figures (FIGS. 4 and 9A) show that the start-stop response in Example 1 is superior to that of Comparative Example 6.

На фигурах 9В - 9Е показана кулонометрия с управляемым потенциалом в стартстопном режиме, измеряемая при 60°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 72 часов. При измерении с одним и тем же набором параметров результаты, показанные на фигурах 9А и 9В - 9Е, могут быть сравнимы друг с другом.Figures 9B - 9E show start-stop controlled potential coulometry measured at 60° C. and -350 mV compared to RHE over 72 hours. When measured with the same set of parameters, the results shown in figures 9A and 9B-9E can be compared with each other.

Фигура 9В: пример 2 (квадрат) и сравнительный пример 6 (шашка).Figure 9B: example 2 (square) and comparative example 6 (checker).

Фигура 9С: пример 4 (квадрат) и сравнительный пример 6 (шашка).Figure 9C: example 4 (square) and comparative example 6 (checker).

Фигура 9D: пример 6 (квадрат) и сравнительный пример 6 (шашка).Figure 9D: Example 6 (square) and Comparative Example 6 (checker).

Фигура 9Е: пример 7 (квадрат) и сравнительный пример 6 (шашка).Figure 9E: example 7 (square) and comparative example 6 (checker).

По оси X показано время в часах, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.The X-axis shows the time in hours and the Y-axis shows the current density in mA cm -2 .

Стартстопная характеристика - по сравнению со сравнительным примером 1Start-stop characteristic - compared with comparative example 1

Удивительно то, что электроды, полученные из композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением, также обладают схожими или даже лучшими стартстопными характеристиками, чем электроды из других известных из уровня техники композиций, а именно Fe4,5Ni4,5S8 (сравнительный пример 1), как представлено на фигуре 17. Композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, могут сохранять такое же или даже большее значение своих исходных плотностей тока по сравнению с композицией сравнительного примера 1, особенно после нескольких циклов старт/стоп. Благодаря этим улучшенным стартстопным характеристикам можно в полной мере использовать максимумы возобновляемых источников энергии (например, ветра или фотоэлектрической системы) для устойчивого получения водорода.Surprisingly, the electrodes obtained from the compositions used in accordance with the present invention also have similar or even better start-stop characteristics than electrodes from other prior art compositions, namely Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 (comparative example 1), as shown in figure 17. The compositions used in accordance with the present invention can maintain the same or even greater value of their initial current densities compared to the composition of comparative example 1, especially after several start/stop cycles. Thanks to these improved start-stop characteristics, it is possible to take full advantage of the peaks of renewable energy sources (eg wind or photovoltaic) for sustainable hydrogen production.

На фигурах 17А - 17D показана кулонометрия с управляемым потенциалом в стартстопном режиме, измеряемая при 60°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 72 часов.Figures 17A-17D show start-stop controlled potential coulometry measured at 60° C. and -350 mV compared to RHE over 72 hours.

Фигура 17А: пример 1 (квадрат) и сравнительный пример 1 (шашка).Figure 17A: Example 1 (square) and Comparative Example 1 (checker).

Фигура 17В: пример 2 (квадрат) и сравнительный пример 1 (шашка).Figure 17B: example 2 (square) and comparative example 1 (checker).

Фигура 17С: пример 4 (квадрат) и сравнительный пример 1 (шашка).Figure 17C: example 4 (square) and comparative example 1 (checker).

Фигура 17D: пример 7 (квадрат) и сравнительный пример 1 (шашка).Figure 17D: Example 7 (square) and Comparative Example 1 (checker).

По оси X показано время в часах, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.The X-axis shows the time in hours and the Y-axis shows the current density in mA cm -2 .

Стабильность в отношении отравления серойStability against sulfur poisoning

Стабильность в отношении отравления серой - по сравнению со сравнительным примером 6Stability against sulfur poisoning - compared with comparative example 6

Следующим преимуществом композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением, является стабильность в отношении отравления серой (фигуры 5, 6 и 10-16). Тогда как платина очень чувствительна к соединениям серы и теряет активность, композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют почти такую же или даже более высокую (например, фиг. 10 и 12) активность при обработке соединениями серы. Следующий эффект соединений серы заключается в том, что отравление платиновых электродов является необратимым эффектом, в то время как на композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, соединения серы оказывают обратимое действие. Следовательно, необходима очень чистая вода в качестве исходных материала для электролизеров РЕМ с платиной в качестве электрокатализатора для HER, в то время как с композициями, используемыми в соответствии с настоящим изобретением, можно использовать различные источники воды.A further advantage of the compositions used in accordance with the present invention is the stability against sulfur poisoning (figures 5, 6 and 10-16). While platinum is very sensitive to sulfur compounds and loses activity, the compositions used in accordance with the present invention show almost the same or even higher (eg, Fig. 10 and 12) activity when treated with sulfur compounds. A further effect of the sulfur compounds is that the poisoning of the platinum electrodes is irreversible, while the sulfur compounds have a reversible effect on the compositions used in accordance with the present invention. Therefore, very pure water is needed as a feedstock for PEM electrolyzers with platinum as an electrocatalyst for HER, while different sources of water can be used with the compositions used in accordance with the present invention.

На фигурах 5, 10, 12 и 14 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S, измеряемая при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 20 часов.Figures 5, 10, 12 and 14 show controlled potential coulometry in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE over 20 hours.

Фигура 5: кривые примера 1 без присутствия (квадрат) и в присутствии (шашка) H2S, а также сравнительного примера 6 без присутствия (кружок) и в присутствии (треугольник) H2S.Figure 5: Curves of Example 1 without (square) and with (checker) H 2 S, and Comparative Example 6 without (circle) and with (triangle) H 2 S.

Фигура 10: кривые примера 2 без присутствия (квадрат) и в присутствии (шашка) H2S, а также сравнительного примера 6 без присутствия (кружок) и в присутствии (треугольник) H2S.Figure 10: Curves of Example 2 without (square) and with (checker) H 2 S, and Comparative Example 6 without (circle) and with (triangle) H 2 S.

Фигура 12: кривые примера 4 без присутствия (квадрат) и в присутствии (шашка) H2S, а также сравнительного примера 6 без присутствия (кружок) и в присутствии (треугольник) H2S.Figure 12: Curves of Example 4 without (square) and with (checker) H 2 S, and Comparative Example 6 without (circle) and with (triangle) H 2 S.

Фигура 14: кривые примера 6 без присутствия (квадрат) и в присутствии (шашка) H2S, а также сравнительного примера 6 без присутствия (кружок) и в присутствии (треугольник) H2S.Figure 14: Curves of Example 6 without (square) and with (checker) H 2 S, and Comparative Example 6 without (circle) and with (triangle) H 2 S.

По оси X показано время в часах, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.The X-axis shows the time in hours and the Y-axis shows the current density in mA cm -2 .

На фигурах 6, 11, 13, 15 и 16 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.Figures 6, 11, 13, 15 and 16 show linear sweep voltammetry charts performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after 20 hours of electrolysis.

Фигура 6А: кривые примера 1 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 1 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 6A: curves of example 1 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 1 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dashed line) electrolysis.

Фигура 6В: кривые сравнительного примера 6 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми сравнительного примера 6 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 6B: curves of comparative example 6 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of comparative example 6 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dash-dotted line) electrolysis.

Фигура 11: кривые примера 2 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 2 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 11: curves of example 2 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 2 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dash-dotted line) electrolysis.

Фигура 13: кривые примера 4 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 4 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 13: curves of example 4 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 4 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dash-dotted line) electrolysis.

Фигура 15: кривые примера 6 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 6 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 15: curves of example 6 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 6 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dash-dotted line) electrolysis.

Фигура 16: кривые примера 7 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 7 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 16: curves of example 7 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 7 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dash-dotted line) electrolysis.

По оси X в каждом случае показан потенциал в В, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.The X-axis in each case shows the potential in V, and the Y-axis shows the current density in mA cm -2 .

Стабильность в отношении отравления серой - по сравнению со сравнительным примером 1Stability against sulfur poisoning - compared with comparative example 1

Стабильность в отношении отравления серой композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением, далее сравнивают с другим известным из уровня техники электродной композицией, а именно Fe45Ni4,5S8 (сравнительный пример 1) (фигуры 18-25). Композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют сопоставимую или даже лучшую активность при обработке соединениями серы по сравнению со сравнительным примером 1.The stability against sulfur poisoning of the compositions used in accordance with the present invention is further compared with another prior art electrode composition, namely Fe 45 Ni 4.5 S 8 (Comparative Example 1) (Figures 18-25). The compositions used in accordance with the present invention show comparable or even better activity when treated with sulfur compounds compared to comparative example 1.

На фигурах 18, 20 и 22 показана кулонометрия с управляемым потенциалом в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S, измеряемая при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE на протяжении 20 часов.Figures 18, 20 and 22 show controlled potential coulometry with and without H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE over 20 hours.

Фигура 18: кривые примера 1 без присутствия (квадрат) и в присутствии (шашка) H2S, а также сравнительного примера 1 без присутствия (кружок) и в присутствии (треугольник) H2S.Figure 18: Curves of Example 1 without (square) and with (checker) H 2 S, and Comparative Example 1 without (circle) and with (triangle) H 2 S.

Фигура 20: кривые примера 2 без присутствия (квадрат) и в присутствии (шашка) H2S, а также сравнительного примера 1 без присутствия (кружок) и в присутствии (треугольник) H2S.Figure 20: Curves of Example 2 without (square) and with (checker) H 2 S, and Comparative Example 1 without (circle) and with (triangle) H 2 S.

Фигура 22: кривые примера 4 без присутствия (квадрат) и в присутствии (шашка) H2S, а также сравнительного примера 1 без присутствия (кружок) и в присутствии (треугольник) H2S.Figure 22: Curves of Example 4 without (square) and with (checker) H 2 S, and Comparative Example 1 without (circle) and with (triangle) H 2 S.

По оси X показано время в часах, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.The x-axis shows the time in hours and the y-axis shows the current density in mA cm -2 .

На фигурах 19, 21, 23, 24 и 25 показаны диаграммы вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала, выполняемой в присутствии и в отсутствие катализаторного яда H2S с измерением при 20°С и -350 мВ по сравнению с RHE до и после 20-часового электролиза.Figures 19, 21, 23, 24 and 25 show linear swept voltammetry charts performed in the presence and absence of H 2 S catalyst poison measured at 20° C. and -350 mV compared to RHE before and after a 20 hour electrolysis.

Фигура 19А: кривые примера 1 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 1 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 19A: curves of example 1 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 1 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dashed line) electrolysis.

Фигура 19 В: кривые сравнительного примера 1 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми сравнительного примера 1 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 19B: Comparative example 1 curves in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to curves of comparative example 1 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dash-dotted line) electrolysis.

Фигура 21: кривые примера 2 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 2 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 21: curves of example 2 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 2 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dashed line) electrolysis.

Фигура 23: кривые примера 4 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 4 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 23: curves of example 4 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 4 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dash-dotted line) electrolysis.

Фигура 24: кривые примера 6 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 6 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 24: curves of example 6 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 6 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dash-dotted line) electrolysis.

Фигура 25: кривые примера 7 в отсутствие H2S до (сплошная линия) и после (штриховая линия) электролиза рядом с кривыми примера 7 в присутствии H2S до (пунктирная линия) и после (штрихпунктирная линия) электролиза.Figure 25: curves of example 7 in the absence of H 2 S before (solid line) and after (dashed line) electrolysis next to the curves of example 7 in the presence of H 2 S before (dashed line) and after (dashed line) electrolysis.

По оси X в каждом случае показан потенциал в В, а по оси Y показана плотность тока в мА см-2.The X-axis in each case shows the potential in V, and the Y-axis shows the current density in mA cm -2 .

Порошковая рентгенограмма (паттерны дифракции)Powder X-ray (diffraction patterns)

На фигуре 7 показана порошковая рентгенограмма (паттерны дифракции, (излучение Cu-Kα)) композиций, используемых в соответствии с настоящим изобретением и сравнительными примерами.Figure 7 shows powder x-ray (diffraction patterns, (Cu-Kα radiation)) compositions used in accordance with the present invention and comparative examples.

Фиг. 7А: паттерны примера 1 (квадрат), сравнительного примера 1 (треугольник), сравнительного примера 2 (кружок), сравнительного примера 3 (шашка), сравнительного примера 4 (незаштрихованный квадрат) и сравнительного примера 5 (незаштрихованный кружок).Fig. 7A: Patterns of Example 1 (square), Comparative Example 1 (triangle), Comparative Example 2 (circle), Comparative Example 3 (checker), Comparative Example 4 (open square), and Comparative Example 5 (open circle).

Фигура 7В: пример 1 (квадрат), пример 3 (кружок) и пример 4 (шашка).Figure 7B: example 1 (square), example 3 (circle) and example 4 (checker).

Фигура 7С: пример 1 (квадрат), пример 5 (треугольник) и пример 6 (кружок).Figure 7C: example 1 (square), example 5 (triangle) and example 6 (circle).

Фигура 7D: пример 1 (квадрат), пример 11 (треугольник), примеры 12/13 (кружок) и пример 14 (шашка).Figure 7D: example 1 (square), example 11 (triangle), examples 12/13 (circle) and example 14 (checker).

Фигура 7Е: пример 1 (квадрат) и пример 7 (треугольник).Figure 7E: example 1 (square) and example 7 (triangle).

По осям X в каждом случае показаны углы в°, а по осям Y - интенсивность в безразмерных величинах.The x-axes in each case show the angles in °, and along the Y axes - the intensity in dimensionless quantities.

Из фиг. 7А видно, что композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением (например, в примере 1, квадрат), демонстрирую паттерн XRD, очень похожий на таковой немодифицированного пентландита (сравнительный пример 1, треугольник).From FIG. 7A shows that the compositions used in accordance with the present invention (eg in example 1, square) exhibit an XRD pattern very similar to that of unmodified pentlandite (comparative example 1, triangle).

Удивительно, что композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, работают в широкой области рН от 0 до 14 при приложении повышенных потенциалов, тогда как другие сульфидные композиции с железом, кобальтом или никелем не стабильны в такой широкой области рН. Пентландит как кристаллическая фаза, по-видимому, является причиной такой высокой стабильности.Surprisingly, the compositions used in accordance with the present invention operate over a wide pH range of 0 to 14 when applied at elevated potentials, while other iron, cobalt, or nickel sulfide compositions are not stable over such a wide pH range. Pentlandite as a crystalline phase seems to be the reason for such high stability.

Композиции, используемые в соответствии с настоящим изобретением, применимы сами по себе или в комбинации с электропроводящим материалом подложки (например, графеном) в качестве электрокатализатора для реакции выделения водорода в электролизере РЕМ.The compositions used in accordance with the present invention are useful alone or in combination with an electrically conductive substrate material (eg, graphene) as an electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction in a PEM electrolyzer.

Композиция, используемая в соответствии с настоящим изобретением, также может быть применима для получения водорода в электролизе в щелочной воде или с электролизерами высокого давления.The composition used in accordance with the present invention may also be applicable to the production of hydrogen by electrolysis in alkaline water or with high pressure electrolyzers.

Claims (30)

1. Применение композиции формулы1. Application of formula composition гдеWhere М обозначает один или более элементов, характеризующихся в ионном состоянии эффективным ионным радиусом в диапазоне от 70 до 92 пм,M denotes one or more elements characterized in the ionic state by an effective ionic radius in the range from 70 to 92 pm, а представляет собой число в диапазоне 2,5≤а≤3,5, более предпочтительно 2,7≤а≤3,3,a is a number in the range 2.5≤a≤3.5, more preferably 2.7≤a≤3.3, b представляет собой число в диапазоне 1,5≤b≤5,0, более предпочтительно 1,5≤b≤4,0, наиболее предпочтительно 2,5≤b≤3,5,b is a number in the range 1.5≤b≤5.0, more preferably 1.5≤b≤4.0, most preferably 2.5≤b≤3.5, с представляет собой число в диапазоне 0,0≤с≤2,0, более предпочтительно 0,0≤с≤1,0,c is a number in the range 0.0≤c≤2.0, more preferably 0.0≤c≤1.0, d представляет собой число в диапазоне 0,0≤d≤4,0, более предпочтительно 0,0≤d≤1,0,d is a number in the range 0.0≤d≤4.0, more preferably 0.0≤d≤1.0, где сумма a, b и с находится в диапазоне 5≤а+b+с≤8,where the sum of a, b and c is in the range 5≤a+b+c≤8, и где ≥90 масс. % композиции находится в пентландитовой фазе, для электрокаталитического расщепления воды, предпочтительно для реакции выделения водорода.and where ≥90 wt. % of the composition is in the pentlandite phase, for electrocatalytic splitting of water, preferably for the hydrogen evolution reaction. 2. Применение по п. 1, где М не присутствует.2. Use according to claim 1, where M is not present. 3. Применение по п. 2, где композиция выбрана из группы, состоящей из3. Use according to claim 2, where the composition is selected from the group consisting of Fe3Ni3Co3S8,Fe 3 Ni 3 Co 3 S 8 , Fe1Co5Ni3S8,Fe 1 Co 5 Ni 3 S 8 , Fe2Co4Ni3S8,Fe 2 Co 4 Ni 3 S 8 , Fe4Co2Ni3S8,Fe 4 Co 2 Ni 3 S 8 , Fe3Ni3Co3S4Se4,Fe 3 Ni 3 Co 3 S 4 Se 4 , Fe3Ni3Co3S7SeFe 3 Ni 3 Co 3 S 7 Se и их смесей.and their mixtures. 4. Применение по п. 1, где М присутствует.4. Use according to claim 1, where M is present. 5. Применение по п. 4, где М выбран из группы, состоящей из Nb, Cu, Mn или Cr и их смесей, более предпочтительно из Mn, Cr и их смесей, наиболее предпочтительно из Cr.5. Use according to claim 4 wherein M is selected from the group consisting of Nb, Cu, Mn or Cr and mixtures thereof, more preferably Mn, Cr and mixtures thereof, most preferably Cr. 6. Применение по п. 5, где композиция выбрана из группы, состоящей из6. Use according to claim 5, where the composition is selected from the group consisting of CrFe2,5Co2,5Ni3S8,CrFe 2.5 Co 2.5 Ni 3 S 8 , MnFe2,5Co2,5Ni3S8,MnFe 2.5 Co 2.5 Ni 3 S 8 , Mn0,25Fe2,875Co2,875Ni3S8,Mn 0.25 Fe 2.875 Co 2.875 Ni 3 S 8 , NbFe2,5Co2,5Ni3S8 NbFe 2.5 Co 2.5 Ni 3 S 8 и их смесей.and their mixtures. 7. Применение по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что композиция характеризуется перенапряжением для реакции выделения водорода (HER) 328 мВ и меньше, предпочтительно 300 мВ и меньше, при плотности тока -10 мА/см2.7. Use according to any one of the preceding claims, characterized in that the composition is characterized by an overvoltage for the hydrogen evolution reaction (HER) of 328 mV or less, preferably 300 mV or less, at a current density of -10 mA/cm 2 . 8. Электрод, содержащий композицию формулы I, как определено в любом из предыдущих пунктов.8. An electrode containing a composition of formula I as defined in any of the preceding paragraphs. 9. Электрод по п. 8, отличающийся тем, что характеризуется перенапряжением для реакции выделения водорода (HER) 328 мВ и меньше при плотности тока -10 мА/см2.9. An electrode according to claim 8, characterized in that it is characterized by an overvoltage for the hydrogen evolution reaction (HER) of 328 mV or less at a current density of -10 mA/cm 2 .
RU2021124182A 2019-02-21 2020-02-21 Use of sulfide compositions RU2799965C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19158640.3 2019-02-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021124182A RU2021124182A (en) 2023-03-21
RU2799965C2 true RU2799965C2 (en) 2023-07-14

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487197C2 (en) * 2007-11-16 2013-07-10 Акцо Нобель Н.В. Electrode

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487197C2 (en) * 2007-11-16 2013-07-10 Акцо Нобель Н.В. Electrode

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ANONYMOUS: "PENTLANTIDE", MINERAL DATA PUBLISHING, 01.01.2001, PAGE 307, RETRIEVED FROM THE INTERNET: URL:http://www.handbookofmineralogy.org/pdfs/pentlandite.pdf. *
HELMUT SCHROCKE ET AL., MINERALOGIE: EIN LEHRBUCH AUF SYSTEMATISCHER GRUNDLAGE, *
KLEIN ET AL., CHEMICAL COMPOSITION OF PENTLANDITE OF ODP HOLES, *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cao et al. Phase exploration and identification of multinary transition-metal selenides as high-efficiency oxygen evolution electrocatalysts through combinatorial electrodeposition
Shi et al. Copper nanoparticle interspersed MoS 2 nanoflowers with enhanced efficiency for CO 2 electrochemical reduction to fuel
Eisa et al. Nickel nanorods over nickel foam as standalone anode for direct alkaline methanol and ethanol fuel cell
Dong et al. Scalable dealloying route to mesoporous ternary CoNiFe layered double hydroxides for efficient oxygen evolution
Lin et al. Cost-effective and environmentally friendly synthesis of 3D Ni 2 P from scrap nickel for highly efficient hydrogen evolution in both acidic and alkaline media
Yuan et al. Charge-transfer-promoted high oxygen evolution activity of Co@ Co9S8 core–shell nanochains
JP7397877B2 (en) Use of sulfide compositions
Zhao et al. An ambient temperature, CO 2-assisted solution processing of amorphous cobalt sulfide in a thiol/amine based quasi-ionic liquid for oxygen evolution catalysis
Qiu et al. Precise synthesis of Fe–N2 with N vacancies coordination for boosting electrochemical artificial N2 fixation
Zhu et al. Defect-rich MoS2 nanosheets vertically grown on graphene-protected Ni foams for high efficient electrocatalytic hydrogen evolution
Zhao et al. Uniquely confining Cu2S nanoparticles in graphitized carbon fibers for enhanced oxygen evolution reaction
CN112886024B (en) Preparation method of myrica cobalt nickel boron composite carbon material proton membrane fuel cell catalyst
Dileepkumar et al. Nanostructured NaFeS2 as a cost-effective and robust electrocatalyst for hydrogen and oxygen evolution with reduced overpotentials
Cao et al. Multi-vacancy Co 3 O 4 on nickel foam synthesized via a one-step hydrothermal method for high-efficiency electrocatalytic benzyl alcohol oxidation
Fang et al. A large scaled-up monocrystalline 3R MoS 2 electrocatalyst for efficient nitrogen reduction reactions
Wang et al. Ni (OH) 2 nanoparticles decorated on 1T phase MoS2 basal plane for efficient water splitting
Hegde et al. NiAg 0.4 3D porous nanoclusters with epitaxial interfaces exhibiting Pt like activity towards hydrogen evolution in alkaline medium
Samdani et al. Self-supported iron-doped nickel sulfide as efficient catalyst for electrochemical urea and hydrazine oxidation reactions
Shiravani et al. One-step synthesis of graphitic carbon-nitride doped with black-red phosphorus as a novel, efficient and free-metal bifunctional catalyst and its application for electrochemical overall water splitting
Yu et al. In-situ derived highly active NiS2 and MoS2 nanosheets on NiMoO4 microcuboids via controlled surface sulfidation for high-current-density hydrogen evolution reaction
Zhao et al. Ni3S2/MWCNTs/NF hybrid nanostructure as effective bifunctional electrocatalysts for urea electrolysis assisted hydrogen evolution
Briones-Martínez et al. Self-supported Ni 3 Se 2/Ni (OH) 2 and Ni 3 Se 2 on Ni-foam: nanostructured arrays for the hydrogen evolution reaction
RU2799965C2 (en) Use of sulfide compositions
Xu et al. An Fe-doped Co-oxide electrocatalyst synthesized through a post-modification method toward advanced water oxidation
Heath et al. The Enhancing Effect of α–FeOOH on Ni Surfaces Toward Electrolytic Water Splitting