水電解および他の電気化学技術のための組成物、電極、方法、およびシステム
水電解および他の電気化学的技術のための組成物、電極、システム、および／または方法が提供される。ある場合には、該組成物、電極、システム、および／または方法は、エネルギー貯蔵、特にエネルギー変換の領域において、および／または酸素、水素、および／または酸素含有種および／または水素含有種の生成のために使用できる電解のためである。いくつかの態様において、電解のための水は、電極の性能にほとんどまたは実質的な影響を有さない少なくとも１種の不純物および／または少なくとも１種の添加物を含む。いくつかの態様において、モリブデン、亜鉛、およびニッケルの具体的組成物が提供されこれらは（例えば、水素ガスを酸化および／または生成するための）触媒材料として使用できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、２００９年８月２７日出願のＥｓｓｗｅｉｎらの発明の名称”Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”の米国仮特許出願第６１／２３７、５０７号明細書、２００９年１２月４日出願のＲｅｅｃｅらの名称”Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”の米国仮特許出願第６１／２６６、８２６号明細書、２００９年１２月１１日出願のＥｓｓｗｅｉｎらの名称”Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”の米国仮特許出願第６１／２８５、８４４号明細書、２０１０年３月３日出願のＲｅｅｃｅらの名称”Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”の米国仮特許出願第６１／３１０、０８４号明細書、および２０１０年７月１６日出願のＲｅｅｃｅらの名称”Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、”の米国仮特許出願第６１／３６５、１０２号明細書（それぞれ参照により本明細書中に 取り込まれる。）の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、概して、水電解および他の電気化学的技術のための組成物、電極、方法、およびシステムに関する。ある場合には、本発明は、水素の生成または酸化に関する。
【背景技術】
【０００３】
水の電解、すなわち、水を酸素ガスおよび水素ガスに分離することは、酸素および／または水素ガスの生成だけでなく、エネルギー貯蔵においても非常に重要なプロセスである。水を水素ガスおよび酸素ガスに分離することで、エネルギーが消費され、そして水素および酸素ガスが再化合して水を生成する場合、エネルギーが開放される。
【０００４】
電解を介してエネルギーを貯蔵するために、Ｏ２およびＨ２への結合を再配置する「水分離」反応を媒介する材料が必要である。Ｏ２／Ｈ２ＯおよびＨ２Ｏ／Ｈ２半反応の標準還元電位は、式（１）および式（２）によって与えられる。
【０００５】
【数１】
【０００６】
この変換に効率的な材料として、この材料は、それぞれの半反応の熱力学的電位に近い電位で作用することが好ましく、この熱力学的電位は、式（１）および式（２）中の半電池電位、Ｅ°によって規定される。所与の活性を達成するのに必要であるＥ°に追加された電圧は、過電圧と呼ばれ、変換効率を制約し、そしてこれらの反応における過電圧を低下させるために多くの研究者により相当な努力が費やされてきている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水素は、炭素のないエネルギー貯蔵媒体として多くの利点を示し、すべての化学燃料の質量で、最も高いエネルギー密度を有し、そして水素は、再生可能エネルギーにより駆動された水の電解を介して持続可能な様式で容易に生成できる。しかし、水の電解による水素の概念的に簡素な生成にもかかわらず、水の電解に関連するエネルギー効率および資本コストにより、限定された商業的用途となっている。したがって多くの試みが、水素の電解生成の改善に向けられてきた。特に、水素の生成に使用される多くの電極は、添加物および／または不純物を含む水から水素ガスを生成させるためには、不安定および／または非効率である。
【０００８】
したがって、改善された方法、システム、および電極が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
いくつかの態様において、本組成物は、約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量の亜鉛、および約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量のニッケルを含むように提供される。
【００１０】
いくつかの態様において、水素ガスを酸化、および／または水素ガスを生成できる触媒材料が提供され、この触媒材料は、ニッケル、モリブデン、および亜鉛を含む。
【００１１】
いくつかの態様において、コバルトイオンおよび／またはニッケルイオンを含む第１の電極、ならびにリンおよび／またはホウ素を含むアニオン性種、ニッケルおよびモリブデンを含む第２の電極を含む、水素および／または酸素ガスを生成できるシステムが提供される。
【００１２】
いくつかの態様において、アニオン性種の存在下で、水素ガスを生成できる電極が提供され、この電極は、水素ガスを生成できるように選択された第１の種類の金属、アニオン性種と１０３未満の結合定数（ａｎ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を有するように選択された第２の種類の金属、および触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属を含む触媒材料を含み、このアニオン性種は、酸化物または水酸化物ではない。
【００１３】
いくつかの態様において、水素ガスを酸化できる電極が提供され、電極は、水素ガスを酸化できるように選択された第１の種類の金属、第２の種類の金属、および触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属を含む触媒材料を含む。
【００１４】
いくつかの態様において、水素および／または酸素ガスを生成できるシステムが提供され、このシステムは、水から水素の生成を触媒できるように選択された第１の種類の金属、第２の種類の金属、および触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属を含む触媒材料、ならびに光活性組成物を含む。
【００１５】
いくつかの態様において、水素ガスを生成する方法が提供され、この方法は少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物を含む水に、触媒材料を含む電極を曝す工程を含み、そして水のｐＨは約６〜約１０であり、そして水素ガスの生成を生じ、そして少なくとも約１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において約０．３Ｖ未満の過電圧の絶対値で水素が生成される。
【００１６】
いくつかの態様において、水素ガスを生成する方法が提供され、この方法は、少なくとも０．１Ｍの濃度の少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１ｐｐｍの濃度の少なくとも１種の不純物を含む水に、触媒材料を含む電極を曝す工程を含み、ここで水のｐＨは約６〜約１０であり、そして水素ガスの生成を生じ、ここで、電極の電流密度は、本質的に一定の電気化学的条件下で４時間の間にわたって約１０％超低下しない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
添付の図面と伴に考慮される場合、本発明の他の形態、態様、および特徴は、以下の詳細な記載から明らかになるであろう。添付の図は具体的に説明し、そして縮小されることを意図しない。明確さの目的のために、すべての図において必ずしもすべての構成部分にラベルが付いておらず、また具体的な説明は、本発明を当業者が理解できるために必要でなく、本発明のそれぞれの態様のすべての構成部分が示されているわけではない。参照により本明細書中に取り込まれたすべての特許出願および特許は、参照によりそれらの全てを取り込む。矛盾がある場合、定義を含む本明細書による。
【００１８】
【図１】図１は、電解装置の非限定の例を示す。
【図２】図２は、本発明の電気化学装置の非限定の例を示す。
【図３】図３は、ガス状態の水を用いる電解装置の非限定の例を具体的に示す。
【図４Ａ】図４Ａは、−２００ｍＶの過電圧で、Ａ）１．０Ｍ ＫＰｉを含む水中における、白金電極およびＮｉＭｏ合金含有電極のバルク電解を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、−２００ｍＶの過電圧で、Ｂ）１．０Ｍ ＫＢｉを含む水中における、白金電極およびＮｉＭｏ合金含有電極のバルク電解を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、Ａ）１．０Ｍ ＫＰｉを含む水中におけるバルク電解前および後の、ＮｉＭｏ合金含有電極のＴａｆｅｌプロットを示す。
【図５Ｂ】図５Ａは、Ｂ）１。０Ｍ ＫＢｉを含む水中におけるバルク電解前および後の、ＮｉＭｏ合金含有電極のＴａｆｅｌプロットを示す。
【図６Ａ】図６Ａは、（Ａ）１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２電解質における新たに調製されたＰｔ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎ、およびＮｉＭｏＣｄ水素発生触媒のＴａｆｅｌプロットを示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、（Ｂ）１Ｍ ＫＰｉ、ｐＨ７電解質における新たに調製されたＰｔ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎ、およびＮｉＭｏＣｄ水素発生触媒のＴａｆｅｌプロットを示す。
【図７Ａ】図７Ａは、（Ａ）１Ｍ ＫＰｉ、ｐＨ７の電解質におけるＰｔ、Ｎｉ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎおよびＮｉＭｏＣｄのバルク電解プロットを示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、（Ｂ）１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２の電解質におけるＰｔ、Ｎｉ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎおよびＮｉＭｏＣｄのバルク電解プロットを示す。
【図８Ａ】図８Ａは、１Ｍ ＫＰｉ、ｐＨ７の電解質におけるＮｉ発泡体カソード上ＮｉＭｏＣｄの稼働での時間に対する過電圧のプロットを示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、１Ｍ ＫＢｉおよび１Ｍ ＫＰｉの電解質におけるＮｉフォームカソード上ＮｉＭｏＣｄのＴａｆｅｌプロットを示す。
【図８Ｃ】図８Ｃは、１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２電解質におけるＮｉフォームカソード上ＮｉＭｏＣｄの稼働での時間に対する過電圧のプロットを示す。
【図９】図９は、非限定の態様によるチャールズ川の水中で稼働した電極での、時間に対する電流密度のプロットを示す。
【図１０】図１０は、Ｎｉ発泡体上に位置するＮｉＭｏ合金電極のＳＥＭ（左）、および０．１Ｍ ＫＰｉ（ｐＨ７）におけるＰｔ箔（●）、Ｎｉ箔（□）、およびＮｉ箔上ＮｉＭｏＦｅ（▼）のＴａｆｅｌプロット（右）を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、１．０Ｍ ＫＯＨ、１．０Ｍ ＫＰｉ、および１。０Ｍ ＫＢｉ電解質中で稼働した場合のＮｉＭｏＺｎ水素発生カソードのＴａｆｅｌプロットを示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、ＮｉＭｏＺｎ、ＮｉＭｏＣｄ、およびＰｔのバルク電解を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、組成物、電極、システム、および水の電解のための方法および他の電気化学的技術に関する。ある場合には、本発明は、水素および／または酸素ガスの生成および／または水素の酸化に関する。本発明の一つの形態は、典型的には水素発生または水素酸化に使用される、触媒材料を含み、ここで触媒材料は、この目的のために選択された２種、または３種以上の金属を含む。本発明は、低い絶対値の過電圧、高電流密度、大幅な効率、安定性、またはこれら任意の組み合わせにおいて、改善された活性で稼働できるシステムを提供する。本発明のシステムはまた、非常に純粋な水の供給を必ずしも必要とせずに、中性ｐＨにおいてまたは中性のｐＨ近辺で稼働できる。本発明の種々の形態の組み合わせは、著しく改善されたエネルギーの貯蔵、エネルギーの使用、および任意選択的に水素および／または酸素ガスの市販用の生産において有用である。本発明の主題は、ある場合には、相互に関連した製品、特別な問題への代わりの解決、および／または１種または２種以上のシステムおよび／または物品の複数の異なる使用を含む。
【００２０】
本明細書中に記載された組成物、電極、システム、および方法は、主として、水電解（すなわち、水からの、酸素ガス、水素ガス、および／または他の生成物）の生成、および／または水素の酸化（例えば、水素ガス）に関連するが、本発明は、そのように限定されない。本発明は、第１の電極および／または第２の電極（その一方または両方が触媒材料を含むことができる）を含み、第１の電極における水の電解を介した酸素ガスの生成があり、そして／または第２の電極における酸素ガスの生成があることを含んで記載され、当然のことながら、第１の電極は、任意の種、水またはそれ以外の酸化を促進でき、酸素ガスまたは別の酸化された生成物を生成できる。これに関連して酸化されることができる反応物の例は、メタノール、ギ酸、アンモニア等を含むことができる。酸化された生成物の例は、ＣＯ２、Ｎ２等を含むことができる。第２の電極において、反応は、水（または水素イオン）が還元されて水素ガスを生成するように促進されることができるが、当然のことながら、水に限定されない種々の反応物（例えば、酢酸、リン酸等）は、還元されて、水素ガスおよび任意の数の還元反応の生成物（例えば、酢酸塩、リン酸塩等）を生成できる。第２の電極におけるこの反応は、「燃料電池」の稼働において逆転して行わせることができ、水素ガス（および／または上記の他の例示的な製品）が酸化されて、水（および／または上記の他の例示的な反応物）を生成できる。ある場合には、組成物、電極、方法、および／またはシステムは、水素ガスを還元するために使用できる。ある場合には、組成物、電極、方法、および／またはシステムは、光電気化学電池と関連して使用できる。当然のことながら、本明細書中の用途の多くは、水からの水素および／または酸素ガスの生成に焦点を置くが、これは、決して限定せず、そして本明細書中に記載された組成物、電極、方法、および／またはシステムは、本明細書中に記載されたような他の目的のために使用できる。本発明により提供された電気化学装置の非限定の例は、電解装置および燃料電池を含む。エネルギーは、光電池、風力発電、または他のエネルギー源によって電解装置に適用できる。これらのおよび他の機器が本明細書中に記載されている。ある場合には、本明細書中に記載された触媒材料および組成物は、本明細書中に記載されたような光活性材料と関連して使用できる。
【００２１】
本明細書中に記載されているのは、いくつかの態様において、水等の供給元から、水素ガス、酸素ガス、または別の種を「生成させる」ために使用される触媒、電極、システム、およびその同類のものである。当然のことながら、これは触媒される反応が、供給源から生成物へと直接反応であることができること、または触媒が反応物から生成物への反応を触媒することによってそうした反応を促進でき、この反応物が供給元に由来するが、供給元ではないことを意味する。例えば、水から水素ガスを「生成させること」は、塩基性条件下の水における一つの例として、水素ガスを生成する水の反応、および酸性条件下での水のもう一つの例として、水素ガスを生成する（究極的には供給元、水からの）水素イオンの反応を含む。
【００２２】
本明細書中の電解のための水の使用のすべての記載において、当然のことながら、水を、液体状態および／またはガス状態で提供できる。使用される水は、比較的純粋であることができるが、純粋である必要はなく、そして本発明の１つの利点は、比較的純粋でない水を使用できることである。提供された水は、本明細書中に記載されたように、例えば、少なくとも１種の不純物（例えば、クロライドイオン等のハロゲン化物イオン）および／または少なくとも１種の添加物（例えば、アニオン性種）を含むことができる。少なくとも１種の不純物および／または少なくとも１種の添加物の存在は、本明細書中に記載されたような電極の性能にほとんどまたは全く実質的な影響を有さないことができる。いくつかの態様において、水の供給元のｐＨは、ほぼ中性であることができる。
【００２３】
いくつかの態様において、本発明の電極は、触媒材料を含む。ある場合には、触媒材料は、電流コレクタと関連する。複数の金属元素および分子触媒を含む触媒材料を含む種々の触媒材料が本明細書中に記載されている。
【００２４】
いくつかの態様において、触媒材料は、複数の金属元素（例えば、２種、３種、４種、５種以上の金属元素）を含む。例えば、触媒材料は、合金であることができる。用語「合金」は、本明細書中で使用される場合、技術的に所与のその通常の意味を有し、そして２種または３種以上の金属、または任意の金属のそれ自体と異なる物理的特性を有する半金属を含む組成物をいう。混合物中に存在する金属または半金属の数によって、合金は、二成分、三成分、四成分等であることができる。合金は、混合結晶、固溶体、または化合物を形成できる。合金は、単相の固溶体、化学量論的化合物、またはそれぞれの相が固溶体または化学量論的化合物であることができる２種または３種以上の相からなることができる。合金は、全体にわたって同じ組成を有することができ、同じ組成でないことができる。全触媒材料中に、例えば、材料中に欠陥が存在でき、そして／または合金成分の１つまたは２つ以上のより高濃度のまたはより低濃度の領域が存在できる。その用語が本明細書中で使用されるように合金のもう一つの例は、１種の金属の（例えば、マイクロまたはナノスケールの）小さい領域が、別の金属で、および／または第１の金属の隙間を部分的にまたは充分に満たす別の金属で被覆されて提供されることができる。合金のもう一つの例は、金属の混合物を含み、この混合物は、分子スケールでは均質ではないが、マイクロまたはナノ寸法の単一の金属の個々の領域を有する異なる金属の混合した相を含むことができる。しかし合金は、例えば、多層化構造を規定する一連の薄層の金属とは区別される。この合金は、中性または帯電していることができる。「金属」または「種類の金属」または「金属元素」が本明細書中で使用される場合、当然のことながら、半金属は、金属の目的を果たすために使用でき、半金属は、本発明の目的に好適である。
【００２５】
いくつかの態様において、触媒材料は、本明細書中に記載されたような本発明の種々の形態および態様の目的に合う組成物を含むことができる。本開示の指針に基づいて、当業者は、好適な組成物を選択でき、そして過度の実験なしに、本発明にしたがってそれらの潜在的な使用のために効率的それらを試験できる。いくつかの態様において、組成物（例えば、合金）は、ニッケルを含む。組成物の非限定の態様は、二成分合金（例えば、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＳｎ、ＮｉＳ、ＮｉＺｎ、ＮｉＰ、ＮｉＷ、ＮｉＣｕ、ＮｉＣｏ、ＮｉＡｌ、ＣｏＰ、ＣｏＭｏ、ＮｉＴｉ等）、三成分合金（例えば、ＮｉＭｏＸ（式中、ＸはＦｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｖ、Ｔｉ、またはその同類のもの等の金属である）、ＮｉＣｏＰ、ＮｉＦｅＰ、ＮｉＦｅＺｎ、ＮｉＣｏＺｎ、ＮｉＣｕＦｅ、ＮｉＣｕＭｏ、ＬａＮｉＳｉ等）、または四成分合金（例えば、ＮｉＣｏＭｎＡｌ等）を含む。金属、半金属、および／または他の元素または化合物の全原子％が、合計で約１００％を示すように、組成物中でのそれぞれの金属または半金属は、０．００１〜９９．９９９％の間の原子％で存在できる。組成物のそれぞれの金属または半金属構成部分の量は、組成物中で変化できる。例えば、組成物を生成する前に異なる量のそれぞれの出発材料を提供することによって、これは当業者に公知の技術を使用して達成されることができる。特定の態様では、触媒材料は、ニッケルおよびモリブデンを含むか、またはニッケルおよびモリブデンからなる。
【００２６】
特定の態様では、モリブデン、ニッケル、および亜鉛を含む組成物が提供される。ある場合には、モリブデン、ニッケル、および亜鉛を含む組成物は、（例えば、本明細書中に記載されたこの方法およびシステムを使用して）水素ガスを生成することおよび／または水素ガスを酸化することができる。
【００２７】
ある場合には、この組成物は、（例えば、組成物の全質量に対して）約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量の亜鉛、約０．１％〜約９０％のニッケルを含む。ある場合には、この組成物は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約２５ｗｔ％の間の量の亜鉛、および残余のニッケル（例えば、約２５ｗｔ％〜約９８．９ｗｔ％）を含む。ある場合には、この組成物は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約１０ｗｔ％の間の量の亜鉛、および残りのニッケル（例えば、約４０ｗｔ％〜約９８．９ｗｔ％）を含む。ある場合には、この組成物は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約５ｗｔ％の間の量の亜鉛、および残りのニッケル（例えば、約４５ｗｔ％〜約９８．９ｗｔ％）を含む。ある場合には、この組成物は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約１ｗｔ％の間の量の亜鉛、および残りのニッケル（例えば、約４９ｗｔ％〜約９８．９ｗｔ％）を含む。ある場合には、亜鉛は、約９０ｗｔ％、約８０ｗｔ％、約７０ｗｔ％、約６０ｗｔ％、約５０ｗｔ％、約４０ｗｔ％、約３０ｗｔ％、約２５ｗｔ％、約２０ｗｔ％、約１０ｗｔ％、または約５ｗｔ％以下の量で存在できる。ある場合には、ニッケルまたはモリブデンは、約９０ｗｔ％、約８０ｗｔ％、約７０ｗｔ％、約６０ｗｔ％、約５０ｗｔ％、約４０ｗｔ％、約３０ｗｔ％、約２５ｗｔ％、約２０ｗｔ％、約１０ｗｔ％、または約５ｗｔ％以下の量で存在できる。特定の態様では、亜鉛は、約２５ｗｔ％以下の量で存在する。ある場合には、この組成物は、約５０ｗｔ％、約４０ｗｔ％、約３０ｗｔ％、約２０ｗｔ％、約１０ｗｔ％、約５ｗｔ％以下の量までの少なくとも１種の第４の種類の金属をさらに含む。ある場合には、この組成物は、（例えば、電着を介して、バインダーを使用してなどで）電極と関連できる。
【００２８】
金属または金属酸化物構成部分に加えて、この組成物はまた、電極を調製するために利用される特別な方法によりさらなる元素または化合物を含むことができる。そうしたさらなる材料は、組成物の全質量に基づいて約５０％の量で存在できる。
【００２９】
本発明の一つの形態は、電極中に含まれる（例えば、第１の種類の金属、第２の種類の金属、および／または第３の種類の金属を含む）触媒材料が、電極の効率、安定性、および／または稼働に本質的に全くまたはほとんど影響せずに、そうでなければ、電極の稼働および／または安定性に著しく影響することが予期されるであろう、アニオン性種の存在下で電極を稼働できるように調製でき、一方（例えば、触媒材料を含む）多くの電極は、不安定であり、そして／またはアニオン性種の存在下で効率的に稼働されないという発見を含む。具体的な実施形態において、触媒材料を含む電極は、電気化学反応（例えば、水の電解）と関連した水素ガスを触媒的に生成するために、および電気化学反応を促進するアニオン性種を含む電解質を用いた使用のために使用できる。ある場合には、アニオン性種は、対電極（例えば、水の電解を介して酸素ガスが生成される電極）と関連した触媒材料の生成、稼働、および／または安定性を助ける。したがって、一組の態様において、触媒材料は、少なくとも第１の種類の金属、第２の種類の金属、および第３の種類の金属を含むように選択され、ここで第２の種類の金属はアニオン性種の存在と関連した何らかの逆効果を緩和または除くように選択され、稼働のある条件下で、多くの公知の電極と比較して、触媒材料を含む電極は、高められた効率、安定性、および／または出力となる。
【００３０】
第１の、第２の、および第３の種類の金属は、それぞれ、１種または２種以上の金属元素を含むことができる。例えば、第１の種類の金属は、１種の金属元素、２種の金属元素、３種の金属元素、４種の金属元素、またはそれ以上を含むことができる。第１の、第２の、および第３の種類の金属を含む触媒材料は、少なくとも３種の金属元素を含むか、または３種超の金属元素（例えば、４種の、５種の、６種の、７種の、またはそれ以上の金属元素）を含むことができる。具体例として、一態様では、第１の種類の金属は２種の金属元素を含み、第２の種類の金属は１種の金属元素を含む、そして第３の種類の金属は１種の金属元素を含む。したがって、この態様における触媒材料は、４種の金属元素を含む。任意選択的に、そうした使用のために提案されたこれらの金属または金属の種類が存在する限り、本発明の特定の態様のために提案された金属または金属の種類の目的の役に立たないが、他の金属または他の種類の金属が、触媒材料中に含まれることができ、または触媒材料と伴に使用されることができる。
【００３１】
第１の、第２の、および第３の種類の金属の選択をここで詳細に記載する。いくつかの態様において、第１の種類の金属は、（例えば、プロトンおよび電子からの）水素ガスの生成および／または（例えば、水素ガスからプロトンおよび電子を生成する）水素ガスの酸化を触媒できるように選択できる。第２の種類の金属は、電極上のアニオン性種を含む材料の堆積を防ぐように選択できる。例えば、第２の種類の金属は、アニオン性種と約１×１０−３Ｍ−１未満、約１×１０−２Ｍ−１未満、約１×１０−１Ｍ−１未満、約１Ｍ−１未満、約１０Ｍ−１未満、約１×１０２Ｍ’１未満、約１×１０３Ｍ−１未満、約１×１０４Ｍ−１未満、約１×１０５Ｍ’１未満等、の結合定数を有することができる。第３の種類の金属は、（例えば、本明細書中に記載されたように）触媒材料の表面積を増加させるように選択できる。
【００３２】
第１の種類の金属での使用に好適な金属元素は、（例えば、水から）水素ガスを生成でき、そして／または水素ガスの酸化（または本明細書中に記載されたような他の酸化反応）のための、金属元素である。当業者は、選択された金属反応を行うことができる金属元素に気付くであろう。水素ガスの生成および／または水素ガスの酸化のための第１の種類の金属として使用されるのに好適な金属元素の非限定の例は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄを含む。電気化学反応が水の電解以外の反応である態様において、第１の種類の金属は、電解を介して反応から生成物の生成を触媒できる。
【００３３】
しかし、ある場合には、第２の種類の金属元素が電気化学反応と関連して使用されるアニオン性種で、約１×１０−３Ｍ−１未満、約１×１０−２Ｍ−１未満、１×約１０−１Ｍ−１未満、約１Ｍ−１未満、約１０Ｍ−１未満、約１×１０２Ｍ−１未満、約１×１０３Ｍ−１未満、約１×１０４Ｍ−１未満、約１×１０５Ｍ−１未満等の結合定数を有するように、第２の種類の金属としての使用のために好適な金属元素を選択できる。ある場合には、アニオン性種は、対電極と関連する触媒材料の生成、安定性、および／または稼働を助けるように存在する。触媒材料は、対電極において、電気化学反応の一部分、例えば、触媒の酸素生成を助けることができる。ある場合には、対電極は、電流コレクタおよび金属イオン性種およびアニオン性種を含む触媒材料を含む。例えば、Ｎｏｃｅｒａらの２０１０年４月２９日公開の米国特許出願公開第２０１０／０１０１９５５号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’； Ｎｏｃｅｒａらの２０１０年６月２日公開の米国特許出願公開第２０１０／０１３３１１０号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ Ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’；および／またはＮｏｃｅｒａらの２０１０年６月２日公開の米国特許出願公開第２０１０／０１３３１１１号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ Ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’（参照により本明細書中に取り込まれる）に記載された例えば水から酸素を生成させるために好適であることが示された触媒からのアニオン性種を、触媒材料が含むことができる。一組の態様において、このアニオン性種は、リンおよび／またはホウ素を含み、そしてこの金属アニオン性種は、コバルトイオンおよび／またはニッケルイオンを含む。
【００３４】
当業者は、好適な第２の種類の金属と１０３Ｍ−１未満の結合定数を有するアニオン性種との組み合わせを知るであろう。一組の態様において、第２の種類の金属での使用に好適な金属元素は、電気化学反応と関連して使用され、そして電解質中で最も高い濃度であるアニオン性種と、１×１０−３Ｍ−１未満、１×１０−１Ｍ−１未満、１×１０２Ｍ−１未満、１×１０３Ｍ−１未満、１×１０５Ｍ−１未満等の結合定数を有する金属元素を含む。別の組の態様では、第２の種類の金属としての使用に好適な金属元素は、単独でまたは他のアニオン性種と伴に、電解質中に存在するすべてのアニオン性種の少なくとも約２０％、または少なくとも約４０％、または少なくとも約６０％、または少なくとも約８０％、または少なくとも約９０％を規定する任意のアニオン性種とともに、１０３Ｍ−１未満の結合定数を有するものを含む。別の組の態様では、水酸化物イオンおよび／酸化物イオンは、「アニオン性種」の群から除外され、これに関連して第２の種類の金属の結合定数が測定された。アニオン性種は、少なくとも約０．０５Ｍ、または少なくとも約０．１Ｍ、または少なくとも約０．２Ｍ、または少なくとも約０．３Ｍ、または少なくとも約０．４Ｍ、または少なくとも約０．５Ｍ、または少なくとも約０．６Ｍ、または少なくとも約０．７Ｍ、または少なくとも約０．８Ｍ、または少なくとも約０．９Ｍ、または少なくとも約１Ｍ、または少なくとも約１。５、または少なくとも約２Ｍ以上の濃度で提供されることができる。
【００３５】
ある場合には、アニオン性種は、リン酸塩の形態、硫酸塩の形態、炭酸塩の形態、ヒ酸塩の形態、亜リン酸塩の形態、ケイ酸塩の形態、またはホウ酸塩の形態を含む群から選択される。特定の態様では、アニオン性種は、リンまたはホウ素を含む。リンを含むアニオン性種の非限定の例は、Ｈ３Ｐ０４、Ｈ２Ｐ０４−、ＨＰ０４−２、Ｐ０４−３、Ｈ３Ｐ０３、Ｈ２Ｐ０３−、ＨＰ０３−２、Ｐ０３−３、Ｒ１ＰＯ（ＯＨ）２、Ｒ１Ｐ０２（ＯＨ）−、Ｒ１Ｐ０３−２、またはその同類のもの（式中、Ｒ１は、Ｈ、アルキル、アルケニル、アルキニル、ヘテロアルキル、ヘテロアルケニル、ヘテロアルキニル、アリール、またはヘテロアリールであって、すべて任意選択的に置換されている）を含む。特定の態様では、アニオン性種は、ＨＰ０４−２である。リン酸塩と低い結合定数を有する金属元素の非限定の例は、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｔｅ、およびＢｉを含む。
【００３６】
ある場合には、アニオン性種は、ポリアニオンであることができる。用語ポリアニオンは所与のその通常の技術的意味であり、そして１超の部位で１超の負の帯電を有するアニオン分子または化学的錯体をいう。
【００３７】
ある場合には、第２の種類の金属を、当業者に知られているような、ハード（ｈａｒｄ）／ソフト（ｓｏｆｔ）化学の知識の知識に基づいて選択できる。ある場合には、第２の種類の金属は、ハードな金属元素を含むことができ、そしてアニオン性種は、ソフトなアニオンであることができ、または第２の種類の金属は、ソフトな金属元素を含むことができ、そしてアニオン性種は、ハードなアニオンであることができる。通常、当業者に理解されているように、ハードなイオン／原子は、より小さくかつ比較的非分極性であり、そしてソフトなイオン／原子は、より大きくかつさらに分極性である。ハードな金属元素／ソフトなアニオン性種またはソフトな金属元素／ハードアニオン性種の間の相互作用は、ハードな金属元素／ハードなアニオン性種またはソフトな金属元素／ソフトなアニオン性種の間の相互作用より通常弱い。したがって、ソフト／ハードの化学は、弱く相互作用することができる金属元素／アニオン種の組み合わせを認識するために、当業者により使用されることができ、したがって、通常、より低い結合定数を有する。ある場合には、相互作用は、酸化状態であって、かつ基底状態でない金属（例えば、（Ｍ）ｎ＋、（式中、ｎは１、２、３、４等である）に基づいて決定できる。ソフト金属元素の非限定の例は、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、およびＰｔを含む。ハード金属元素の非限定の例は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ａｌ、およびＣｒを含む。ソフトなアニオン性種の非限定の例は、Ｓｅ−２、Ｓ−２およびＣＮ−を含む。ハードアニオン性種の非限定の例は、ＯＲ−、ＣＯ３−、ＣＯ３−２、ＮＯ３−、ＮＯ２−、ＣｌＯ４−２、Ｂ（ＯＨ）４−、Ｂ４Ｏ７−２、ＳＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−、ＨＰＯ４−２ＰＯ４−３、およびＯＨ−を含む。
【００３８】
当然のことながら、多くの態様におけるように、本発明の触媒材料は、本明細書中に記載されたような特別なアニオン性種と低い結合定数を提供するように機能する第２の種類の金属を含む、これは決して限定するものではなく、そしてアニオン性種が存在しない態様を含め、ある場合には、第２の種類の金属は、必ずしもこのように機能しない。例えば、合金が酸化反応（例えば、水素ガスの酸化）に使用される態様において、アニオン性種は、溶液中に存在できず、したがって第２の種類の金属は、特別なアニオン性種と特別な結合定数を有することができない。そうした態様において、第２の種類の金属での使用に好適な金属元素は、第１の種類の金属および第３の種類の金属と伴に触媒材料を形成できる金属元素であることができる。
【００３９】
第３の種類の金属に好適な金属元素は、触媒材料の表面積を増加させるように選択された金属を含む。例えば、いくつかの態様において、第３の種類の金属は、脱合金化および／またはさもなければ、電極の形成および／または稼働のために選択されたある条件下での合金または金属混合物から部分的にまたは充分に除去されることができる。
【００４０】
いくつかの態様において、第３の種類の金属は、第３の種類の金属を触媒材料に含める間および／または後に、少なくとも部分的に溶解する第３の種類の金属を含むメカニズムを通して、表面積を増加できる。例えば、第３の種類の金属は、触媒材料に含まれる他の種類の金属への第３の種類の金属の効果により表面積を増加できる。すなわち、ある場合には、第３の種類の金属の存在は、第３の種類の金属の触媒材料への包含によりまたは後で、触媒材料を再配向または再構造化させることができる。そうした再配向は、凝集体、小塊、沈殿物、相分離された構造、およびその同類のものの形成を含むことができるがこれらに限られない。含まれるメカニズムは、触媒材料中における種の中での反発相互作用、１つの種の表面分離、触媒材料からの種の溶解、およびその同類のものを含むことができるがこれらに限られない。金属は、基材、支持体および／または触媒材料中に含まれる他の種類の金属の１種へのその反発力および／または引力により表面へ分離することができる。第３の種類の金属は、触媒材料の中へ取り込まれることができる、いくつかの態様において、触媒材料中に含まれる別の種との反発力および／または引力により、表面での触媒材料中に他の種を残し、これはその後に上記の種々のメカニズムを通して表面積を大きくするように相互作用する。これらの種々のメカニズムは、１つのステップまたは、連続したもしくは並行した多数のステップの工程を経て、そして種々の程度の完了度で起こることができる。
【００４１】
当業者に理解されるであろうように、「脱合金化」は、本明細書中で使用される場合、金属の混合物（例えば、触媒材料）からの腐食工程を含む好適な工程による１種の元素の選択的な除去をいう。合金からの１種または２種以上の金属元素の脱合金化は、合金の表面積を増加でき、したがって合金／電極の活性表面または領域への電解質または反応物のよりさらなるアクセスを可能にする。
【００４２】
脱合金化は、電気化学反応の前および／または電気化学反応の間に起こることができる。ある場合には、第３の金属の少なくとも１％、少なくとも約２％、少なくとも約５％、少なくとも約１０％、少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％以上が脱合金化されるように、第３の種類の金属が選択される。ある場合には、脱合金化工程の平衡点が生じる場合、脱合金化された第３の種類の金属のパーセンテージを、決定できる。すなわち、選択された条件下での電極の形成および／または稼働の後で、合金を含む電極の電流密度（または他の測定できるパラメーター）が、約５分、または約１０分、または約３０分、または約１時間、または約２時間、または約４時間またはそれ以上の時間にわたって、本質的に一定の電気化学的条件下で、約１％、または約２％、または約３％、または約５％、または約１０％、または約２０％、または約２５％、または約３０％またはそれ以上より多く、減少も増加もしない場合に、脱合金化のパーセンテージを決定できる。
【００４３】
脱合金化した第３の種類の金属の量は当業者に公知の方法を使用して、決定できる。例えば、脱合金化の量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）またはエネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ）を使用して決定できる。ある場合には、脱合金化のパーセンテージは、その技術が調べられる合金の部分を決定できる。例えば、ＸＰＳは、触媒材料の表面の最初の約１ｎｍ〜約１０ｎｍの元素状組成物を決定できる。いくつかの態様において、脱合金化された第３の種類の金属のパーセンテージを決定するために分析される触媒材料の部分は、触媒材料の最初の約１ｎｍ、約２ｎｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約５０ｎｍ、約１００ｎｍ、またはそれ以上である。
【００４４】
特定の態様では、第３の種類の金属のパーセンテージは、次のように決定できる。電極は、本明細書中に記載された技術（例えば、電流コレクタ上の合金の電気めっき）を使用して電流コレクタとの協働により生成できる。触媒材料は、触媒材料中の第１の種類の金属、第２の種類の金属、および第３の種類の金属のそれぞれの金属元素のパーセンテージを決定するように、ＸＰＳまたはＥＤＸ分光法を使用して分析できる。第３の種類の金属は、本明細書中に記載されたような選択された条件下で脱合金化されることができる。ある場合には、第３の種類の金属は、（例えば、本明細書中に記載されたように、例えば、電極の電流密度が２時間期間にわたって１０％超増加または減少しない）平衡に到達するまで、脱合金化される。次に、ＸＰＳまたはＥＤＸ分析を繰り返すことができ、それによって脱合金化された第３の種類の金属の量を決定する。
【００４５】
当業者は、合金から金属元素の脱合金化のための好適な方法を知っているであろう。ある場合には、脱合金化は、化学的脱合金化技術を使用して行うことができる。例えば、合金は、溶液成分が第３の種類の金属を具体的に脱合金化するように選択されている時間の間、（例えば、強酸および／または鉱酸を含む）溶液に曝されることができる。他の場合には、第３の種類の金属は、電極に電圧を適用することによって、脱合金化できる。例えば、第３の種類の金属は、選択された条件下で、第１の種類の金属および第２の種類の金属のために含まれた元素に比較してより低い電気化学的電位を有するように選択されることができる。この適用された電位差は、当業者に知られているように、第１の種類の金属および第２の種類の金属と比較して、第３の種類の金属の脱合金化を推進できる。
【００４６】
当業者によって理解されるであろうように、ある場合には、第１の種類の金属および第２の種類の金属に含まれた元素の一部分はまた、合金から脱合金化されることができる。ある場合には、しかし、第１の種類の金属、第２の種類の金属、第３の種類の金属の選択は、合金から脱合金化する第３の種類の金属のパーセンテージが、第１の種類の金属および第２の種類の金属の全量の少なくとも約２倍、少なくとも約３倍、少なくとも約５倍、少なくとも約１０倍、少なくとも約２０倍、少なくとも約３０倍、少なくとも約５０倍、またはそれ以上であるようである。ある場合には、第３の種類の金属は、設定された条件下で、Ｍ’およびＭ’’の脱合金化の速度の少なくとも約２倍、または少なくとも約５倍、または少なくとも１０倍、または少なくとも約２０倍、または少なくとも約５０倍合金から脱合金化するように選択される。第３の種類の金属の非限定の例は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、およびＳｅを含む。
【００４７】
合金は、当業者によって知られるであろうような任意の好適な技術を使用して電流コレクタと関連できる。いくつかの態様において、合金は、好適な電気めっき溶液または浴中で電着によって電流コレクタと関連できる。電着技術および方法は当業者に公知であろう。例えば、ある場合には、電流コレクタは、合金中に含まれるであろう金属を含む１種または２種以上の前駆体を含む溶液中に浸されることができる。電圧が電流コレクタに掛けられることができ、それによって合金が形成され、そして電流コレクタと関連することができる。例えば、溶液は、ニッケル塩およびモリブデン塩を含んで提供されることができ、そして電圧は、電流コレクタに掛けられることができる。他の非限定の方法は、蒸着、熱蒸着、プラズマスプレー、フレーム溶射、溶融めっき法、または機械的なめっきを含む。ある場合には、合金は最初に形成されることができ、次に電流コレクタと関連できる。例えば、第１の種類の金属、第２の種類の金属、および／または第３の種類の金属の塩は、（任意選択的に沈殿において助けることができる基材を含む）溶液と還元剤とで提供されることができ、合金が溶液中で（例えば、存在する場合、基材と関連して；懸濁液および／または粒子状物として：など）形成されることができる。固体材料は、電流コレクタ（例えば、バインダーの使用など）と関連できる。
【００４８】
めっき浴を使用して電流コレクタ上に合金を形成させる前に、電流コレクタは、クリーニングされて、被膜の良好な接着を確かにすることができる。クリーニングのための方法および技術は、従来技術および周知技術である。例えば、蒸気脱脂、砂または粒子ブラスティング、研磨、および／または音波処理を利用でき、電流コレクタは、酸性溶液中でエッチングされ、または苛性溶液中でカソード的にクリーニングされ、または電流コレクタは、正の電圧の適用によって、酸化の化学を開始し、続いて負の電圧の適用によって、還元の化学を開始することによって、調整されることができる。クリーニングの後で、電流コレクタは、めっき浴中に浸されて、電流コレクタ上に合金を堆積させることができる。
【００４９】
いくつかの態様において、本発明の電極は、電流コレクタおよび電流コレクタと関連する分子触媒または金属被膜を含むことができる。当然のことながら、本明細書における適用の多くは、電流コレクタおよび合金を含む電極に焦点を当てているが、これは、決して限定するものではなく、そして電極は代わりに、本明細書中に記載されたような電流コレクタおよび分子触媒または金属被膜を含むことができる。
【００５０】
いくつかの態様において、分子触媒は、（例えば、ＳｉＷＯを含む）ポリオキソメタレート等の酸化物であることができる。ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）は、無機金属酸素クラスターの類である。これらは、通常かごの外にあるカチオンによってバランスを取られている少なくとも１つの負の電荷を有する多面体のかご構造または骨格を含む。ポリオキソメタレートの骨格は、通常、同一であるかまたは異なることができる、酸素原子に結合した複数の金属原子を含む。ＰＯＭはまた、かご骨格によって囲まれた中心に位置するヘテロ原子を含むことができる。当業者に公知であろうＰＯＭの類の非限定の例Ｋｅｇｇｉｎ−タイプのＰＯＭ（例えば、［ＸＭ１２Ｏ４０］ｎ−）、Ｄａｗｓｏｎ−タイプのＰＯＭ（例えば、［Ｘ２Ｍ１８Ｏ６２］ｎ−）、Ｌｉｎｄｑｖｉｓｔ−タイプのＰＯＭ（例えば、［Ｍ６Ｏ１９］ｎ−＿）、およびＡｎｄｅｒｓｏｎ−タイプのＰＯＭ（例えば、［ＸＭ６Ｏ２４］ｎ−）（式中、Ｘは、ヘテロ原子であり、ｎは、化合物の電荷であり、Ｍは、金属（例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｚｎ等、またはそれらの組み合わせ）であり、そしてＯは、酸素である。）通常、好適なヘテロ原子は、リン、アンチモン、ケイ素、ホウ素、硫黄、アルミニウム、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限られない。当業者は、プロトンおよび電子から水素ガスの生産のための他の好適な分子触媒を知るであろう。分子触媒の他の非限定の例は、Ｃｏ（ジグリオキシム）錯体、［Ｎｉ（ジホスフィン）２］２＋錯体、および金属ポルフィリン錯体（例えば、ここで、金属は、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ等である）を含む。電極を被覆する金属の非限定の例は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ等を含むことができる。
【００５１】
一態様では、触媒的に水素ガスを生成する方法は、電気化学装置を提供する工程を含み、第１の電極、電流コレクタおよび電流コレクタと関連した合金または分子触媒を含む第２の電極、および水を含み、ここで水は、少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物を含み、そして水のｐＨは、約６〜約１０の間であり。ある場合には、電気化学的システムは、水素ガスの生成を触媒し、ここで少なくとも約１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において約０．３Ｖ未満の過電圧の絶対値で、または本明細書中に記載された任意の範囲で水素ガスが生成される。ある場合には、電極の電流密度は、本質的に一定の電気化学的条件下で４時間の間にわたって約１０％超低下しない。
【００５２】
いくつかの態様において、電気化学反応と関連して触媒的に水素ガスを生成するための、および電気化学反応を促進するアニオン性種を含む電解質との使用のためのシステムであって、このシステムは、水素ガスの生成を触媒できるように選択された第１の種類の金属、電極上にアニオン性種を含む材料の堆積を防止するようにアニオン性種と１０３Ｍ−１未満の結合定数を有するように選択された第２の種類の金属および電解質に暴露可能な電極の表面積を増加させるように設定された条件下で合金から脱合金化するように選択された第３の種類の金属を含む触媒合金を含む電極を含む。
【００５３】
ある場合には、触媒的に水素ガスを生成する方法は、少なくとも０．１Ｍの濃度でアニオン性種を含む電解質、第１の電極、および電流コレクタおよび第１の種類の金属、第２の種類の金属、および第３の種類の金属を含む触媒合金を含む第２の電極を含む電気化学装置を提供する工程を含み、第１の種類の金属は、水素ガスの生成を触媒でき、第２の種類の金属は、アニオン性種と１０３Ｍ−１未満の結合定数を有し、そして第３の種類の金属は、設定された条件下で、脱合金化できる。このシステムは、水から水素ガスの生成を触媒でき、ここで、電極の電流密度は、本質的に一定の電気化学的条件下で４時間の間にわたって約１０％超低下しない。
【００５４】
本発明の種々の形態全般を上記に記載し、そして電極の形成、特徴、および組成物、方法、およびシステムの他の特性および構成部分に関する情報を含む組成物、電極、システム、および方法の他の形態をさらに詳細に記載するであろう。
【００５５】
いくつかの態様において、本発明の電極は、電流コレクタおよび電流コレクタと関連した合金（または分子触媒または金属被膜）を含む。「電流コレクタ」は、本明細書中で使用される場合、所与の２つの代替的定義である。本発明の典型的な配置において、合金は、電源またはその同類のものによって生成された電子の形態の力の受け取りのために、電圧および／または電流の電流コレクタへの適用のための外部回路に接続された電流コレクタと関連している。当業者は、これに関連して電流コレクタの意味を理解するであろう。さらに具体的に言うと、電流コレクタは、それを通って本発明の反応の間または電極の形成の間に電流が流れる合金と外部回路との間の材料をいう。ここで材料のスタックは、アノードおよびカソードの両方、およびカソードおよび／またはアノードと関連する１種または２種以上の合金を含んで提供され、ここで電流コレクタは、膜または他の材料によって分離されていることができ、それぞれの電極（例えば、アノードおよび／またはカソード）の電流コレクタは、電流コレクタに接続された合金および外部の回路にまたはこれらから電流が流れる材料である。これまで記載された電流コレクタの場合、電流コレクタは、典型的には、外部回路から分離した物体であろうし、したがって当業者によって容易に特定可能であろう。電流コレクタは、本明細書中に記載されたような１超の材料を含むことができる。別の配置において、外部回路に接続されたワイヤーは、それ自身、電流コレクタを規定できる。例えば、外部回路に接続されたワイヤーは、溶液と接触するための合金が吸収される終端部分または電解のための他の材料を有することができる。そうした場合、電流コレクタは、合金が吸収されるワイヤーのその部分として規定される。
【００５６】
「電解」は、本明細書中で使用される場合、非自発的な化学反応を駆動する電流の使用をいう。例えば、ある場合には、電解は、電流の適用により、少なくとも１つの種の酸化還元状態の変化ならびに／または少なくとも１つの化学結合の形成および／もしくは開裂を含むことができる。本発明によって提供されるように水の電解は、水を酸素ガスおよび水素ガス、または酸素ガスおよび別の水素を含有する種、または水素ガスおよび別の酸素を含有する種、またはそれらの組み合わせに分離することを含む。いくつかの態様において、本発明の機器は、逆反応を触媒できる。すなわち、機器は、水素と酸素ガス（または他の燃料）とを化合させて水を生成させ、エネルギーを生成させるように使用できる。
【００５７】
ある場合には、合金は、イオン性結合、共有結合（例えば、炭素−炭素、炭素−酸素、酸素−ケイ素、硫黄−硫黄、リン−窒素、炭素−窒素、金属−酸素、または他の共有結合）、（例えば、ヒドロキシル、アミン、カルボキシル、チオール、および／または類似の官能基間の）水素結合、配位結合（例えば、金属イオンと単座または多座配位子との間の錯体形成またはキレート化）、ファンデルワールス相互作用、およびその同類のもの等の結合の形成を介して電流コレクタと関連できる。触媒材料の電流コレクタとの「関連」は、当業者によりこの記載に基づいて理解されるであろう。
【００５８】
電流コレクタと関連した合金は、最も多くの場合、本明細書中に記載されたような本発明の目的を行うために、電流コレクタと充分な電気連通にあるように、電流コレクタに対して並べられるであろう。「電気連通」は、本明細書中で使用される場合、それによって電子が本明細書中に記載されたように電極を駆動するのに充分容易な様式で電流コレクタと合金との間を流れることができる当業者によって理解されるであろう所与のその通常の意味である。すなわち、電荷は、電流コレクタと合金との間を移送されることができる。「電気連通」は、内部抵抗を有する全体的なシステムの電極または他の要素を通したそうした連通を含む。
【００５９】
ある場合には、触媒材料は、電流コレクタ（または光活性材料）と「直接電気連通」にあることができる。「直接電気連通」は、本明細書中で使用される場合、電気連通に関して上記で規定されたような所与のその通常の意味であるが、この場合には、電流コレクタおよび触媒材料は、（例えば、第２材料を通して、回路の使用を通して等とは対照的に）相互に直接接触している。いくつかの態様において、合金および電流コレクタは、統合して接続されていることができる。用語「統合して接続された」は、２つまたは３つ以上の物体または材料を参照する場合、通常の使用の過程において相互に分離されるようにならない物体および／または材料を意味し、例えば、この分離は、例えば、道具の使用を含む、少なくとも物体および／または材料の内部の分離を必要とする。いくつかの態様において、触媒材料は、電流コレクタ（または光活性材料）と「間接的電気連通」にあることができる。すなわち、材料および／または回路が触媒材料と電流コレクタとの間に介在することできる。
【００６０】
いくつかの態様において、（例えば、電流コレクタおよび合金を含む）電極は、性能に関して特徴付けられることができる。多くの中でこれを行う１つの方法は、電流コレクタのみに対して電極の電流密度を比較することである。典型的な電流コレクタは下記にさらに充分に記載され、そして白金、およびその同類のものを含むことができる。電流コレクタは、水電解において電極としてそれ自身機能でき、そして過去そうするように使用されてきたであろう。そうであるので、電流コレクタと合金との両方を含む電極を含む電極を使用した（同じ対電極、同じ電解質、同じ外部回路、同じ水源等を有する）本質的に同一の条件と比較して、（電極がプロトンおよび電子から水素ガスを生成する）電流コレクタを使用した水電解の間に電流密度を比較できる。ほとんどの場合、電極の電流密度は、電流コレクタのみの電流密度より高いであろうし、それぞれは本質的に同一の条件下で独立して試験される。例えば、電極の電流密度は、少なくとも約１０、約１００、約１０００、約１０４、約１０５、約１０６、約１０８、約１０１０、およびその同類のもの倍で、電流コレクタの電流密度を超えることができる。特定の場合、電流密度の相違は、少なくとも約１０５であり、いくつかの態様において、電極の電流密度は、約１０４〜約１０１０、約１０５〜約１０９、または約１０４〜約１０８倍電流コレクタの密度を超えることができる。電流密度は、本明細書中に記載されたような幾何学的電流密度（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）または全電流密度のいずれかであることができる。
【００６１】
合金は、多孔質、実質的に多孔質、無孔性、および／または実質的に無孔性であることができる。孔は、ある範囲のサイズを含むことができ、そして／または実質的に均一のサイズであることができる。ある場合には、孔は、画像技術（例えば、操作電子顕微鏡）を使用して見ることができるかまたは見ることができない。孔は、開孔であることができ、そして／または閉孔であることができる。ある場合には、孔は、バルク電解質表面と電流コレクタの表面との間の経路を提供できる。
【００６２】
合金の物理的構造は、変化できる。例えば、合金は、溶液に浸される電流コレクタ（例えば、表面および／または孔）の少なくとも一部分と関連した膜および／または粒子であることができる。いくつかの態様において、合金は、電流コレクタと関連した膜を形成しない場合がある。ある場合には、合金は、電流コレクタ（例えば、合金を含む電流コレクタのすべてのまたは本質的に全ての表面）の表面を規定することができる。あるいはまたはさらに、合金は、堆積されるか、もしくはさもなければ、パッチ、島、またはいくつかの他のパターン（例えば、線、点、長方形）として電流コレクタと関連でき、またはデンドリマー、ナノ粒子、ナノロッド、またはその同類のものの形態を取ることができる。パターンは、ある場合には電流コレクタ上への合金の堆積により自発的に形成されることができ、そして／または当業者に公知の種々の技術（マイクロ接触印刷等を介してリソグラフ的に）当業者に知られた種々の技術により電流コレクタ上でパターン化されることができる。さらに、電流コレクタは、ある範囲が合金の関連を促進し、一方他の範囲は促進しないか、またはより低い程度で促進するように、それ自身パターン化されることができ、それによって電極が形成されるにつれて、電流コレクタ上に合金のパターン化された配置を作り出すことができる。合金が電極上にパターン化される場合、パターンは、合金の範囲および合金の完全にない範囲、または特定量の合金のある範囲および異なる量の合金のある他の範囲を画定できるであろう。合金は、滑らかなおよび／または凸凹な外観を有することができる。ある場合には、合金は、材料が無水の場合にある場合があるようなクラックを含むことができる。
【００６３】
ある場合には、合金の厚さは、材料を通して実質的に同じであることができる。他の場合、合金の厚さは、材料を通して変化できる（例えば、膜は必ずしも均一の厚さを有さない）。合金の厚さは、複数の範囲（例えば、少なくとも２、少なくとも４、少なくとも６、少なくとも１０、少なくとも２０、少なくとも４０、少なくとも５０、少なくとも１００、またはそれ以上の範囲）の材料の厚さを決定し、そして平均厚さを計算することによって、決定できる。合金の厚さが複数の範囲を調べることを介して決定される場合、その範囲は、パターンに基づいて多くまたは少なく存在する合金の範囲を特に表わさないように選択されることができる。当業者は、表面上の合金の任意の不均一性またはパターニングを説明する厚さ決定手順を容易に確立することができるであろう。例えば、この技術は、全体的な平均厚さを与えるために、ランダムに選択された、充分に大きな数の範囲の決定を含むことができるであろう。合金の平均厚さは、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約３００ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約７００ｎｍ、少なくとも約１μｍ（マイクロメートル）、少なくとも約２μｍ、少なくとも約５μｍ、少なくとも約１ｍｍ、少なくとも約１ｃｍ、およびその同類のものであることができる。ある場合には、合金の平均厚さは、約１ｍｍ未満、約５００μｍ未満、約１００μｍ未満、約１０μｍ未満、約１μｍ未満、約１００ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、約１ｎｍ未満、約０．１ｎｍ未満、またはその同類のものであることができる。幾つかの例において、合金の平均厚さは、約１ｍｍ〜約０．１ｎｍ、約５００μｍ〜約１ｎｍ、約１００μｍ〜約１ｎｍ、約１００μｍ〜約０．１ｎｍ、約０．２μｍ〜約２μｍ、約２００μｍ〜約０．１μｍ、またはその同類のものであることができる。特定の態様では、合金は、約０．２μｍ未満の平均厚さを有することができる。別の態様では、合金は、平均厚さ約０．２μｍ〜約２μｍを有することができる。
【００６４】
ある場合には、電極は、少なくとも約１時間、少なくとも約２時間、少なくとも約４時間、少なくとも約８時間、少なくとも約１２時間、少なくとも約１日、少なくとも約２日、少なくとも約３日、少なくとも約４日、少なくとも約１週間、少なくとも約２週間、少なくとも約１月、少なくとも約２月、少なくとも約３月、少なくとも約６月、少なくとも約１年、少なくとも約１８月、少なくとも約２年、少なくとも約３年、少なくとも約５年、少なくとも約１０年、またはそれ以上で、５０％未満、４０％未満、３０％未満、２０％未満、１０％未満、５％未満、３％未満、２％未満、１％未満、またはそれ以下の選択された性能尺度（例えば、具体的電流密度での過電圧、固定電池電圧での酸素の生産速度等）の変化で、水から水素ガスを生成するのに使用できる。
【００６５】
当業者は、選択された性能尺度を決定するためのシステムおよび方法を知っているであろう。この方法は、（例えば、室温、雰囲気圧力等）下で行われることができる。ある場合には、（例えば、水素発生のための電流コレクタおよび合金または分子触媒を含む）本発明の電極は、選択された電解質（例えば、約７のｐＨを有する１Ｍリン酸カリウム溶液、または約９．２のｐＨを有する１Ｍホウ酸カリウム溶液）中に少なくとも部分的に浸される。電流コレクタは、Ｐｔ回転環ディスク電極を含むことができる。システムはまた、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極およびＰｔワイヤー対電極を含むことができる。水素発生のための電極は、特定の速度（例えば、約５００回転／分、約１０００回転／分、約１５００回転／分、約２０００回転／分、約２５００回転／分、約３０００回転／分、約３５００回転／分等）で回転でき、そして電位が電極に適用されることができる。特定の場合には、電極は、約２０００回転／分の速度で回転する。所望の性能パラメーターは、これら作動条件下で決定できる。ある場合には、適用された電位は、水素発生反応のための過電圧として記載できる。過電圧は、対象の反応のための熱力学的電位に加えて、電極に適用された電位（Ｅカソード）として規定できる。水素発生の場合、水素発生のための熱力学的電位は、ＮＨＥに対して０．０Ｖであり、したがって過電圧（η）式：
η ＝（ＮＨＥに対する）Ｅカソード−０．０Ｖ
から決定できる。
【００６６】
決定できる性能パラメーターの例として、過電圧が０と選択された電圧との間で変化するにつれて、電流密度は、回転電極で測定されることができる。生じるデータは、過電圧対電流密度の対数（すなわち、Ｔａｆｅｌプロット）としてプロットできる。例えば、図６Ａおよび６Ｂ、および関連した例を参照のこと。通常、所与の電流密度において、より低い（より負でない）過電圧で作動する電極を形成させることが望ましい。
【００６７】
もう一つの例として、電極の安定性は、上記の様な類似の実験的設定を使用して決定できる。水素発生電極は、約２５００回転／分の速度で回転できる。選択された過電圧（例えば、約−０．１Ｖ、約−０．２Ｖ、約−０．３Ｖ、約−０．４Ｖ等）を電極に適用することができ、そして生じた電流密度は、時間の関数として測定できる。例えば、図７Ａおよび７Ｂ、および関連した例を参照のこと。特定の態様では、過電圧は、約−０．３Ｖに設定され。通常、増加した安定性を有する電極は、より安定でない電極に比較して、反応時間が進むにつれて電極の電流密度におけるより小さい変化を示す。
【００６８】
電流コレクタは、単一の材料を含むことができ、または、複数の材料を含むことができる、ただし、材料の少なくとも１種は実質的に導電性である。ある場合には、電流コレクタは、単一の材料、例えば、ＩＴＯ、白金、ＦＴＯ、ニッケル、導電性炭素メッシュおよび／またはフエルト、またはその同類のものを含むことができる。他の場合、電流コレクタは、少なくとも２種の材料を含むことができる。いくつかの例において、電流コレクタは、コア材料、およびコア材料を実質的に覆う少なくとも１種の材料を含むことができる。他の例において、電流コレクタは、２種の材料を含むことができ、ここで、第２の材料は、第１の材料の一部分と関連できる（例えば、第１の材料と合金との間に位置できる）。材料は、実質的に非導電性（例えば、絶縁性）および／または実質的に導電性であることができる。非限定の例として、電流コレクタは、実質的に非導電性コア材料および実質的に導電性材料の外側層を含むことができる（例えば、コア材料は、Ｖｉｃｏｒガラスを含むことができ、そしてＶｉｃｏｒガラスは、実質的導電性材料（例えば、ＩＴＯ、ＦＴＯ等））により実質的に被覆（例えば、層で被覆）されていることができる）。非導電性コア材料の非限定の例は、無機基材、（例えば、石英、ガラス等）およびポリマー基材（例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリプロピレン等）を含む。もう一つの例として、電流コレクタは、実質的に導電性のコア材料および実質的に導電性または実質的に非導電性の材料を含むことができる。ある場合には、当業者に公知であろうように、材料の少なくとも１種は膜材料である。例えば、膜材料は、ある場合には、プロトンまたは水酸化物イオンの伝導を可能にできる。
【００６９】
実質的に導電性材料の非限定の例として、電流コレクタは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、フッ素酸化スズ（ＦＴＯ）、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガラス質炭素、炭素メッシュ、金属、合金、リチウム含有化合物、金属酸化物（例えば、白金酸化物、酸化ニッケル、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化バナジウム、亜鉛酸化スズ、酸化インジウム、インジウム酸化亜鉛）、グラファイト、ゼオライト、およびその同類のものを含むことができる。好適な金属の非限定の例として、電流コレクタは、（合金および金属酸化物に含まれる金属を含む）、鉄、金、銅、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム、ニッケル、カドミウム、スズ、リチウム、クロム、カルシウム、チタン、アルミニウム、コバルト、亜鉛、バナジウム、ニッケル、パラジウム、タングステン、またはその同類のもの、およびそれらの組み合わせ（例えば、パラジウム銀、スチール、および／またはステンレススチール等の合金）を含むことができる。
【００７０】
電流コレクタはまた、導電性（例えば、セラミック、導電性ポリマー）として当業者に公知の他の金属および／または非金属を含むことができる。ある場合には、電流コレクタは、無機導電性材料（例えば、銅ヨウ化物、銅スルフィド、窒化チタン等）、（例えば、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール等の導電性ポリマー）有機導電性材料、および積層物および／またはそれらの組み合わせを含むことができる。ある場合には、電流コレクタは、半導体材料を含むことができる。
【００７１】
いくつかの例において、電流コレクタは、ニッケル（例えば、ニッケル発泡体またはニッケルメッシュ）等の金属を含むことができる。当業者に公知であろうニッケル発泡体およびニッケルメッシュ材料は、商業的供給元から購入できる。ニッケルメッシュは、通常、編まれたニッケル繊維をいう。ニッケル発泡体は、通常、複数の穴および／または孔を含むわずかな厚さでない（例えば、約２ｍｍ）の材料をいう。ある場合には、ニッケル発泡体は、開放気孔ポリマー発泡体の構造に基づく開放気孔の、金属性構造であることができ、ニッケル金属は、ポリマー発泡体上に被覆される。他の種類の発泡体材料は、当業者に公知であろうし、そして電流コレクタとして使用できる。発泡体電流コレクタ材料の非限定の例は、チタン、銅、ニオブ、ジルコニウム、チタン、タンタル、およびステンレススチールを含むことができる。
【００７２】
電流コレクタは、透明、半透明、半不透明、および／または不透明であることができる。電流コレクタは、固体、半多孔質、および／または多孔質であることができる。電流コレクタは、実質的に結晶または実質的に非結晶、かつ／または均質であるか、もしくは異成分からなることができる。
【００７３】
いくつかの態様において、（何らかの合金の添加前の）電流コレクタおよび／または合金は、高い表面積を有することができる。ある場合には、電流コレクタの表面積は、約０．０１ｍ２／ｇ超、約０．０５ｍ２／ｇ超、約０．１ｍ／ｇ超、約０．５ｍ／ｇ超、約１ｍ／ｇ超、約５ｍ２／ｇ超、約１０ｍ２／ｇ超、約２０ｍ２／ｇ超、約３０ｍ２／ｇ超、約５０ｍ２／ｇ超、約１００ｍ２／ｇ超、約１５０ｍ２／ｇ超、約２００ｍ２／ｇ超、約２５０ｍ２／ｇ超、約３００ｍ２／ｇ超、またはその同類のものであることができる。他のケースの場合、電流コレクタの表面積は、約０．０１ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ、約０．１ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ、約１ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ、約１０ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ約０．１ｍ２／ｇ〜約２５０ｍ２／ｇ、約５０ｍ２／ｇ〜約２５０ｍ／ｇ、またはその同類のものであることができる。ある場合には、電流コレクタの表面積は、非常に高い多孔質の材料を含む電流コレクタによることができる。電流コレクタおよび／または合金の表面積は、当業者に公知であろうように、種々の技術、例えば、光学技術（例えば、光学プロファイル、光散乱等）、電子ビーム技術、機械的技術（例えば、原子間力顕微鏡、表面プロファイル等）、電気化学的技術（例えば、サイクリックボルタンメトリー等）等を使用して測定できる。
【００７４】
電流コレクタの多孔度（または他の構成部分、例えば、電極）は、電流コレクタ中のボイド空間のパーセンテージまたは部分として測定できる。電流コレクタの多孔度パーセンテージは、当業者に公知の技術を使用して、例えば、体積／密度方法、水飽和法、水蒸発法、水銀侵入ポロシメトリー法、および窒素ガス吸着法を使用して測定できる。いくつかの態様において、電流コレクタは、少なくとも約１０％多孔質、少なくとも約２０％多孔質、少なくとも約３０％多孔質、少なくとも約４０％多孔質、少なくとも約５０％多孔質、少なくとも約６０％多孔質、またはそれ以上であることができる。孔は、（例えば、少なくとも一部が電極および／または別の孔の外側表面に開いた孔を有する）通気孔および／または閉じた孔（例えば、孔は電極または別の孔の外側表面に開いた開口を含まない）であることができる。ある場合には、電流コレクタの孔は、通気孔（例えば、電流コレクタの孔では、孔の少なくとも７０％超、少なくとも８０％超、少なくとも９０％超、少なくとも９５％超、またはそれ以上は、通気孔である）から本質的に成ることができる。ある場合には、電流コレクタの一部分のみは、実質的に多孔質であることができる。例えば、ある場合には、電流コレクタの単一表面だけは、実質的に多孔質であることができる。もう一つの例として、ある場合には、電流コレクタの外側表面は、実質的に多孔質であることができ、そして電流コレクタの内側のコアは、実質的に無孔性であることができる。特定の態様では、電流コレクタ全体は、実質的に多孔質である。
【００７５】
電流コレクタは、当業者に公知の技術を使用して、非常に多孔質に作られていることができ、そして／または大きな表面積を含むことができる。例えば、ＩＴＯ電流コレクタは、エッチング技術を使用して非常に多孔質にできていることができる。もう一つの例として、Ｖｉｃｏｒガラスは、エッチング技術を使用して非常に多孔質に製造され、続いてＶｉｃｏｒガラスの実質的にすべての表面が実質的に導電性材料（例えば、ＩＴＯ、ＦＴＯ等）を用いて実質的に被覆されることができる。ある場合には、非導電性コアを実質的に被覆する材料は、（例えば、コア材料実質的に被覆する層ように）フィルムまたは複数の粒子を含むことができる。
【００７６】
ある場合には、電流コレクタは、コア材料の少なくともの一部分が少なくとも１種の異なる材料と関連したコア材料を含むことができる。コア材料は、少なくとも１種の異なる材料で実質的にまたは部分的に被覆されていることができる。非限定の例として、ある場合には、外側の材料は、コア材料を実質的に覆うことができ、および合金は、外側の材料と関連できる。外側の材料は、合金、例えば、水から水素ガスの生成のために合金によって使用されることができる電子がコア材料と合金との間で流れることを可能にする。何らかの理論に拘束されることを望まないが、外側の材料は膜として働くことができ、そして合金に送られたコア材料において電子が生成されることを可能にする。膜はまた、水素が合金から生成され材料を通って横断することを減らし、そして／または防ぐことによって機能する。この配置は、水の酸化で生成された酸素ガスおよび水素ガスの分離が重要である機器内で好都合である。ある場合には、膜中または膜における水素ガスの生成が制限されるように膜は選択できる。
【００７７】
電流コレクタは、実質的に平面であることができ、または実質的に平面でないことができる。例えば、電流コレクタは、波紋、波、デンドリマー、（例えば、ナノ粒子）球、（例えば、ナノロッド）棒、粉末、沈殿物、複数の粒子、およびその同類のものを含むことができる。いくつかの態様において、電流コレクタの表面は、凹凸間の距離および／または凹凸の高さがナノメートル、マイクロメートル、ミリメーター、センチメートルのスケール、またはその同類のものである、凹凸であることができる。いくつかの例において、電流コレクタの平面性は、電流コレクタの粗さを決定することによって決定できる。本明細書中で使用される場合、当業者に公知であろうように、用語「粗さ」は、表面（例えば、電流コレクタ）の織地の尺度をいう。電流コレクタの粗さは、量化、例えば、平面の表面からの電流コレクタの垂直偏差を決定することによって量化できる。接触（例えば、表面形状測定装置等の、表面にかけて測定針をドラグすること）または非接触方法（例えば、干渉法、共焦点顕微鏡、電気的静電容量、電子顕微鏡等）を使用して、粗さを測定できる。ある場合には、表面粗さ、Ｒａ（式中、Ｒａはマイクロメートルで表された表面の谷およびピークの算術平均偏差である）を決定できる。非平面のＲａは、約０．１μｍ超、約１μｍ超、約５μｍ超、約１０μｍ超、約５０μｍ超、約１００μｍ超、約５００μｍ超、約１０００μｍ超、またはその同類のものであることができる。
【００７８】
溶液は任意の好適な材料から生成できる。多くの場合、溶液は、液体であることができ、そして水を含むことができる。いくつかの態様において、溶液は水からなるかまたは水から本質的に成ることができ、すなわち、溶液は、電気化学装置が機能するのに必要な最低の電気伝導度で、それぞれの場合において、本質的に純粋な水または純粋な水と本質的に同じように挙動する水溶液であることができる。いくつかの態様において、金属イオン性種およびアニオン性種が実質的に可溶性であるように溶液は選択される。ある場合には、電極が形成後直ちに機器において使用される場合、本明細書中に記載されたような機器および／または方法によって酸化される水（または他の燃料）を含むように溶液は選択されることができる。例えば、水素ガスが水から生成されることになる例では、溶液は、（例えば、水源から供給された）水を含むことができる。
【００７９】
ある場合には、溶液のｐＨは、ほぼ中性であることができる。すなわち、溶液のｐＨは、約６．０〜約８．０、約６．５〜約７．５であることができ、そして／またはｐＨは、約７．０である。他の場合、溶液のｐＨは、ほぼ中性または酸性である。これらの場合、ｐＨは、約０〜約８、約１〜約８、約２〜約８、約３〜約８、約４〜約８、約５〜約８、約０〜約７．５、約１〜約７．５、約２〜約７．５、約３〜約７．５、約４〜約７．５、または約５〜約７．５であることができる。また他の場合、ｐＨは、約６〜約１０、約６〜約１１、約７〜約１４、約２〜約１２、およびその同類のものであることができる。いくつかの態様において、溶液のｐＨは、ほぼ中性および／または塩基性、例えば、約７〜約１４、約８〜約１４、約８〜約１３、約１０〜約１４、１４超、またはその同類のものであることができる。アニオン性種および金属イオン性種は、所望の状態にあるように、溶液のｐＨを選択できる。例えば、いくつかのアニオン性種は、ｐＨレベル、例えば、リン酸塩の変化によって影響される場合がある。溶液が塩基性（約ｐＨ１２超）の場合、リン酸塩の大部分はＰＯ４−３の形態である。溶液がほぼ中性の場合、リン酸塩はほぼ当量のＨＰＯ４−２の形態およびＨ２Ｐ０４−１の形態である。溶液がわずかに酸性（約ｐＨ６未満）である場合、リン酸塩はＨ２Ｐ０４の形態である。ｐＨレベルはまた、アニオン性種および金属イオン性種の溶解度定数に影響できる。
【００８０】
いくつかの態様において、本明細書中に記載されたような電極は、低絶対値の過電圧でプロトンおよび電子から水素ガスを生成できる。所与の活性を達成するのに必要な熱力学的に決定される還元または酸化電位に追加された電圧を本明細書中において「過電圧」といい、そしてこれは電解装置の効率を制限する場合がある。したがって、過電圧は技術的に所与のその通常の意味であり、すわなち、反応に必要な熱力学的ポテンシャルを差し引いた電気化学反応（例えば、水からの水素ガスの生成）を生じるために、システム、または電極等のシステムの構成部分に適用されなければならない電位である。当業者は、反応を駆動するために特定のシステムに適用されなければならないすべての電位が、典型的には、システムの種々の構成部分に適用されなければならないすべての電位であることができることを理解するであろう。例えば、システム全体のための電位は、典型的には、水の電解から水素ガスが生成される例えば電極において測定される電位より高いことができる。当業者は、水電解からの水素生成のための過電圧が本明細書中において記載される場合、これは、水素そのものへのプロトンおよび電子の変換に必要な電圧に適用され、そして対電極（他の可能な反応の内、酸素およびプロトンおよび電子への水の酸化が生じると推定される）対電極における電圧低下を含まないことを認めるであろう。
【００８１】
プロトンおよび電子からの水素ガスの生成のための熱力学的電位は、反応（例えば、ｐＨ、温度、圧力等）の条件により通常変化する。当業者は、実験的条件によってプロトンおよび電子からの水素ガスの生成のための理論上の熱力学的電位を決定できるであろう。
【００８２】
いくつかの例において、本明細書中に記載されたような電極は、約１ボルト未満、約０．７５ボルト未満、約０．５ボルト未満、約０．４ボルト未満、約０．３５ボルト未満、約０．３２５ボルト未満、約０．３ボルト未満、約０．２５ボルト未満、約０．２ボルト未満、約０．１５ボルト未満、約０．１ボルト未満、約０．０７５ボルト未満またはその同類のものである過電圧の絶対値を用いてプロトンおよび電子（例えば、ガス状のおよび／または液体水）から水素ガスを生成できる。いくつかの態様において、過電圧の絶対値は、約０．１ボルト〜約０．４ボルト、約０．２ボルト〜約０．４ボルト、約０．２５ボルト〜約０．４ボルト、約０．３ボルト〜約０．４ボルト、約０．２５ボルト〜約０．３５ボルト、約０．１〜約０．２ボルト、約０．１〜約０．３ボルト、またはその同類のものである。ある場合には、電極の過電圧の絶対値は、中性ｐＨ（例えば、約ｐＨ７．０）、周囲温度（例えば、約２５℃）、周囲圧力（例えば、約１気圧）、無孔性かつ平面である電流コレクタ（例えば、ＩＴＯプレート）を有する電解質の標準化された条件下で決定される、および約１ｍＡ／ｃｍ２の（本明細書中に記載されたような）幾何学的電流密度（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）において。当然のことながら、本発明のシステムは、直前に記載されたこれらの条件以外の下で使用でき、そして非常に広範な条件が本発明の使用において存在できることを実際当業者は認識するであろう。しかし、上記に記載した条件は、過電圧、生成される酸素および／または水素の量、および本明細書中に規定された性能特徴等の特徴をどのように規定するかの目的のためのみに提供される。具体的な実施形態において、電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３ボルト未満、約０．２５ボルト未満、約０．２ボルト未満、約０．１５ボルト未満、または約０．１ボルト未満の過電圧の絶対値でプロトンおよび電子から水素ガスを生成できる。別の態様では、電極は、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３ボルト未満、約０．２５ボルト未満、約０．２ボルト未満、約０．１５ボルト未満、約０．１ボルト未満、または約０．０７５ボルト未満の過電圧の絶対値で水から水素ガスを生成できる。また別の態様において、電極は、少なくとも１００ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３ボルト未満、約０．２５ボルト未満、約０．２ボルト未満、約０．１５ボルト未満、または約０．１ボルト未満の過電圧の絶対値で水から水素ガスを生成できる。
【００８３】
いくつかの態様において、電極は、約１００％、約９９．８％超、約９９．５％超、約９９％超、約９８％超、約９７％超、約９６％超、約９５％超、約９０％超、約８５％超、約８０％超、約７０％超、約６０％超、約５０％超等のファラデー効率で、水素ガスから水（例えば、ガス状の水および／または液体水）を生成できる。用語「ファラデー効率」は、本明細書中で使用される場合、所与のその通常の技術的意味であり、そして電荷（例えば、電子）が特別な電気化学反応を促進するシステムにおいて移送される有効性をいう。例えば、非生産的な反応、生成物の再結合、システムの短絡、および電子の他の分散に参加できる電子の誤った方向性によってシステムのファラデー効率における損失が生じる場合があり、そして熱の生成および／または化学的副生成物となる場合がある。
【００８４】
ファラデー効率は、ある場合には、知られた量の試薬が、化学量論的に生成物に転化するバルク電解を通して、通過した電流によって測定されるように決定でき、そしてこの量は、別の分析的な方法を通して測定された観察された量の生成物と比較できる。例えば、機器または電極は、プロトンおよび電子から水素ガスを生成するために使用できる。生成された水素ガスの全量は、当業者（例えば、水素センサー、電気化学的方法等を使用して）当業者に知られた技術を使用して測定できる。生成されることが期待される水素の全量は、単純な計算を使用して決定できる。ファラデー効率は、生成された水素ガス対生成される水素ガスの期待される量を決定することによって、決定できる。ある場合には、電極のファラデー効率は、約１日、約２日、約３日、約５日、約１５日、約１月、約２月、約３月、約６月、約１２月、約１８月、約２年等の電極の稼働の期間にわたって、約０．１％未満、約０．２％未満、約０．３％未満、約０．４％未満、約０．５％未満、約１．０％未満、約２．０％未満、約３．０％未満、約４．０％未満、約５．０％未満等変化する。
【００８５】
いくつかの態様において、上記の電極および／または上記の方法を使用して調製された電極を含むシステムおよび／または機器を提供できる。特に、機器は、電気化学装置（例えば、エネルギー変換機器）であることができる。電気化学装置の非限定の例は、本明細書中に記載されたような、電解装置、燃料電池、および再生燃料電池を含む。いくつかの態様において、機器は、電解装置である。電解装置は、電解的に水（例えば、液体および／またはガス状の水）を分解して酸素および／または水素ガスを生成することによって、酸素ガスおよび／または水素ガス発生器として機能できる。電解装置は、電解的に水（例えば、液体および／またはガス状の水）を分解して、酸素および／または水素ガスを生成することにより、酸素ガスおよび／または水素ガス発生器として機能できる。エネルギー変換機器は、いくつかの態様において、自動車、家、村、冷却機器（例えば、冷蔵庫）等を運転させるのに必要なエネルギーの少なくとも一部分を提供するのに使用できる。いくつかの態様において、機器はＯ２および／またはＨ２を生成するのに使用できる。Ｏ２および／またはＨ２を、例えば、燃料電池等の機器を使用して、電気および水に戻して変換できる。ある場合には、しかし、Ｏ２および／またはＨ２は、他の目的（例えば、医療的、工業的、および／または化学的目的）のために使用できる。機器使用の他の非限定の例は、Ｏ２の生成（例えば、ガス状酸素）、Ｈ２の生成（例えば、ガス状水素）、Ｈ２Ｏ２の生成、アンモニアの酸化、炭化水素（例えば、メタノール、メタン、エタノール、およびその同類のもの）の酸化、排気ガス処理等を含む。
【００８６】
いくつかの態様において、電気化学的に水から酸素および水を生成するための電解装置およびシステムおよびこれらに関連した方法を提供できる。１つの設定において、機器は、（例えば、本明細書中に記載されたような）チャンバー、第１の電極、第２の電極を含み、ここで第１の電極は、第２の電極、電解質に対して正にバイアスが掛けられており、ここでそれぞれの電極は、電解質、水の供給元および第１のおよび第２の電極と電気連通した電源と流体接触している。ある場合には、水の供給元は、少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物を含むことができる。第１の電極は、第２の電極手段に向かって、負にまたは正にバイアスが掛けられていると考えることができ、これは第２の電極の第２の電圧電位に対して第１の電極の第１の電圧電位が負または正であることを意味する。第２の電極は、第２の電極に対して、（例えば、水を酸素および水素ガスに変換する熱力学によって規定された最小値）約１．２３Ｖ未満、約１．３Ｖ未満、約１．４Ｖ未満、約１．５Ｖ未満、約１．６Ｖ未満、約１．７Ｖ未満、約１．８Ｖ未満、約２Ｖ未満、約２．５Ｖ未満、およびその同類のもので負にまたは正にバイアスを掛けられることができる。ある場合には、バイアスは、約１．５Ｖ〜約２．０Ｖ、約２．０および２．５Ｖ、約１．６Ｖ〜約１。９Ｖであることができ、または約１。６Ｖである。
【００８７】
プロトンは、当業者に公知であろうような任意の好適なプロトン源を使用して本明細書中に記載された機器に提供できる。プロトン源は、プロトン、例えば、Ｈ＋、Ｈ３Ｏ＋、ＮＨ４＋等を供給できる任意の分子または化学品であることができる。（例えば、燃料電池における燃料としての使用のための）水素源は、例えば、水素ガス、水素リッチガス、天然ガス等の水素を含む任意の物質、化合物、または溶液であることができる。機器に供給される酸素ガスは、実質的に純粋であることができ、または実質的に純粋でないことができる。例えば、ある場合には、酸素リッチガス、空気等の酸素を含む任意の物質、化合物または溶液を提供できる。
【００８８】
電解装置の例が図１に記載されている。電源１２０は第１の電極１２２および第２の電極１２４に電気的に接続されており、ここで第２の電極は、本明細書中に記載されたような電極である。第１の電極１２２および第２の電極１２４は、電解質１２６と接触している。この例において、電解質１２６は、水を含む。しかし、ある場合には、物理的バリアー（例えば、アスベスト、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の微小孔性分離器からなる多孔質隔膜）、およびその同類のものは、第２の電極と接触して電解質溶液から、第１の電極と接触して電解質溶液を分離でき、一方、依然片側から別の側にイオンが流れるようにできる。他の態様において、電解質は、溶液でないことができ、そしてイオンを伝導する固体ポリマーであることができる。そうした場合には、水を任意の好適な水の供給元を使用して機器に提供できる。
【００８９】
この非限定の態様において、電解装置は以下のように稼働できる。電源が入れられ、そして電子正孔対を生成できる。正孔１２８は第１の電極１２２に注入され、そして電子１３０は第２の電極１２４に注入される。第１の電極において、半反応１３２に示すように、水は酸化されて、酸素ガス、４つのプロトン、および４つの電子を生成する。第２の電極において、電子は、半反応１３４に示すように、（例えば、電解質等のプロトン源からの）プロトンと化合して水素を生成する。第１の電極から第２の電極への電子の正味での流れがある。生成された酸素および水素ガスは、燃料電池を含むか、または商業的もしくは別の用途における使用を含む、他の機器において貯蔵され、そして／または使用されることができる。
【００９０】
いくつかの態様において、電解装置は、第２の電気化学電池と電気連通した第１の電気化学電池を含むことができる。第１の電気化学電池は、本明細書中に記載されたような電極を含むことができ、そして水から酸素および／または水素ガスを生成できる。酸素ガスの生成の間に電極から生成された電子は、（例えば、回路を通して）第２の電気化学電池に移送されることができる。電子は、（例えば、水素イオンからの水素ガスの生成のための）第２の反応において、第２の電気化学電池中で使用できる。いくつかの態様において、第１の電気化学電池中で生成された水素イオンの、第２の電気化学電池への輸送を可能にする材料を提供できる。当業者は、そうした機器のために好適な設定および材料を知っているであろう。
【００９１】
いくつかの場合において、例えば、図２に示すように、機器は、第１の材料および第２の材料を含む電流コレクタと関連した合金を含む電極を含むことができ。機器は、ハウジング２９８、水の酸化の間に生成されたＯ２およびＨ２ガスの収集のための第１の出口３２０および第２の出口３２２、第１の電極３０２および（第１の材料３０６、第２の材料３１６、および合金３０８を含む）第２の電極３０７を含むことができる。ある場合には、材料３０４は、第１の電極３０２と第２の電極３０６（例えば、非ドープ半導体）との間に存在できる。機器は、電解質（例えば、３００、３１８）を含む。第２の材料３１６は、電解質（例えば、３１８）が材料の孔を満たす多孔質導電性材料（例えば、バルブ金属、金属性化合物）であることができる。何らかの理論に拘束されることを望まないが、材料３１６は、膜として機能でき、そして第１の材料３０６で生成された電子の第２の材料３１６の外側表面３２４への透過を可能にできる。第２の材料３１６は、第２の材料３１６の孔中で酸素ガスが生成されないように選択されることができ、例えば、酸素ガスの生成のための過電圧が高い場合。酸素ガスは、第２の材料３１６の表面３２４の上またはその近傍（例えば、または第２の材料３１６の外側表面３２４と関連する合金を介して）で生成される場合がある。第２の材料３１６での使用に好適であることができる材料の非限定の例は、チタンジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、タングステン、またはそれらの合金を含む。ある場合には、材料は、バルブ金属窒化物、炭化物、ホウ化物等、例えば、窒化チタン、炭化チタン、またはホウ化チタンであることができる。ある場合には、材料は、酸化チタン、または（例えば、ニオブタンタル、タングステン、フッ素等を用いて）ドープされた酸化チタンであることができる。
【００９２】
ある場合には、燃料電池（または燃料からエネルギーへの変換機器）ならびにそれに関連したシステムおよび方法を提供できる。典型的な、従来の燃料電池は、２つの電極、第１の電極および第２の電極、第１の電極と第２の電極との両方に接触した電解質、および機器によって作り出された電力が引き出される第１の電極および第２の電極中の電気の回路を含む。
【００９３】
燃料電池の製造および稼働は、当業者に公知であろう。電極および／または触媒材料を含むことができる燃料電池機器の非限定の例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、リン酸燃料電池、溶融した炭酸塩燃料電池、固体オキサイド燃料電池、アルカリ性燃料電池、直接のメタノール燃料電池、亜鉛空気燃料電池、プロトンセラミック燃料電池、および微生物燃料電池を含む。いくつかの態様において、機器は、本明細書中に記載されたような触媒材料、電極、または機器を使用して再生燃料電池であることができる。再生燃料電池は、燃料電池および電解装置を含む機器である。
【００９４】
いくつかの態様において、機器は、本明細書中に記載されたような電極または機器を使用する再生燃料電池であることができる。再生燃料電池は、燃料電池および電解装置を含む機器である。電解装置および燃料電池は、電解または燃料電池のいずれかとして稼働できる同じ構成部分によって主として規定できるか、または電解装置と燃料電池との一方もしくは両方は、機器のためのみに使用されるが他のためには使用されない構成部分を含むことができる。例えば、再生燃料電池は、電位、燃料等の入手可能性および設定によって、第１の電極と第２の電極との両方が電解装置と燃料電池との両方のために使用される第１の電極および第２の電極を含むことができる。もう一つの例として、再生燃料電池は、それ自身の一式の電極、電解質、区画、および種々の連結によって規定された電解槽、ならびに電解槽のいくつかまたは全ての構成部分と異なる、それ自身の電極等によって規定される別個の燃料電池を含むことができる。使用の例として、電解装置および燃料電池が同じ構成部分によって主として規定され、機器が電解装置として機能する場合、酸素および水素ガスを、一組の少なくとも２つの電極を使用して水から生成できる。
酸素および水素ガスは貯蔵でき、そして機器が燃料電池として機能する場合、これらの同じ電極を使用して、または同じ電極の少なくとも１つを使用して燃料として使用できる。この配置において、システムが実質的に含まれ、そして繰り返し使用できる。
【００９５】
いくつかの態様において、本明細書中に記載された電極および組成物は、光起電利用（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｓｓｉｓｔｅｄ）光電気化学電池および／または光活性組成物と連結して使用できる。ある場合には、光活性組成物は、光電池、三接合アモルファスシリコン（ｔｒｉｐｌｅ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ ａ−Ｓｉ）光電池、半導体、またはｐ−タイプ半導体フォトカソードである。光電気化学電池、機器、および関連した方法は、当業者に公知であろう。ある場合には、触媒材料は、光活性組成物と直接的に関連でき（例えば、触媒材料は光活性組成物と直接接触している）、または光活性組成物は間接的に関連できる（例えば、触媒材料は光活性組成物と連結して使用されるが、触媒材料と直接接触しない）。例えば、一態様では、光起電利用光電気化学電池で起こるであろうプロセスは以下のようである。第１の電極は、電磁照射に曝されることができ、第１の電極は、光電池の片側に適用された透明導電性被膜を含む。第２の電極は、光電池の反対側に適用されることができ、そして本明細書中に記載されたような合金と接合した導電性層を含むことができる。光は透明被膜を透過でき、そして第１の電極の下の光電池を励起でき、そして電荷キャリアー（例えば、電子正孔対）の生成となることができる。水は、第１の電極において生成された正孔によって酸化できる。第１の電極で生成された水素イオンは、（例えば、電解質を通して）本明細書中に記載された合金水素発生触媒を含む第２の電極に輸送されることができ、そして第１の電極で生成された電子は、光電池を通して第２の電極に移送されることができる。輸送された水素イオン（例えば、Ｈ＋またはＨ２Ｐ０４−などの別の形態）は、第２の電極において輸送された電子で還元されることができ、それによって水素ガスを生成する。
【００９６】
一態様では、タンデムのフォトアノード光起電性、光電気化学電池で起こるプロセスは以下のようである。第１の電極は、電磁照射にさらされることができ、第１の電極は、ｎ−タイプ半導体を含み、そして第２の電極に対して正にバイアスされることができる。光は第１の電極の半導体材料を励起でき、そして電荷キャリアー（例えば、電子正孔対）の生成となることができる。水は第１の電極で生成された正孔によって酸化されることができる。第１の電極で生成された水素イオンは、（例えば、電解質をとおして）本明細書中に記載されたような合金を含む第２の電極に輸送されることができ、そして第１の電極で生成された電子は、回路を通して第２の電極に移送されることができる。輸送された水素イオン（例えば、Ｈ＋またはＨ２Ｐ０４−などの別の形態）は、第２の電極において輸送された電子で還元されることができ、それによって水素ガスを生成する。
【００９７】
光活性組成物は、当業者に公知であろう。光活性材料の非限定の例は、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＴｉＯ２−Ｓｉ、ＢａＴｉＯ３、ＬａＣｒＯ３−ＴｉＯ２、ＬａＣｒＯ３−ＲｕＯ２、ＴｉＯ２−Ｉｎ２Ｏ３、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｐ−ＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ／ｐＧａｏ．２Ｉｎ０．４８Ｐ、ＡＩＧａＡｓ／ＳｉＲｕＯ２、ＰｂＯ、ＦｅＴｉＯ３、ＴａＯ３、ＭｎＴｉＯ３、ＳｎＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３（ヘマタイトを含む）、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＭｏＳ２、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＴｅ、ＨｇＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳ、ＨｇＣｄＴｅ、ＨｇＺｎＳｅ等、またはそれらの複合物を含む。ある場合には、光活性組成物はドープされることができる。例えば、ＴｉＯ２は、Ｙ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｂ、Ｒｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｓ等によりドープされることができ、そしてＳｒＴｉＯ３は、Ｚｒによりドープされることができる。光活性組成物は、例えば、単結晶ウェハー、被膜（例えば、薄膜）、ナノ構造の配列、ナノワイヤー等を含む任意の好適なモルホロジーまたは配置に提供されることができる。当業者は、選択された形態の光活性組成物を調製するための方法および技術を知っているであろう。例えば、ドープＴｉＯ２は、スパッタリング、ゾルゲル、および／またはＴｉの陽極酸化によって調製されることができる。例示的な態様では、光活性組成物は、任意選択的にドープされた、またヘマタイトとしても知られているα−Ｆｅ２Ｏ３を含むことができる。
【００９８】
いくつかの態様において、本明細書中に記載されたような（例えば、水の電解のための）電気化学システムおよび／または機器は、本明細書中に記載された過電圧の任意の１つにおいて主として維持される電圧で稼働できる。すなわち、そうしてシステムにおいて、過電圧は、本明細書中に記載された１つのレベル、または１つの範囲内の一定のレベルで維持されることができるが、一定に維持される必要はない。システムの電位は、使用の間、工程ごとの様式またはその同類のもので、線形に、非線形に調整されることができる。しかし、ある場合には、本明細書中に記載された過電圧でまたは本明細書中に記載された範囲内で、システムが稼働される時間の少なくとも約２５％、少なくとも約４５％、少なくとも約６０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、または少なくとも９８％、システムは稼働される。一態様では、電圧は、システムおよび／または機器が稼働される実質的に１００％の間そうした過電圧に保たれる。これは、システムは、記載された過電圧に保たれることができるが、使用の期間の間そのレベルまたはその範囲の外であるが、本発明にこの形態に従って、上記時間パーセンテージを超えないで、動かされることができることを意味する。
【００９９】
機器の電極の性能は、電流密度（例えば、幾何学的なおよび／または全電流密度）によって測定されることができ、ここで電流密度は、保存された電荷の流れの密度の尺度である。例えば、電流密度は、断面図の単位面積当たり電流である。ある場合には、本明細書中に記載されたような電極の電流密度（例えば、本明細書中に記載されたような幾何学的電流密度および／または全電流密度、）は、約０．１ｍＡ／ｃｍ２超、約１ｍＡ／ｃｍ２超、約５ｍＡ／ｃｍ２超、約１０ｍＡ／ｃｍ２超、約２０ｍＡ／ｃｍ２超、約２５ｍＡ／ｃｍ２超、約３０ｍＡ／ｃｍ２超、約５０ｍＡ／ｃｍ２超、約１００ｍＡ／ｃｍ２超、約２００ｍＡ／ｃｍ２超、およびその同類のものである。
【０１００】
いくつかの態様において、電流密度は、幾何学的電流密度として記載されたように記載されることができる。本明細書中で使用される場合、幾何学的電流密度は、電極の幾何学的な表面積によって割った電流である。電極の幾何学的な表面積は当業者によって理解されるであろうし、そして電極（または電流コレクタ）の外側境界を画定する表面、例えば、巨視的測定具（例えば、定規）によって測定できる範囲をいい、そして表面積（例えば、発泡体等の多孔質材料の孔の内側の面積、またはメッシュ内に含まれ、そして外側境界等を画定しないメッシュのこれらの繊維の表面積）を含まない。
【０１０１】
いくつかの態様において、電流密度は、幾何学的電流密度として記載されたように記載されることができる。本明細書中で使用される場合、幾何学的電流密度は、電極の幾何学的な表面積によって割った電流である。電極の幾何学的な表面積は当業者によって理解されるであろうし、そして電極（または電流コレクタ）の外側境界を画定する表面、例えば、巨視的測定具（例えば、定規）によって測定できる範囲をいい、そして表面積（例えば、発泡体等の多孔質材料の孔の内側の面積、またはメッシュ内に含まれ、そして外側境界等を画定しないメッシュのこれらの繊維の表面積）を含まない。
【０１０２】
いくつかの態様において、本明細書中に記載されたような機器および／または電極は、酸素生成または水素生成が生じる電極においてｃｍ２当りで、それぞれ、時間当り少なくとも約１μｍｏｌ（マイクロモル）、少なくとも約５μｍｏｌ、少なくとも約１０μｍｏｌ、少なくとも約２０μｍｏｌ、少なくとも約５０μｍｏｌ、少なくとも約１００μｍｏｌ、少なくとも約２００μｍｏｌ、少なくとも約５００μｍｏｌ、少なくとも約１０００μｍｏｌ、またはそれ以上のの酸素および／または水素を生成できる。電極の面積は、本明細書中に記載されたような幾何学的な表面積または全表面積であることができる。
【０１０３】
ある場合には、電解装置は、光電池に電気的に接続可能であり、そして光電池によって駆動されることができるように組み立てられかつ並べられることができる（例えば、光電池は、水の電解用機器のための電源であることができる）。光電池は、光を吸収し、そして電気エネルギーに変換する光活性材料を含む。当業者は、光電池「に電気的に接続可能であり、そして」光電池に「よって駆動されることができるように組み立てられかつ並べられることができる」機器の意味を理解するであろう。この配置は、梱包、取扱説明書、独自の（機械的および／または電気的）接続上の特徴、またはその同類のものを通して、相互に連結されることを明らかに示された光電池および電解装置を含む。この態様または他の態様において、２つの（光電池および電解装置）は、キットとして共に梱包されることができる。電解装置は、本明細書中に記載されたような電極または機器のいずれかを含むことができる。光電池、ならびにこれを提供する方法およびシステムは、当業者に公知であろう。ある場合には、本明細書中に記載されたような電極の使用で、時間当りで、光電池のｃｍ２当り、少なくとも約１μｍｏｌ（マイクロモル）、少なくとも約５μｍｏｌ、少なくとも約１０μｍｏｌ、少なくとも約２０μｍｏｌ、少なくとも約５０μｍｏｌ、少なくとも約１００μｍｏｌ、少なくとも約２００μｍｏｌ、少なくとも約５００μｍｏｌ、少なくとも約１０００μｍｏｌの酸素および／または水素ガスの生成速度で水の電解を進めることができる。特定の態様では、本明細書中に記載されたような光起電性機器および電解装置を含む機器は、時間当り、光電池のｃｍ２当り、少なくとも約１０μｍｏｌの酸素および／または水素ガスを生成できる。
【０１０４】
ある場合には、本明細書中に記載されたような機器および方法は、ほぼ周囲条件において行うことができる。周囲条件は、機器および／または方法に関連する温度および圧力を規定する。例えば、周囲条件は、約２５℃の温度および約１．０気圧（例えば、１気圧、１４ｐｓｉ）の圧力によって規定されることができる。ある場合には、この条件は本質的に周囲のものであることができる。本質的に周囲温度範囲の非限定の例は、約０℃〜約４０℃、約５℃〜約３５℃、約１０℃〜約３０℃、約１５℃〜約２５℃、約２０℃において、約２５℃において、およびその同類のものを含む。本質的に周囲圧力範囲の非限定の例は、約０．５気圧〜約１．５気圧、約０．７気圧〜約１。３気圧、約０．８〜約１。２気圧、約０．９気圧〜約１。１気圧、およびその同類のものを含む。特定の場合には、圧力は、約１。０気圧であることができる。周囲または本質的に周囲条件は、任意の条件（例えば、ｐＨ等の条件）とともに、本明細書中に記載された、機器、組成物、触媒材料および／または方法のいずれかとともに、使用されることができる。
【０１０５】
いくつかの態様において、本明細書中に記載されたような方法および／または機器の使用の間に提供され、そして／または生成された水は、ガス状態であることができる。当業者は、蒸気を用いて、ある場合には、過度の実験なしで行われる公知の電気化学的技術を適用できる。例示的な態様として、ある場合には、水は、電極を含む電解装置（例えば、高温度電解または蒸気電解）に、ガス状態で提供されることができる。ある場合には、機器に提供されたガス状の水は、蒸気を本来的に生成する機器またはシステム（例えば、原子力発電所）によって、生成されることができる。ある場合には、電解装置は、第１の多孔質電極および第２の多孔質電極（例えば、本明細書中に記載されたような電極、ニッケルサーメット蒸気／水素電極、混合酸化物電極（例えば、ランタン、ストロンチウム等を含む、コバルト酸素電極等）および電解質を含むことができる。電解質は、選択されたガス（例えば、酸素、オキサイド、分子ガス（例えば、水素、窒素等））に非浸透性であることができる。電解質の非限定の例は、イットリア安定化ジルコニア、バリウム安定化ジルコニア等を含む。ガス状態の水を使用できる１つの電解装置の非限定の例が図３に示されている。電解装置は、第１の電極２００、第２の電極２０２、非浸透性の電解質２０４、電源２０８、および第１の電極と第２の電極とを接続する回路２０６を含んで提供され、ここで第２の電極２０２は、第１の電極２００に対して正にバイアスされている。ガス状の水２１０は、第１の電極２００に提供される。
酸素ガス２１２は、第１の電極２００に提供され、そして時々ガス状の水２１４を含むことができる。水素ガス２１６は、第２の電極２０２で生成される。いくつかの態様において、蒸気電解は、約１００℃〜約１０００℃、約１００℃〜約５００℃、約１００℃〜約３００℃、約１００℃〜約２００℃、またはその同類のものの温度で行われることができる。何らかの理論に拘束されることを望まないが、ある場合には、ガス状態の水を提供することは、水が液体状態中で提供される類似の機器に比較して、さらに効率的に電解を進めることができる。これは、水蒸気のより高い入力エネルギーによることができる。いくつかの例において、提供されるガス状の水は、他のガス（例えば、水素ガス、窒素ガス等）を含むことができる。
【０１０６】
本明細書中に記載されたもの等の電気化学装置に含まれる全体的な電気化学および／または化学の個々の形態は通常公知であり、そして本明細書中に必ずしもすべて詳細に記載されていないであろう。当然のことながら、本明細書中に記載された具体的な電気化学装置は、例示的であるのみであり、そして本明細書中に記載されたような構成部分、連結、および技術は、種々の固体、液体、および／またはガス状燃料、および種々の電極、および電解質（これらは、操作条件下で液体または固体（隣接した構成部分のために実現可能な所では；通常、１種が固体であり、そして液体がある場合には、１種が液体であろう。））を含む任意の好適な電気化学装置に実際に適用できる。記載された電気化学装置ユニット配置が、本明細書中に記載されたように電極を使用できる電気化学装置の単なる例であることがまた理解される。本明細書中に記載されたように、使用され、そして可能とするこれらの本明細書中に開示された以外の多くの構造的な配置は、当業者に明らかであろう。
【０１０７】
したがって、電気化学装置は、より大きい機器またはシステムを形成するように追加の電気化学装置と組み合わせられることができる。いくつかの態様において、これはユニットまたは機器（例えば、燃料電池および／または電解装置）のスタックの形態を取ることができる。１超の電気化学装置が組み合わせられる場合、機器はすべて本明細書中に記載されたような機器であることができ、または本明細書中に記載されたような１種または２種以上の機器は、従来の固体酸化物燃料電池等の他の電気化学装置と組み合わせることができる。当然のことながら、この用語が使用される場合、本発明のシステムおよび技術に従って機能できると当業者が理解するであろう任意の好適な電気化学装置は、置き換えられることができる。
【０１０８】
上記のように、いくつかの態様において、水は、少なくとも１種の不純物（水の供給源中に自然に存在する、例えば、物質、化合物、化学品等）および／または少なくとも１種の添加物（水の供給源に故意に加えられた、例えば、物質、化合物、化学的等）を含むことができる。少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物の存在は、電極の性能にほとんど影響できないか、または実質的に全く影響できない。例えば、ある場合には、本質的に同一の条件下で不純物または添加物を実質的に含まない水を使用した活性に対して、少なくとも１種の不純物または添加物を含む水を使用した活性レベルとほぼ同じで、約９５％超で、約９０％超で、約８０％超で、約７０％超で、約６０％超で、約５０％超で、またはその同類のもので電極は稼働できる。ある場合には、電極の電流密度（または他の性能パラメーター）は、本質的に一定の電気化学的条件下で、約１時間、約２時間、約４時間、約８時間、約１２時間、約１８時間、約１日、約２日、約３日、約４日、約１週間、約２週間、約１月、またはそれ以上の時間にわたって、約５０％、約４０％、約３０％、約２０％、約１５％、約１０％、約８％、約５％、約４％、約３％、約２％、約１％、またはそれ以下を超えては決して低下できない。ある場合には、電極の電流密度は、本質的に一定の電気化学的条件下で４時間の間にわたって約１０％超低下しない。
【０１０９】
用語「本質的に一定の電気化学的条件」は、本明細書中で使用される場合、電極が、本質的に稼働条件になんら調整がされずに、ある時間期間の間稼働される一式の条件をいう。例えば、具体的にシステムの性能を高めるためまたは低下させるために、調整はなんらなされない。しかし、当然のことながら、必要な場合、補充反応物および／または消費される試薬に関連した条件の変化、またはシステムの稼働による条件における固有の変化（例えば、機器の稼働による温度の上昇）は、通常本質的に一定の条件のための用語「本質的に一定の電気化学の条件。」に含まれるものと考えられ、システムの物理的配置および／または操作パラメーターは、所望の時間の間の稼働の間に変化しない。例えば、電圧または電流（これらの１つのが一定に保たれる場合）、入力または出力電源、生成または消費されたガス、回路、構成部分配置、材料等は、本質的に一定の条件の稼働の間に本質的に類似の状態（例えば、システムに適用された電圧／電流が上昇または低下しない、システムの配置において変化しない等）に維持される。ある場合には、反応物および／または試薬は、消費されることができ、そして必要な場合、反応物および／または試薬の濃度または他の測定可能なパラメーター（例えば、ｐＨ）が稼働の間に本質的に一定であるように、（例えば、約０．０１Ｍ未満、約０．０３Ｍ未満、約０．０５Ｍ未満、約０．１Ｍ未満、約０．２Ｍ未満、約０．３Ｍ未満等）のアニオン性種の濃度の変化がないように）追加量の反応物および／または試薬が提供されることができる。ある場合には、システムの温度は、システム（例えば、回路加熱）における固有のプロセスにより使用の間上昇または低下でき、そしてこれは、用語「本質的に一定の条件」に含まれるものと理解されるべきである。しかし、外部の熱源への暴露によりシステムの温度における変化は、用語「本質的に一定の条件。」に含まれるとは考えられない。
【０１１０】
機器、電極、および／または任意の好適な供給元を使用して本明細書中に記載された方法のために、水を供給できる。ある場合には、水は、実質的に純粋な水の供給元（例えば、蒸留水、脱イオン水、化学的グレードの水等）から供給されることができる。ある場合には、水は、瓶詰め水であることができる。ある場合には、水は、天然の供給元および／または純粋でない水の供給元（例えば、水道水、湖の水、海水、雨水、川／小川の水、湖の水、池水、海水、飲料水、汽水、工業用プロセス水等）から提供されることができる。ある場合には、水は、使用の前に（例えば、電解のためのシステム／電極に提供される前に）精製されない。いくつかの例において、水は、使用の前に、粒子および／または他の不純物を除去するためにろ過されることができる。いくつかの態様において、酸素ガス（例えば、本明細書中に記載された電極および／または機器を使用して）酸素ガスを生成するために電解される水は、実質的に純粋であることができる。水の純度は、当業者に公知の１種または２種以上の方法、例えば、抵抗率、（例えば、全有機炭素分析器の使用を通して）炭素含有量、ＵＶ吸光度、酸素吸光度試験、カブトガニ血球抽出成分（ｌｉｍｕｌｕｓ ａｍｅｏｂｏｃｙｔｅ ｌｙｓａｔｅ）試験等を使用して、決定できる。
【０１１１】
少なくとも１種の不純物または添加物は、固体（例えば、粒子状物）、液体、および／またはガスであることができる。ある場合には、不純物または添加物は、可溶化され、そして／または溶解されることができる。例えば、不純物は、イオン性種を含むことができる。ある場合には、不純物は、水の供給元（例えば、水道水、非飲料水、飲料水、海水等）に存在する場合がる不純物であることができる。特定の態様では、上記さらにはここに記載したように、水の供給元は、海水であることができ、そして不純物の１種は、クロライドイオンであることができる。ある場合には、不純物または添加物は、（重金属を含む）金属元素、金属イオン、少なくとも１種の金属を含む化合物、金属を含むイオン性種等の金属を含むことができる。例えば、金属を含む不純物または添加物は、アルカリ土類金属、アルカリ金属、遷移金属、またはその同類のものを含むことができる。金属の具体的非限定の例は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、カリウム、水銀、鉛、バリウム等を含む。ある場合には、不純物または添加物は、有機材料、例えば、有機分子（例えば、ビスフェノールＡ、トリメチルベンゼン、ジオキサン、ニトロフェノール等）、（バクテリア（例えば、エシェリキア、大腸菌等）、細菌、菌類、藻等の）微生物、他の生物学的物質、薬剤的化合物（例えば、薬物、薬物からの分解性性物）、除草剤、ピロゲン、殺虫剤、タンパク質、放射性化合物、無機化合物（例えば、ホウ素、ケイ素、硫黄、窒素、シアン化、リン、ヒ素、ナトリウム等；二酸化炭素、ケイ酸塩（例えば、Ｈ４Ｓ１Ｏ４）、第一鉄および第二鉄化合物、クロライド、アルミニウム、リン酸塩、硝酸塩等を含む化合物）、溶解されたガス、懸濁された粒子（例えば、コロイド）、またはその同類のものを含むことができる。ある場合には、不純物または添加物は、ガス、例えば、一酸化炭素、アンモニア、二酸化炭素、酸素ガス、および／または水素ガスであることができる。ある場合には、ガス不純物は、水中に溶解されていることができる。ある場合には、約５モル％未満、約３モル％未満、約２モル％未満、約１モル％未満、約０．５モル％未満、約０．１モル％未満、約０．０１モル未満％の生成された生成物が少なくとも１種の不純物の任意の部分を含むように、電極は、少なくとも１種の不純物を含む水から水素を生成できる。
【０１１２】
ある場合には、不純物は、約１ｐｐｔ超、約１０ｐｐｔ超、約１００ｐｐｔ超、約１ｐｐｂ超、約１０ｐｐｂ超、約１００ｐｐｂ超、約１ｐｐｍ超、約１０ｐｐｍ超、約１００ｐｐｍ超、約１０００ｐｐｍ超、またはそれ以上の量で水中に存在できる。他の場合、不純物は、約１０００ｐｐｍ未満、約１００ｐｐｍ未満、約１０ｐｐｍ未満、約１ｐｐｍ未満、約１００ｐｐｂ未満、約１０ｐｐｂ未満、約１ｐｐｂ未満、約１００ｐｐｔ未満、約１０ｐｐｔ未満、約１ｐｐｔ未満、またはその同類のものの量で水中に存在できる。ある場合には、水は、少なくとも１種の不純物、少なくとも２種の不純物、少なくとも３種の不純物、少なくとも５種の不純物、少なくとも１０種の不純物、少なくとも１５種の不純物、少なくとも２０種の不純物、それ以上の不純物を含むことができる。ある場合には、不純物の量は、電極および／または機器の稼働の間に増加または減少できる。すなわち、不純物は、電極および／または機器の使用の間にセ制されることができる。例えば、ある場合には、不純物は、水の電解の間に生成されたガス（例えば、酸素ガスおよび／または水素ガス）であることができる。したがって、ある場合には、水は、電極および／または機器の稼働の前に、約１０００ｐｐｍ未満、約１００ｐｐｍ未満、約１０ｐｐｍ未満、約１ｐｐｍ未満、約１００ｐｐｂ未満、約１０ｐｐｂ未満、約１ｐｐｂ未満、約１００ｐｐｔ未満、約１０ｐｐｔ未満、約１ｐｐｔ未満、またはその同類のものの不純物を含むことができる。
【０１１３】
いくつかの態様において、少なくとも１種の不純物は、イオン性種であることができる。ある場合には、水が少なくとも１種のイオン性種を含む場合、水の純度を、水の抵抗率を測定することにより、少なくとも部分的に決定できる。２５℃で水の理論上の抵抗率は、約１８．２ΜΩ・ｃｍである。実質的に純粋でない水の抵抗率は、約１８ΜΩ・ｃｍ未満、約１７ΜΩ・ｃｍ未満、約１６ΜΩ・ｃｍ未満、約１５ΜΩ・ｃｍ未満、約１２ΜΩ・ｃｍ未満、約１０ΜΩ・ｃｍ未満、約５ΜΩ・ｃｍ未満、約３ΜΩ・ｃｍ未満、約２ΜΩ・ｃｍ未満、約１ΜΩ・ｃｍ未満、約０．５ΜΩ・ｃｍ未満、約０．１ΜΩ・ｃｍ未満、約０．０１ΜΩ・ｃｍ未満、約１０００Ω・ｃｍ未満、約５００Ω・ｃｍ未満、約１００Ω・ｃｍ未満、約１０Ω・ｃｍ未満、またはそれ以下であることができる。ある場合には、水の抵抗率は、約１０ＭΩ・ｃｍ〜約１Ω・ｃｍ、約１Ω・ｃｍ〜約１０Ω・ｃｍ、約０．１ＭΩ・ｃｍ〜約１００Ω・ｃｍ、約０．０１ＭΩ・ｃｍ〜約１０００Ω・ｃｍ、約１０、０００Ω・ｃｍ〜約１、０００Ω・ｃｍ、約１０、０００Ω・ｃｍ〜約１００Ω・ｃｍ、約１、０００Ω・ｃｍ〜約１Ω・ｃｍ、約１、０００Ω・ｃｍ〜約１０Ω・ｃｍ、およびその同類のものであることができる。ある場合には、水の供給元が水道水である場合、水の抵抗率は、約１０、０００Ω・ｃｍ〜約１、０００Ω・ｃｍであることができる。ある場合には、水の供給元が海水である場合、水の抵抗率は、約１、０００Ω・ｃｍ〜約１０Ω・ｃｍであることができる。いくつかの例において、水が純粋でない供給元から取られ、そして使用の前に精製された場合、水は、約５％、約１０％、約２０％、約２５％、約３０％、約５０％、またはその同類のもの超増の抵抗率でない様式で精製されることができる。当業者は、水の抵抗率を決定する方法を知っているであろう。例えば、水中に浸された平行電極の間の電気抵抗を測定できる。
【０１１４】
ある場合には、水は、純粋でない水の供給元から得られ、そして／または約１６ΜΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する場合、水は、電解における使用の前に供給元から引かれた後で、約５０％未満、約３０％未満、約２５％未満、約２０％未満、約１５％未満、約１０％未満、約５％未満、またはそれ以下だけその抵抗率を変化する様式で、精製（例えば、ろ過）されることができる。
【０１１５】
いくつかの態様において、例えば、電極を海水の脱塩に使用できるように、水は、ハロゲン化物イオン（例えば、フルオライド、クロライド、ブロマイド、アイオダイド）を含むことができる。ある場合には、ハロゲン化物イオンは、水からの水素ガスの生成の間、（例えば、Ｃｌ２等のハロゲンガスを生成するように）酸化されないことができる。ある場合には、約５モル％未満、約３モル％未満、約２モル％未満、約１モル％未満、約０．５モル％未満、約０．１モル％未満、約０．０１モル％未満の発生したガスが酸化されたハロゲン化物種を含むように、電極はハロゲン化物イオンを含む水から水素を触媒的に生成できる。いくつかの態様において、不純物は、塩化ナトリウムである。
【０１１６】
ある場合には、水の酸化は、動力学、溶解度、およびその同類のものを含む種々の因子により、ハロゲン化物イオン（または他の不純物）の酸化を支配する。例えば、金属イオン性種の配位圏が、アニオン性種によって占有されるように、アニオン性種への金属イオン性種の結合親和性は、ハロゲン化物イオンへの金属イオン性種の結合親和性より大きいことができる。本明細書中に記載されたような電極が、例えば、好適な技術、例えば、質量分析を使用してハロゲンガス（または酸化されたハロゲン化物イオンを含む種）の生成を監視することによって、ハロゲン化物イオンを含む水を使用して水素ガスを生成できる場合、当業者は決定できるであろう。
【０１１７】
ある場合には、水の供給元は、少なくとも１種の添加物（例えば、水の供給元に故意に加えられた化合物または物質）を含むことができる。いくつかの態様において、添加物は、アニオン性種であることができる。例えば、ある場合には、機器は、電流コレクタおよび合金を含む第１の電極ならびに電流コレクタおよび少なくとも１種のアニオン性種および少なくとも１種の金属イオン性種を含む触媒材料を含む第２の電極を含むことができる。水の供給元は、少なくとも１種のアニオン性種を含むことができる。ある場合には、電解質は、触媒材料中に含まれる少なくとも１種のアニオン性種と異なるアニオン性種を含むことができる。例えば、触媒材料は、リン酸塩アニオンを含むことができ、そして電解質は、ホウ酸塩アニオンを含むことができる。
【０１１８】
ある場合には、添加物がアニオン性種である場合、電解質は、（例えば、アニオン性種が錯体、塩等として加えられる場合）対カチオンを含むことができる。アニオン性種は、良好なプロトン受容種であることができる。ある場合には、添加物は、アニオン性でない（例えば、中性の塩基である）良好なプロトン受容種であることができる。中性である良好なプロトン受容種の非限定の例は、ピリジン、イミダゾール、およびその同類のものを含む。水中で添加物または不純物の濃度は、ほぼもしくは少なくとも約０．０１Ｍ、約０．１Ｍ、約０．５Ｍ、約１Ｍ、約２Ｍ、約５Ｍ、約１０Ｍ、もしくはその同類のもの、または約０．０１Ｍ〜約１０Ｍ、約０．１Ｍ〜約５Ｍ、約０．５Ｍ〜約２Ｍ、もしくはその同類のものであることができる。ある場合には、水の少なくとも１種の不純物の濃度は、ほぼまたは少なくとも約１ｐＭ（ピコモル）、約１０ｐＭ、約１００ｐＭ、約１μＭ（マイクロモル）、約１０μＭ、約１００μＭ、約０．００１Ｍ、約０．１Ｍ、またはそれ以上であることができる。
【０１１９】
ある場合には、添加物（例えば、アニオン性種）、例えば、Ｈ２ＰＯ４−またはＨＰＯ−２は、水素イオンを受け取り、そして／または与えることができる。アニオン性種の非限定の例は、リン酸塩（Ｈ３ＰＯ４またはＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２またはＰＯ４−３）の形態、硫酸塩（Ｈ２ＳＯ４またはＨＳＯ４−、ＳＯ４−２）の形態、炭酸塩（Ｈ２ＣＯ３またはＨＣＯ３−、ＣＯ３−２）の形態、ヒ酸塩（Ｈ３ＡｓＯ４またはＨＡｓＯ４−２、Ｈ２ＡｓＯ４−２またはＡｓＯ４−３）の形態、亜リン酸塩（Ｈ３ＰＯ３またはＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２またはＰＯ３−３）の形態、亜硫酸塩（Ｈ２ＳＯ３またはＨＳＯ３−、ＳＯ３−２）の形態、ケイ酸塩の形態、ホウ酸塩（例えば、Ｈ３ＢＯ３、Ｈ２ＢＯ３−、ＨＢＯ３−２等）の形態、硝酸塩の形態、亜硝酸塩の形態、およびその同類のものを含む。いくつかの態様において、添加物は、（例えば、水のｐＨが６〜１０、またはほぼ中性、または本明細書中に記載された任意の他のｐＨ範囲にあるように）バッファーとして機能できる。いくつかの態様において、添加物は、水を塩基性（例えば、ＯＨ、ＮａＯＨ等）となるようにする化合物または物質ではない。すなわち、添加物は、水が約１０以上のｐＨを有するようにさせない。
【０１２０】
ある場合には、添加物（例えば、アニオン性種）は、ホスホネートの形態であることができる。ホスホネートは、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）［式中Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は同一であるかまたは相違することができ、そしてＨ、アルキル、アルケニル、アルキニル、ヘテロアルキル、ヘテロアルケニル、ヘテロアルキニル、アリール、またはヘテロアリールであって、これらすべては任意選択的に置換されているか、または（例えば、化合物がアニオン、ジアニオン等であることができるように）任意選択的に存在しない］を含む化合物である。特定の態様では、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一であるかまたは相違することができ、そしてＨ、アルキル、またはアリールであって、すべて任意選択的に置換されている。ホスホネートの非限定の例は、ＰＯ（ＯＨ）２Ｒ１（例えば、ＰＯ２（ＯＨ）（Ｒ１）−ｙ、ＰＯ３（Ｒ１）−２）（式中、Ｒ１は、上記で規定された（例えば、メチル、エチル、プロピル等のアルキル；フェノール等のアリール等）の形態である。特定の態様では、ホスホネートは、メチルホスホネート（ＰＯ（ＯＨ）２Ｍｅ）、またはフェニルホスホネート（ＰＯ（ＯＨ）２Ｐｈ）の形態であることができる。リン含有アニオン性種の他の非限定の例は、亜ホスフィン酸エステル（ｐｈｏｓｐｈｉｎｉｔｅｓ）（例えば、Ｐ（ＯＲ１）Ｒ２Ｒ３）の形態および亜ホスホン酸エステル（ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｔｅｓ）（例えば、Ｐ（ＯＲ１）（ＯＲ２）Ｒ３）（式中、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は上記の様である）の形態を含む。他の場合、アニオン性種は、以下の化合物：Ｒ１ＳＯ２（ＯＲ２））、ＳＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）、ＣＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）、ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）、ＡｓＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）Ｒ３）、（式中Ｒ１、Ｒ１、およびＲ３上記の様である）の１つの任意の形態を含むことができる。上記のアニオン性種に関して、当業者は、アニオン性種のための適当な置換基を決定できるであろう。
【０１２１】
いくつかの態様において、添加物（例えば、アニオン性種）は、良好なプロトン受容種であることができる。本明細書中で使用される場合、「良好なプロトン受容種」は、特定のｐＨレベルで良好な塩基として機能する種である。例えば、種は、第１のｐＨで良好なプロトン受容種であることができ、そして第２のｐＨで貧弱なプロトン受容種であることができる。当業者はこれに関連した良好な塩基を特定できる。ある場合には、良好な塩基は、溶液中で共役酸のｐＫａがプロトン供与体のｐＫａより大きい化合物であることができる。具体例として、ＳＯ−２は、約ｐＨ２．０で良好なプロトン受容種であることができ、そして約ｐＨ７．０で良好でないプロトン受容種でないことができる。種は、共役酸のｐＫａ値当りで良好な塩基として機能できる。例えば、ＨＰＯ４−２の共役酸は、約７．２のｐＫａ値を有するＨ２ＰＯ４−である。したがって、ＨＰＯ４−２は、ｐＨ７．２の周りでは良好な塩基として機能できる。ある場合には、種は、共役酸のｐＫａ値より少なくとも約４ｐＨ単位、約３ｐＨ単位、約２ｐＨ単位、または約１ｐＨ単位上および／または下のｐＨレベルを有する溶液中で良好な塩基として機能できる。当業者は、どのｐＨレベルでアニオン性種が良好なプロトン受容種であるかを決定できるであろう。
【０１２２】
アニオン性種は、アニオン性種および対カチオンを含むアニオン性化合物として提供されることができる。対カチオンは、任意のカチオン性種、例えば、金属イオン（例えば、Ｋ＋、Ｎａ＋、Ｌｉ＋、Ｍｇ＋２、Ｃａ＋２、Ｓｒ＋２）、ＮＲ４＋（例えば、ＮＨ４＋）；Ｈ＋、およびその同類のものであることができる。具体的な実施形態において、用いられるアニオン性化合物は、Ｋ２ＨＰＯ４であることができる。いくつかの態様において、添加物は、商業的供給元から供給されることができる。商業的供給元は、少なくとも１種の不純物を含むことができ（例えば、リン酸塩の場合、カリウムが存在できる）、商業的供給元中の少なくとも１種の不純物はまた、電極の性能にほとんどまたは実質的に全く影響しない。
【０１２３】
電極、電源、電解質、分離器、容器、回路、絶縁材料、ゲート電極等の機器の種々の構成部分は、種々の構成部分のいずれか、ならびに本明細書中に記載された特許出願のいずれかに記載されたものから当業者によって加工されることができる。構成部分は、成形され、機械加工され、押し出され、プレスされ、アイソプレスされ（ｉｓｏｐｒｅｓｓｅｄ）、浸透処理され、被覆され、未熟状態（ｉｎ ｇｒｅｅｎ ｓｔａｔｅ）または焼成状態とされ、または任意の他の好適な技術によって生成されることができる。当業者は、本明細書中に記載された機器の構成部分を形成するための技術を容易に気付くであろう。
【０１２４】
当業者に公知の電解質は、イオン的に導電性の媒体として機能できる自由イオンを含む任意の物質である。ある場合には、電解質は、液体、ゲル、および／または固体であることができる。ある場合には、電解質は、水を含むことができ、水の供給元として機能できる。しかし、他の態様において、電解質は、例えば、ｉ電解質が固体である態様において、水を含まない。電解質は、メタノール、エタノール、硫酸、メタンスルホン酸、硝酸、ＨＣｌの混合物、酢酸のような有機酸等をまた含むことができる。ある場合には、電解質は、水、有機溶媒、アミンおよびその同類のもの等の溶媒の混合物を含むことができる。ある場合には、電解質（または水の供給元）のｐＨは、ほぼ中性であることができる。すなわち、電解質（または水の供給元）のｐＨは、約５．５〜約８．５、約６．０〜約８．０、約６．５約７．５であることができ、そして／またはｐＨは、約７．０である。特定の場合には、ｐＨは、約７．０である。他の場合、電解質のｐＨは、ほぼ中性または酸性である。これらの場合、ｐＨは、約０〜約８、約１〜約８、約２〜約８、約３〜約８、約４〜約８、約５〜約８、約０〜約７．５、約１〜約７．５、約２〜約７．５、約３〜約７．５、約４〜約７．５、約５〜約７．５の範囲であることができる。また他の場合、ｐＨは、約６〜約１０、約６〜約１１、約７〜約１４、約２〜約１２、およびその同類のものであることができる。具体的な実施形態において、ｐＨは、約６〜約８、約５．５〜約８．５、約５．５〜約９．５、約５〜約９、約３〜約１１、約４〜約１０、または任意の他のそれらの組み合わせである。ある場合には、電解質が固体である場合、電解質は、固体ポリマー電解質を含むことができる。固体ポリマー電解質は、プロトン等のカチオンまたはアニオンを伝導する固体電解質として機能でき、そして電気化学電池内で生成され、そして／または利用されるガスを分離できる。固体ポリマー電解質の非限定の例は、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、硬化または架橋されたポリアクリレートおよび／またはポリウレタン、および市販されているＮＡＦＩＯＮ（商標）である。非液体電解質の非限定の態様は、リチウム塩およびポリエチレンオキサイドまたはポリプロピレンオキサイド等のイオン導電性ポリマー；ポリビニルクロライド）、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリ（ビニリデンフルオライド）、ポリ（ビニル）スルホン等の非イオン性導電性ポリマーを使用して生成されたゲルポリマー電解質、またはそれらの組み合わせを使用して生成された電解質を含む。
【０１２５】
いくつかの態様において、システムは、イオン交換膜を含むことができる。例えば、イオン交換膜および／またはカチオン交換膜（すなわち、アニオンおよび／またはカチオン交換可能イオンを有するもの）を使用でき、そして商業的供給元（例えば、Ｔｏｋｕｙａｍａ（Ｊａｐａｎ）またはＦｕｍａ−Ｔｅｃｈ（Ｇｅｒｍａｎｙ）−ポリマーと関連した第四級アンモニウム基）から容易に入手可能である。アニオン性交換膜の非限定の例は、複数のカチオン性種（例えば、第四級アンモニウム基、ホスホニウム基等）と関連したポリ（エチレンコ−テトラフルオロエチレン）、ポリ（ヘキサフルオロプロピレンコ−テトラフルオロエチレン）、ポリ（エピクロロヒドリン−アリルグリシジルエーテル）、ポリ（エーテルイミド）、ポリ（エーテルスルホン）カルド（ｃａｒｄｏ）、ポリ（２、６−ジメチル−１、４−フェニレンオキサイド）、ポリスルホン、またはポリエーテルスルホンを含む。
【０１２６】
ある場合には、電解質は、１種または２種以上のイオン性種を選択的に輸送するために使用されることができる。いくつかの態様において、電解質は、酸素イオン導電性膜、プロトン伝導体、炭酸塩（ＣＯ３２）伝導体、ＯＨ−伝導体、および／またはそれらの混合物の少なくとも１種である。ある場合には、電解質は、立方晶系蛍石構造、ドープされた立方晶系蛍石、プロトン交換ポリマー、プロトン交換セラミック、およびそれらの混合物の少なくとも１種である。さらに、電解質として使用できる酸素イオン導電性オキサイドは、ガドリニウムドープセリア（Ｇｄｘ１−ｘＣｅｘＯ２−ｄ）またはサマリウムドープセリア（Ｓｍ１−ｘＣｅｘＯ２−ｄ）等のドープされたセリア化合物、イットリウムドープジルコニア（Ｙ１−ｘＺｒｘＯ２−ｄ）等のドープされたジルコニア化合物またはスカンジウムドープジルコニア（Ｓｃ１−ｘＺｒｘＯ２−ｄ）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙＭｇｙＯ３−ｄ等のペロブスカイト材料、イットリア安定化ビスマスオキサイド、および／またはそれらの混合物を含む。電解質として使用できるプロトン導電性オキサイドの例は、未ドープおよびイットリウムドープＢａＺｒＯ３−ｄ、ＢａＣｅＯ３−ｄ、およびＳｒＣｅＯ３−ｄ、ならびにＬａ１−ｘＳｒｘＮｂＯ３−ｄを含むがこれらに限られない。
【０１２７】
ある場合には、電解質は、電気化学装置中で再循環させことができる。すなわち、電気化学装置中で電解質を動かすことができる機器を提供できる。電気化学装置中の電解質の動きは、電解質の境界層を減少させることを助けることができる。境界層は、電極の直ぐ近傍にある流体の層である。通常、境界層が存在する程度は、溶液中の流体の流速の関数である。したがって、流体が流れない場合、境界層は、流体が流れる場合より遙かに大きい。
したがって、電気化学装置中の電解質の動きは、境界層を減少させることができ、そして機器の効率を改善できる。
【０１２８】
大部分の態様において、機器は、本明細書中に記載されたような少なくとも１つの電極を含むことができる。いくつかの例において、機器は、本明細書中に記載されたようなものの他に電極を含むことができる。いくつかの態様において、機器は、例えば、２００８年６月１８日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／０７３、７０１号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００８年７月３０日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／０８４、９４８号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’２００８年１０月８日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／１０３、８７９号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００９年１月２２日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／１４６、４８４号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００９年５月１９日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／１７９、５８１号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、および２００９年６月１７日出願のＮｏｃｅｒａらの米国特許出願公開第１２／４８６、６９４号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ， ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’（参照により本明細書中に取り込む）に記載されたような電流コレクタおよび電流コレクタと関連する（例えば、コバルトイオンおよびリンを含むアニオン性種を含む）触媒材料を含む電極を含むことができる。電流コレクタは、本明細書中に記載されたような水から水素を生成するための電極の電流コレクタに含まれるのと同一または相違できる材料を含むことができる。
【０１２９】
いくつかの態様において、電源は、電気化学装置にＤＣまたはＡＣ電圧を供給できる。非限定の例は、電池、送電網、再生電力供給源（例えば、風力発電機、光電池、潮力エネルギー発電機）、発電奇異、およびその同類のものを含む。電源は、１種または２種以上のそうした電源（例えば、電池および光電池）を含むことができる。特定の態様では、電源は、光電池である。
【０１３０】
ある場合には、電気化学装置は、分離膜を含むことができる。電気化学装置のための分離膜または分離器は好適な材料、例えば、プラスチックフィルムでできていることができる。含まれるプラスチックフィルムの非限定の例は、ポリアミド、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、またはアクリル樹脂およびそこに分散された炭酸リチウム、または水酸化カリウム、またはナトリウムカリウム過酸化物を含む。
【０１３１】
本発明の電極が燃料電池と連結して使用される場合、任意の好適な燃料、酸化剤、および／または反応物等が電気化学装置に提供されることができる。特定の態様では、燃料は、酸素と反応して生成物としての水を生成する水素ガスである。しかし、他の燃料および酸化剤を使用できる。例えば、メタン等の炭化水素ガスは、生成物としての水および二酸化炭素を生成するように燃料として使用できる。天然のガス、プロパン、ヘキサン等の他の炭化水素ガスはまた、燃料として使用できる。さらに、これらの炭化水素材料は、炭素一酸化炭素等の含有燃料に改質できるか、またはあらかじめ供給され一酸化炭素はまた、燃料として使用できる。
【０１３２】
参照により以下の参照文献：２００９年８月２７日出願のＥｓｓｗｅｉｎらの米国仮特許出願第６１／２３７、５０７号明細書、発明の名称’Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００９年１２月４日出願のＲｅｅｃｅらの米国仮特許出願第６１／２６６、８２６号明細書、発明の名称’’Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００９年１２月１１日出願のＥｓｓｗｅｉｎらの米国仮特許出願第６１／２８５、８４４号明細書、発明の名称’’Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２０１０年３月３日出願のＲｅｅｃｅらの米国仮特許出願第６１／３１０、０８４号明細書、発明の名称’’Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’および２０１０年７月１６日出願のＲｅｅｃｅらの米国仮特許出願第６１／３６５、１０２号明細書、発明の名称’’Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’を本明細書中に取り込む。
【０１３３】
本発明の種々の形態の理解を助けることができる種々の定義を提供する。
【０１３４】
通常、用語「脂肪族」は、本明細書中で使用される場合、下記に記載するように、任意選択的に１つまたは２つ以上の官能基で置換された飽和および不飽和、直鎖（すなわち、非分枝）または分枝脂肪族炭化水素のいずれをも含む。当業者によって理解されるであろうように、「脂肪族」は、本明細書中では、アルキル、アルケニル、アルキニル部分を含むがこれに限られないことを意図する。したがって、具体的な脂肪族基は、例えば、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、アリル、ｎ−ブチル、ｓｅｃ−ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｎ−ペンチル、ｓｅｃ−ペンチル、イソペンチル、ｔｅｒｔ−ペンチル、ｎ−ヘキシル、ｓｅｃ−ヘキシル、部分およびその同類のもの、（そしてこれらはまた、上記に記載したように１つまたは２つ以上の置換基を有する）を含むがこれらに限られない。
【０１３５】
本明細書中で使用される場合、用語「アルキル」は、所与のその通常の技術的意味であり、そして直鎖アルキル基、分枝鎖アルキル基、シクロアルキル（脂環式の）基、アルキル置換シクロアルキル基、およびシクロアルキル置換アルキル基を含む飽和脂肪族基を含むことができる。類似の慣例が「アルケニル」「アルキニル」およびその同類のもの等の他の一般的な用語に適用される。さらに、本明細書中で使用される場合、用語「アルキル」「アルケニル」「アルキニル」およびその同類のものは、置換された基と非置換の基の両方を含む。
【０１３６】
いくつかの態様において、直鎖または分枝鎖アルキルは、その主鎖中に、３０以下の炭素原子、そしてある場合には、２０以下の炭素原子を有することができる。いくつかの態様において、直鎖または分枝鎖アルキルは、その主鎖中に、１２以下の炭素原子（例えば、直鎖でＣ１〜Ｃ１２、分枝鎖でＣ３〜Ｃ１２）を有するか、６以下の炭素原子を有するか、または４以下の炭素原子を有する。同様に、シクロアルキルは、それらの環構造中に３〜１０の炭素原子またはそれらの環構造中に５、６もしくは７の炭素を有する。アルキル基の例は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、シクロプロピル、ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、シクロブチル、ヘキシル、シクロヘキシル、およびその同類のものを含むがこれらに限られない。ある場合には、アルキル基は環状でないことができる。非環状アルキルの例は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｎ−ペンチル、ネオペンチル、ｎ−ヘキシル、ｎ−ヘプチル、ｎ−オクチル、ｎ−デシル、ｎ−ｕｎデシル、およびドデシルを含むがこれらに限られない。
【０１３７】
用語「アルケニル」および「アルキニル」は、上記のアルキル基に長さが類似で置換可能であるが、それぞれ少なくとも１つの二重結合または三重結合を有する不飽和脂肪族基をいう。アルケニル基は、例えば、エテニル、プロペニル、ブテニル、１−メチル−２−ブテン−１−イル、およびその同類のものを含むがこれらに限られない。アルキニル基の非限定の例は、エチニル、２−プロピニル（プロパルギル）、１−プロピニル、およびその同類のものを含む。
【０１３８】
用語「ヘテロアルケニル」および「ヘテロアルキニル」は、上記のアルキル基に長さが類似で置換可能であるが、それぞれ少なくとも１つの二重結合または三重結合を有する不飽和脂肪族基をいう。
【０１３９】
本明細書中で使用される場合、用語「ハロゲン」または「ハロゲン化物」は、−Ｆ、−Ｃｌ、−Ｂｒ、または−Ｉを指定する。
用語「アリール」は、任意選択的に置換された、単環（例えば、フェニル）、複数環（例えば、ビフェニル）、または少なくとも１つが芳香族である（例えば、１、２、３、４−テトラヒドロナフチル、ナフチル、アントリル、またはフェナントリル）複数の縮合環を有する芳香族炭素環式基をいう。すなわち、少なくとも１つの環は、共役π電子系を有することができ、一方他の、隣接する環は、シクロアルキル、シクロアルケニル、シクロアルキニル、アリール、および／または複素環であることができる。アリール基は、本明細書中に記載されたように任意選択的に置換されていることができる。「炭素環式アリール基」は、芳香族環上の環原子が炭素原子であるアリール基をいう。炭素環式アリール基は、単環状炭素環式アリール基および多環式またはナフチル基等の（例えば、２つまたは３つ以上の隣接した環原子が２つ隣接する環に共通である）縮合環化合物を含む。アリール基の非限定の例は、フェニル、ナフチル、テトラヒドロナフチル、インダニル、インデニルおよびその同類のものを含む。
【０１４０】
用語「ヘテロアリール」は、複素環等の環原子として少なくとも１つのヘテロ原子を含むアリール基をいう。ヘテロアリール基の非限定の例は、ピリジル、ピラジニル、ピリミジニル、ピロリル、ピラゾリル、イミダゾリル、チアゾリル、オキサゾリル、イソオキサゾリル、チアジアゾリル、オキサジアゾリル、チオフェニル、フラニル、キノリニル、イソキノリニル、およびその同類のものを含む。
【０１４１】
また当然のことながら、本明細書中に規定されたように、アリールおよびヘテロアリール部分は、脂肪族、脂環式、ヘテロ脂肪族、ヘテロ脂環式、アルキルまたはヘテロアルキル部分を介して結合されていることができ、したがってまた、−（脂肪族）アリール、−（ヘテロ脂肪族）アリール、−（脂肪族）ヘテロアリール、−（ヘテロ脂肪族）ヘテロアリール、−（アルキル）アリール、−（ヘテロアルキル）アリール、−（ヘテロアルキル）アリール、および−（ヘテロアルキル）ヘテロアリール部分を含む。したがって、本明細書中で使用される場合、語句「アリールまたはヘテロアリール」および「アリール、ヘテロアリール、（脂肪族）アリール、−（ヘテロ脂肪族）アリール、−（脂肪族）ヘテロアリール、−（ヘテロ脂肪族）ヘテロアリール、−（アルキル）アリール、−（ヘテロアルキル）アリール、−（ヘテロアルキル）アリール、および−（ヘテロアルキル）ヘテロアリール」は、置き換え可能である。
【０１４２】
上記の基はいずれも任意選択的に置換されていることができる。本明細書中で使用される場合、用語「置換」は、有機化合物のすべての許容できる置換基を含むと考えられ、「許容できる」とは、当業者に公知の原子価の化学的規則の概念である。「置換」はまた、例えば、転位、環化、除去等によるなどの転化を自発的に受けない安定な化合物となる置換を含むと理解されるであろう。ある場合には、「置換」は、通常水素の本明細書中に記載されたような置換基との置換をいうことができる。しかし、「置換」は、本明細書中で使用される場合、「置換された」官能基が、置換を通して、例えば、異なる官能基になるような、それによって分子が特定される重要な官能基の置換および／または変更を含まない。例えば、「置換フェニル基」は、依然フェニル部分を含まなければならず、そして置換によって、この定義において、例えば、ピリジン環に変更されることはできない。広い形態では、許容できる置換基は、有機化合物の非環式および環状、分枝および非分枝、炭素環式および複素環、芳香族および非芳香族置換基を含む。具体的な置換基は、例えば、本明細書中に記載されたものを含む。許容できる置換基は、１種または２種以上のかつ同一であるかまたは相違する適当な有機化合物であることができる。本発明の目的のために、窒素等のヘテロ原子は、水素置換基および／またはヘテロ原子の価数を満たす本明細書中に記載された有機化合物の任意の許容できる置換基を有することができる。
【０１４３】
置換基の例は、脂肪族の、脂環式の、ヘテロ脂肪族の、ヘテロ脂環式の、ハロゲン、アジド、アルキル、アラルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、ヒドロキシル、アルコキシル、アミノ、ニトロ、スルヒドリル、イミノ、アミド、ホスホネート、ホスフィネート、カルボニル、カルボキシル、シリル、エーテル、アルキルチオ、ヘテロアルキルチオ、ヘテロアリールチオ、スルホニル、スルホンアミド、ケトン、アルデヒド、エステル、ヘテロシクリル、芳香族またはヘテロ芳香族部分、−ＣＦ３、−ＣＮ、アリール、アリールオキシ、パーハロアルコキシ、アラルコキシ、ヘテロアリール、ヘテロアリールオキシ、ヘテロアリールアルキル、ヘテロアラルコキシ、アジド、アミノ、ハロゲン化物、アルキルチオ、オキソ、アシルアルキル、カルボキシエステル、カルボキサミド、アシルオキシ、アミノアルキル、アルキルアミノアリール、アルキルアリール、アルキルアミノアルキル、アルコキシアリール、アリールアミノ、アラルキルアミノ、アルキルスルホニル、カルボキサミドアルキルアリール、カルボキサミドアリール、ヒドロキシアルキル、ハロアルキル、アルキルアミノアルキルカルボキシ、アミノカルボキサミドアルキル、シアノ、アルコキシアルキル、パーハロアルキル、アリールアルキルオキシアルキル、（例えば、ＳＯ４（Ｒ’）２）、リン酸塩（例えば、ＰＯ４（Ｒ’）３）、シラン（例えば、Ｓｉ（Ｒ’）４）、ウレタン（例えば、Ｒ’Ｏ（ＣＯ）ＮＨＲ’）、およびその同類のものを含むがこれらに限られない。さらに、置換基は、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、−ＯＨ、−ＮＯ２、−ＣＮ、−ＮＣＯ、−ＣＦ３、−ＣＨ２ＣＦ３、−ＣＨＣ１２、−ＣＨ２ＯＲｘ、−ＣＨ２ＣＨ２ＯＲｘ、−ＣＨ２Ｎ（ＲＸ）２、−ＣＨ２ＳＯ２ＣＨ３、−Ｃ（Ｏ）Ｒｘ、−ＣＯ２（Ｒｘ）、−ＣＯＮ（Ｒｘ）２、−ＯＣ（Ｏ）Ｒｘ、−Ｃ（Ｏ）ＯＣ（Ｏ）Ｒｘ、−ＯＣＯ２Ｒｘ、−ＯＣＯＮ（Ｒｘ）２、−Ｎ（ＲＸ）２、−Ｓ（Ｏ）２Ｒｘ、−ＯＣＯ２Ｒｘ、−ＮＲｘ（ＣＯ）Ｒｘ、−ＮＲｘ（ＣＯ）Ｎ（Ｒｘ）２から選択でき、ここでそれぞれのＲｘは、独立して、Ｈ、脂肪族、脂環式、ヘテロ脂肪族、ヘテロ脂環式、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、またはアルキルヘテロアリールを含むがこれらに限られず、本明細書中の任意の、脂肪族、脂環式、ヘテロ脂肪族、ヘテロ脂環式、アルキルアリール、またはアルキルヘテロアリール置換基は、置換または非置換、分枝または非分枝、環状または非環式であることができ、そして本明細書中のいずれの、アリールまたはヘテロアリール置換基は、置換または非置換であることができる。
【０１４４】
以下の例は本発明のある態様を具体的に示すことを目的とするが、本発明の全範囲を例示することを目的としない。
【実施例】
【０１４５】
例１
以下の例は、ニッケル合金（例えば、触媒材料）を含む電極の合成および水からの水素ガスの生成のための電極の使用を記載する。具体的に、白金（Ｐｔ）およびニッケルモリブデン（ＮｉＭｏ）について、リン酸カリウム（ＫＰｉ）およびホウ酸カリウム（ＫＢｉ）を含むバッファー化された溶液中での水素（Ｈ２）を発生させるそれらの触媒能力を評価した。
【０１４６】
材料および一般的な方法。リン酸カリウム（一塩基性）、リン酸二カリウム（二塩基性）、クエン酸ナトリウム二水和物、水酸化アンモニウム、水酸化カリウム（ＫＯＨ）（ＶＷＲ）、ホウ酸（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、硫酸ニッケル六水和物（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）、およびモリブデン酸ナトリウム二水和物（ＥＭＤ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）を入手したまま使用した。バッファー溶液を１．０Ｍ濃度に調整し、ｐＨをＫＯＨで調整し、そして使用前に、溶液を０．２μｍのＮｙｌａｆｌｏ膜（ＶＷＲ）を通してろ過した。すべての電気化学的実験を、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極（ＢＡＳｉ）およびａ Ｐｔワイヤー対電極（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）を有するポテンショスタット（ＣＨ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓモデル７６０Ｃ）を使用して３電極電池設定中で行った。
【０１４７】
電極の調製
ＮｉＭｏ合金（１８％ Ｍｏ）を、Ｐｔ回転円盤電極（ＲＤＥ）上の電気めっきにより調製した。堆積前に、Ｐｔ ＲＤＥを、アルミナを用いて研磨し、そして電解質中において１分間、超音波分解した。以下の順序：＋２Ｖ（６０秒）；−２Ｖ（６０秒）；＋２Ｖ（６０秒）；−２Ｖ（１０秒）による酸化電位と還元電位との間の電位サイクルの適用により６ＭＨＣｌ電解質中で、電極をさらに調整した。Ｐｔ ＲＤＥを、水酸化アンモニウムを使用して１０．５にｐＨを調整した硫酸ニッケル六水和物（６４ｇ／Ｌ）、モリブデン酸ナトリウム二水和物（４８ｇ／Ｌ）、およびクエン酸ナトリウム二水和物（１０５ｇ／Ｌ）を含む溶液に浸した。電極回転機（Ｐｉｎｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を使用して２０００回転／分で電極を回転させながら、１００ｍＡ／ｃｍ２のカソード電流を定電流で、作用ＲＯＥ電極に１時間適用した。
【０１４８】
電気化学的方法。
ＰｔおよびＮｉＭｏ ＲＤＥのバルク電解を、２５００回転／分で回転させながら、両電解質溶液（ＫＰｉ：Ａｇ／ＡｇＣｌに対し−０．８１０Ｖ；ＫＢｉ：Ａｇ／ＡｇＣｌに対し−０．９４０Ｖ）中で、Ｈ２の発生のための−２００ｍＶ過電圧で行った。類似のバルク電解測定をまたぜん動ポンプ（Ｃｏｌｅ−Ｐａｒｍｅｒ Ｍａｓｔｅｒｆｌｅｘ）を使用して１１０ｍＬ／分で電解質を流す特製ポリカーボネートフローセル中でＰｔ箔（１ｃｍ２）を用いて行った。それぞれを別個の溶液中で行った。Ｔａｆｅｌプロットを１．０Ｍ ＫＰｉおよび１．０Ｍ ＫＢｉ中のバルク電解前または後のＰｔおよびＮｉＭｏの触媒活性を比較するために使用した。種々の適用された電位で電流を測定することによって、電流電位データを得た。すべてのＴａｆｅｌ実験を、２５００回転／分で回転させたＲＤＥを用いて行った。従来の伝導度プローブを使用して測定された報告された電位は、溶液の抵抗で較正されている。Ｐｔ ＲＤＥでは、電極を、それぞれの電流測定の前に、上記の手順により定電圧に調整した。
【０１４９】
結果および検討
ＫＰｉおよびＫＢｉ中のＰｔのバルク電解は、水素発生の間に電極の活性が急速に低下することを示す（図４Ａ、図４Ｂ）。ＫＰｉ電解質の場合（図４Ａ）、初期活性は、約１５ｍＡ／ｃｍ２（Ｐｔ箔）および４７ｍＡ／ｃｍ２（Ｐｔ ＲＤＥ）であり、３時間かけて約０．６ｍＡ／ｃｍ２に低下する。類似の挙動がＫＢｉ電解質中のＰｔ ＲＤＥで観察された（図４Ｂ）。対照的に、水素発生活性が、ＮｉＭｏ合金で被覆した電極を使用した電解の間維持された。図４Ａは、約１０ｍＡ／ｃｍ２の初期電流が電圧の適用により得られることを示し、これは１時間かけてわずかに１２ｍＡ／ｃｍ２に上がり、そして電解実験の残りの間維持される。類似の性能が、２．４ｍＡ／ｃｍ２の活性を有するＫＢｉ電解質（図４Ｂ）で観察された。
【０１５０】
ＫＰｉ （図５Ａ）およびＫＢｉ （図５Ｂ）の両電解質における電解の前および後のＮｉＭｏ合金でのＴａｆｅｌ活性プロット（過電圧対対数の電流密度）を生成する適用された電位の関数として、活性を測定した。このプロットは、Ｔａｆｅｌ勾配および交換電流密度（ｘ−ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ）が、カソードの稼働でわずかに増加することを示し、そしてＮｉＭｏで機能化された電極がこれらの操作条件下およびこの時間尺度で水素発生に向けてわずかにさらに活性となることを示す。これらのデータは、上記のバルク電解データと一致する。
【０１５１】
例２
以下の例は、ｐＨ７のリン酸塩およびｐＨ９．２のホウ酸塩電解質中での水素発生反応のための高活性を有する安定な合金の調製を記載する。
【０１５２】
ＮｉＭｏ合金の堆積
ＮｉＭｏめっき浴は、硫酸ニッケル（ＩＩ）六水和物（６４ｇＬ−１；Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）、モリブデン酸ナトリウム二水和物（４８ｇＬ〜1；ＥＭＤ）、およびクエン酸ナトリウム二水和物（６０ｇＬ−１；ＶＷＲ）からなる。浴のｐＨを、水酸化アンモニウム（ＶＷＲ）を使用して１０．５に調整した。ＮｉＭｏを、１時間で２０００回転／分の回転速度で、１００ｍＡｃｍ−２の電流密度でＰｔ ＲＤＥ基材上に堆積させた。生じた堆積は、堆積中に回転が含まれていたため目立ったらせんパターンで現われた。らせん中の着色は、光沢のある金属から主になる端を有する、暗黒色と光沢のある金属との間で変化した。ＮｉＭｏを、７５原子％ Ｎｉおよび２０原子％ Ｍｏの存在を報告された類似のめっき浴を使用して堆積させた。
【０１５３】
ＮｉＦｅＺｎ合金の堆積
ＮｉＦｅＺｎめっき浴は、硫酸ニッケル（ＩＩ）六水和物（３００ｇ Ｌ−１）、硫酸亜鉛水和物（０．７ｇ Ｌ−１； Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）および硫酸アンモニウム鉄（ＩＩ）六水和物（１０ｇ Ｌ−１；Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）からなる。ＮｉＦｅＺｎを、１００ｍＡ・ｃｍ−２の電流密度で、１時間に２０００回転／分の回転速度で、Ｐｔ ＲＤＥ基材上に堆積させた。生じる活性をＮｉＭｏと関連させるために、この電流密度を選択した。生じたフィルムを、塩基中で３時間放置して、評価の前に抽出物Ｚｎを浸出させた。堆積物は厚く、明るい灰色であり、そして触ると硬かった。泡は浸出の間に観察されなかった。
【０１５４】
ＮｉＭｏＣｄ合金の堆積
ＮｉＭｏＣｄめっき浴は、塩化ニッケル（ＩＩ）六水和物（９．５１ｇ Ｌ−１）、モリブデン酸ナトリウム二水和物（４．８４ｇ Ｌ−１）、硝酸カドミウム四水和物（０．０９２５ｇ Ｌ−１；Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、ピロリン酸ナトリウム四塩基性（３４．５７ｇ Ｌ−１；Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）および重炭酸ナトリウム（７４．７７ｇ Ｌ−１；ＶＷＲ）からなる。ヒドラジン水和物（１．２１ｍＬ Ｌ−１； Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）を、めっきの直前に加えた。ＮｉＭｏＣｄを、０．０７７５Ａ ｃｍ−２の電流密度で３０分間、３０００回転／分の回転速度で、Ｐｔ ＲＥＤ基材上に堆積させた。表面上の水素発生が２０００回転／分での電気めっきプロセスを妨げたので、より早い回転速度が必要であった。評価の前に、Ｍｏを抽出するために、堆積物を塩基中に１８時間放置し浸出させた。浸出の前には、堆積物は暗い下層を有し不透明に見えた。浸出では、堆積物は暗く見えた。
結果
これらの研究で、作用電極（Ｐｉｎｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）としてＰｔ ＲＤＥを有する変更したディスクＲＤＥ先端を有する調節された速度の回転体、参照電極としてＡｇ／ＡｇＣｌおよび対電極としてＰｔワイヤーを使用した。Ｎｉを、Ｎｉ ＲＤＥ （Ｐｉｎｅ）を使用して評価した。図６Ａ、図６Ｂは、（Ａ）１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２および（Ｂ）１Ｍ Ｐｉ、ｐＨ７電解質中２０００回転／分で電極を回転しながら、得られたＰｔ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎ、およびＮｉＭｏＣｄ水素発生カソードでのＴａｆｅｌプロット（過電圧対電流密度）を示す。データは、ホウ酸塩電解質と比較して、リン酸塩中で稼働された場合に、それぞれの材料がさらに活性であることを示す。触媒活性は、Ｐｔ＞ＮｉＭｏＣｄ＞ＮｉＦｅＺｎ：ＮｉＭｏの順番でランク付けできる。
【０１５５】
リン酸塩およびホウ酸塩電解質で稼働した場合の、触媒安定性を評価するためにバルク電解を行った。図７Ａおよび図７Ｂは、４時間にわたる電解時間での水素発生反応のための３００ｍＶ過電圧での電極の稼働で観察された電流密度をプロットしている。具体的には、図７Ａおよび図７Ｂは、（Ａ）１Ｍ ＫＰｉ、ｐＨ７および（Ｂ）１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２電解質中で、３００ｍＶ過電圧および２５００回転／分回転速度でのＰｔ、Ｎｉ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎおよびＮｉＭｏＣｄのバルク電解をプロットしている。Ｐｔは、高い初期電流密度を示し、これは＞７０％で急速に衰えている。活性の低下は、稼働の間に電極表面上に積み上げられた電解質溶液（例えば、Ｆｅ）中の不純物によるのであろう。類似の不安定性の結果が、新たに調製されたＮｉ電極で得られた。対照的に、ＮｉＭｏＣｄは、ｐＨ７のリン酸塩中４２．５ｍＡ・ｃｍ−２の活性電流密度を有する両電解質中で、安定な稼働を示した。ＮｉＭｏおよびＮｉＦｅＺｎはまた、それぞれ、２１．１および２６．５ｍＡ・ｃｍ−２のリン酸塩中での電流密度を有する安定な活性を示した。
【０１５６】
例３
以下の例は、ｐＨ７のリン酸塩およびｐＨ９．２のホウ酸塩電解質中での水素発生のための高い活性を有する安定な、多孔質電極の調製を記載する。
【０１５７】
材料および方法
Ｎｉ発泡体（Ｉｎｃｏ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ （Ｄａｌｉａｎ）Ｃｏ．Ｌｔｄ；３２０ｇ／ｍ２、１。７ｍｍ厚）、Ｐｔｌｒ （２０％ Ｉｒ）ワイヤー（Ｓｔｒｅｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ、Ｉｎｃ．）、モリブデン酸ナトリウム（Ｎａ２ＭｏＯ４・２Ｈ２Ｏ）、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）、硝酸カドミウム（Ｃｄ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ）、ピロリン酸ナトリウム（Ｎａ４Ｐ２Ｏ７・４Ｈ２Ｏ）、重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、およびヒドラジン水和物（Ｎ２Η４・Η２Ｏ）（Ａｌｄｒｉｃｈ）を、そのまま使用した。
【０１５８】
Ｎｉ発泡体上でのＮｉＭｏＣｄ合金の堆積
あらかじめ記載したように１ｃｍ２のＮｉ発泡体（１つの側面当り０．５ｃｍ２）上にＮｉＭｏＣｄ合金を堆積させた。手短に、Ｎｉ発泡体の基材を、ｐＨ７．５〜９のＮａ２ＭｏＯ４・２Ｈ２Ｏ（０．０２Ｍ）、ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ（０．０４Ｍ）、Ｃｄ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ（０．３ｍＭ）、Ｎａ４Ｐ２Ｏ７・４Ｈ２Ｏ（０．１３Ｍ）、ＮａＨＣＯ３（０．８９Ｍ）、およびΝ２Η４・Η２Ｏ（２５ｍＭ）を含む３電極電気化学電池中のめっき溶液中に浸した。ガルバノスタットを、３０分間室温でＮｉ発泡体の４６５ｍＡ／ｃｍ２の幾何学的表面積の電流を適用するために使用した。Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極およびＰｔワイヤー対電極を用いて攪拌溶液中で、めっきを行った。次に電極をめっき溶液から除去し、そしてＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極およびＰｔ ｌｒ（２０％Ｉｒ）ワイヤー対電極を用いて、電解質を流しながら（１Ｍリン酸カリウム（Ｐｉ）ｐＨ７、２５０ｍＬ／分）３電極電池中に配置した。次に、電極を、１．１５Ａ／ｃｍカソード電流密度で１００時間稼働させて、エージングした。
【０１５９】
結果
図８Ａは、流れる１Ｍ ＫＰｉ（ｐＨ７）電解質中でのＮｉ発泡体カソード上のエージングされたＮｉＭｏＣｄでの過電圧対時間プロットを示す。電極は、稼働と伴にエージングし続けるので、１Ａ／ｃｍ２で電極を稼働するのに必要な過電圧は低下し続け、そして７０（ずべてで１７０）時間の稼働の後で、最終的に６５ｍＶ近辺の高原となる。電極は、１６日超の期間にかけて安定な稼働を示した。次に、電極の活性を電流密度の範囲にわたって電極を稼働するのに必要な過電圧を測定することによって、評価した。図８Ｂは、１Ｍ ＫＰｉ （ｐＨ７）および１Ｍ ＫＢｉ （ｐＨ９．２）電解質中での稼働でＮｉ発泡体カソード上での過電圧対電流密度（Ｔａｆｅｌプロット）の対数のプロットを示す。プロットからＴａｆｅｌ勾配は、２７であり、そして１００ｍＶでそれぞれ、ＫＰｉおよびＫＢｉ電解質中での稼働で電流密度を低下させる。ＫＢｉ電解質中での稼働の間の電極の安定性をまた評価した。図８Ｃは、流れる１Ｍ ＫＢｉ（ｐＨ９．２）電解質中において、０．５Ａ／ｃｍ２カソード電流密度の電極を稼働するに必要な過電圧をプロットする。初期増加の後で、約１２０ｍＶの過電圧が実験の停止（２１時間）まで維持された。
【０１６０】
例４
以下の例は、天然の供給元からの未調整水中で稼働する水素発生カソード電極の調製を記載する。
【０１６１】
水素発生カソードを、例２で記載された方法によって、ＲＤＥ上に調製し、そしてチャールズ川（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ、ＭＡ）からの水を使用して調製された１Ｍ ＫＰｉ電解質（ｐＨ７）中に配置した。Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極およびＰｔワイヤー対電極を溶液中に配置し、そしてポテンショスタットの使用を通して、電位がＲＤＥに適用された。ＲＤＥは、水素発生のために−３００ｍＶ過電圧でバイアスされ、そして２５００回転／分で回転させられた。図９は、電解時間の関数として得られた電流密度をプロットする。最初の２時間で初期活性が低下した後、約３１ｍＡ／ｃｍ２の安定なおよび活性電流密度を電解時間の残り（３１時間）の間観察した。
【０１６２】
例５
図１０（左）は、Ｎｉ発泡体上の調製されたＮｉＭｏ合金に位置する電極のＳＥＭを示す。合金は、滑らかなおよび均質な様式で発泡体を被覆する。図１０（右）は、Ｎｉ箔上に調製されたＮｉＭｏＦｅ合金に沿ったＰｔおよびＮｉ箔でのＴａｆｅｌ活性プロットを示す。すべての実験を、０．１Ｍ ＫＰｉバッファー中ｐＨ７で行った。ＮｉＭｏＦｅ合金は、Ｐｔ電極までもを上回り、調べられた材料の所与の電流密度でもっと低い過電圧を与えた。図１０中で：（左） Ｎｉ発泡体上に位置するＮｉＭｏ合金（２０％ Ｍｏ）電極のＳＥＭ；（右）０．１Ｍ ＫＰｉ（ｐＨ７）中Ｐｔ箔（●）、Ｎｉ箔（□）、およびＮｉ箔上ＮｉＭｏＦｅ（▼）のＴａｆｅｌプロットである。
【０１６３】
例６
以下の例は、ＮｉＭｏＺｎ合金の調製およびｐＨ７のリン酸塩、ｐＨ９．２のホウ酸塩、およびｐＨ１４の水酸化物電解質における水素発生でのそれらの使用を示す。
【０１６４】
ＮｉＭｏＺｎ合金の堆積
ＮｉＭｏＺｎめっき浴は、塩化ニッケル（ＩＩ）六水和物（９．５１ｇ Ｌ−１）、モリブデン酸ナトリウム二水和物（４．８４ｇ Ｌ−１）、無水塩化亜鉛（０．０４０９ｇ Ｌ−１）、ピロリン酸ナトリウム四塩基性（３４．５７ｇ Ｌ−１）および重炭酸ナトリウム（７４．７７ｇ Ｌ−１；ＶＷＲ）からなる。ヒドラジン水和物（１．２１ｍＬ Ｌ−１；Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）をめっきの直前に加えた。ＮｉＭｏＺｎは、３０００回転／分の回転速度で、３０分間の０．０７７５Ａ ｃｍ−２の電流密度で研磨されたＰｔ ＲＤＥ基材に堆積された。堆積物は、１０Ｍ ＫＯＨ中で１６＋時間の間塩基中で浸出された。浸出の正孔が電極表面から発生した泡により示された。浸出後で、堆積物は、外観上わずかに暗い色になった。
【０１６５】
結果
これらの研究で、作用電極（Ｐｉｎｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）としてＰｔ ＲＤＥおよび対電極としてＲｕ０２を有する変更されたディスクＲＤＥ先端を有する調節された速度の回転体を使用した。Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極を、１．０Ｍ ＫＰｉおよび１．０Ｍ ＫＢｉ中で合金を評価するために使用し、一方Ｈｇ／ＨｇＯ参照電極を１．０Ｍ ＫＯＨ中で合金を評価するために使用した。
【０１６６】
図１１Ａは、２５００回転／分で、１．０Ｍ ＫＯＨ （ｐＨ１４．０）、１．０Ｍ ＫＰｉ （ｐＨ７．０）および１．０Ｍ ＫＢｉ （ｐＨ９．２）電解質中で稼働された場合の、ＮｉＭｏＺｎ水素発生カソードのＴａｆｅｌプロット（過電圧対電流密度）を示す。このデータは、１．０Ｍ ＫＯＨ中での稼働が最も高い活性を与えたことを示す。１．０Ｍ ＫＢｉ中でＮｉＭｏＺｎ、ＮｉＭｏＣｄおよびＰｔのバルク電解を完了させて、触媒安定性を評価した。図１１Ｂは、水素発生のための３００ｍＶ過電圧で稼働された電極の４時間にわたる電流密度の変化を示す。さらに具体的に言うと、図１１Ｂは、１．０Ｍ ＫＢｉ （ｐＨ９．２）電解質中で、３００ｍＶ過電圧および２５００回転／分における、ＮｉＭｏＺｎ、ＮｉＭｏＣｄ、およびＰｔのバルク電解を示す。Ｐｔは、最初に高い電流密度を示したが、急速に９０％低下した。何らかの理論に拘束されることを望まないが、これは、稼働の間に電極表面で積み上がった溶液中の不純物の存在によるかもしれない。ＮｉＭｏＣｄおよびＮｉＭｏＺｎの両者は高くかつ安定な電流活性を示した。ＮｉＭｏＺｎは、２５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を有する最大値を示し、一方ＮｉＭｏＣｄは、１４ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を維持した。
【０１６７】
本発明の幾つかの態様は、本明細書中に記載され、そして具体的に説明されたが、当業者は、機能を果たし、そして／または結果および／または本明細書中に記載された１種または２種以上の利点を得るために、種々の他の手段および／または構造を容易に想像するであろうし、そしてそうした変化および／または改質のそれぞれは、本発明の範囲内にあるものとみなされる。さらに通常、当業者は、本明細書中に記載されたすべての、パラメーター、寸法、材料、および設定が例示的であることを意図され、そして実際のパラメーター、寸法、材料、および／または設定が具体的用途または本発明の教示が使用される用途によることを容易に認識するであろう。当業者は、所定より多くない実験を使用して、多くが本明細書中に記載された本発明の具体的な実施形態に均等であることを確認または解明するであろう。したがって、一例としてのみ示され、そして付属の請求項およびそれらの均等の範囲内にあることを理解するであろう、本発明は、具体的に記載されたそして請求されたもの以外で実施できる。本発明は、本明細書中に記載された、個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法のそれぞれを対象にする。さらに、２種または３種以上のそうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に一貫性のない場合、本発明の範囲内に含まれる。
【０１６８】
不定の関し「ａ」および「ａｎ」は、本明細書中および請求項中で使用される場合、そうでないと明らかに示さない限り、「少なくとも１つの」を意味すると理解されるべきである。
【０１６９】
語句「および／または」は、本明細書中および請求項中で使用される場合、そのように接続された要素の「いずれかまたは両方」、すなわち、ある場合には接合的に示され、そして他の場合には非接合的に示された要素意味するものと理解されるべきである。「および／または」の句により具体的に示された要素以外の、具体的に示されたこれらの要素に関連しているかまたは関連していない他の要素は、そうでないと明らかに示さない限り、任意選択的に存在できる。したがって、非限定の例として、「を含む」等のオープンエンドの用語と伴に使用される場合、「Ａおよび／またはＢ」への参照は、一態様では、（任意選択的にＢ以外の要素を含む）ＢのないＡ；別の態様では、（任意選択的にＡ以外の要素を含む）ＡのないＢ；また別の態様では、（任意選択的に他の要素を含むことができる）ＡとＢとの両方；などをいうことができる。
【０１７０】
本明細書中および請求項中で使用される場合、「または」は、上記で規定された「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト中の項目を分離する場合、「または」または「および／または」は、包含的であり、すなわち、要素の数またはリストを少なくとも１つを含むが、また１超を含み、そして、任意選択的に、追加の挙げられていない項目を含むと理解される。そうでないと明らかに示さない限り、「１つのみの」または「正確に１つの」または、請求項中で使用される場合、「からなる」等の用語のみは、１つの数または要素のリストの正確に１つの要素を含むことをいうであろう。通常、用語「または」は、本明細書中で使用される場合、「いずれか」、「の１つ」、「の１つのみ」または「の正確に１つ」等の独占的用語が前にある場合、独占的代替（すなわち、「一方または他方であるが両方でない」）を示すとしてのみ理解されるであろう。請求項中で使用される場合、「から本質的になる」は、特許法の分野において使用されるその通常の意味を有するであろう。
【０１７１】
本明細書中および請求項中で使用される場合、１種または２種以上の要素の列挙を参照する語句「少なくとも１種の」は、要素の列挙中の任意の１種または２種以上の要素から選択された少なくとも１種の要素を意味するが、要素の列挙中に具体的に挙げられた要素のありとあらゆるものの少なくとも１種を必ずしも含むとは限らず、そして要素のリスト中の要素の任意の組み合わせを除外しないと理解されるべきである。この定義はまた、具体的に示された要素に関連しているかまたは関連していない、語句「少なくとも１つの」が意味する要素の列挙内で具体的に特定された要素以外の要素が任意選択的に存在することを可能にする。したがって、非限定の例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または、「ＡまたはＢの少なくとも１つ」に等しく、または「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」に等しい）は、一態様では、Ｂが存在せず、任意選択的に１超のＡを含む（および任意選択的にＢ以外の要素を含む）少なくとも１つ；別の態様では、Ａが存在せず１超のＢを任意選択的に含む（そして任意選択的にＡ以外の要素を含む）少なくとも１つ；また別の態様では、任意選択的に１超のＡを含む少なくとも１つ、および任意選択的に１超のＢを含む少なくとも１つ（そして任意選択的に他の要素を含む）；などをいうことができる。
【０１７２】
請求項において、ならびに上記の明細書中において、「を含む」、「を包含する」、「を有する」、「を持つ」、「を含有する」、「を含んでいる」「保持する」およびその同類のもの等の暫定的な語句は、オープンエンドと理解される、すなわちを含むがこれらに限られないを意味すると理解されるべきである。暫定的語句「からなる」および「から本質的になる」のみは、Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ Ｏｆｆｉｃｅ Ｍａｎｕａｌ ｏｆ Ｐａｔｅｎｔ Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ、 Ｓｅｃｔｉｏｎ ２１ １ １．０３に記載されているように、それぞれ、クローズドまたはセミクローズドの暫定的語句であろう。
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、２００９年８月２７日出願のＥｓｓｗｅｉｎらの発明の名称”Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”の米国仮特許出願第６１／２３７、５０７号明細書、２００９年１２月４日出願のＲｅｅｃｅらの名称”Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”の米国仮特許出願第６１／２６６、８２６号明細書、２００９年１２月１１日出願のＥｓｓｗｅｉｎらの名称”Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”の米国仮特許出願第６１／２８５、８４４号明細書、２０１０年３月３日出願のＲｅｅｃｅらの名称”Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”の米国仮特許出願第６１／３１０、０８４号明細書、および２０１０年７月１６日出願のＲｅｅｃｅらの名称”Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、”の米国仮特許出願第６１／３６５、１０２号明細書（それぞれ参照により本明細書中に 取り込まれる。）の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、概して、水電解および他の電気化学的技術のための組成物、電極、方法、およびシステムに関する。ある場合には、本発明は、水素の生成または酸化に関する。
【背景技術】
【０００３】
水の電解、すなわち、水を酸素ガスおよび水素ガスに分離することは、酸素および／または水素ガスの生成だけでなく、エネルギー貯蔵においても非常に重要なプロセスである。水を水素ガスおよび酸素ガスに分離することで、エネルギーが消費され、そして水素および酸素ガスが再化合して水を生成する場合、エネルギーが開放される。
【０００４】
電解を介してエネルギーを貯蔵するために、Ｏ２およびＨ２への結合を再配置する「水分離」反応を媒介する材料が必要である。Ｏ２／Ｈ２ＯおよびＨ２Ｏ／Ｈ２半反応の標準還元電位は、式（１）および式（２）によって与えられる。
【０００５】
【数１】
【０００６】
この変換に効率的な材料として、この材料は、それぞれの半反応の熱力学的電位に近い電位で作用することが好ましく、この熱力学的電位は、式（１）および式（２）中の半電池電位、Ｅ°によって規定される。所与の活性を達成するのに必要であるＥ°に追加された電圧は、過電圧と呼ばれ、変換効率を制約し、そしてこれらの反応における過電圧を低下させるために多くの研究者により相当な努力が費やされてきている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水素は、炭素のないエネルギー貯蔵媒体として多くの利点を示し、すべての化学燃料の質量で、最も高いエネルギー密度を有し、そして水素は、再生可能エネルギーにより駆動された水の電解を介して持続可能な様式で容易に生成できる。しかし、水の電解による水素の概念的に簡素な生成にもかかわらず、水の電解に関連するエネルギー効率および資本コストにより、限定された商業的用途となっている。したがって多くの試みが、水素の電解生成の改善に向けられてきた。特に、水素の生成に使用される多くの電極は、添加物および／または不純物を含む水から水素ガスを生成させるためには、不安定および／または非効率である。
【０００８】
したがって、改善された方法、システム、および電極が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
いくつかの態様において、本組成物は、約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量の亜鉛、および約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量のニッケルを含むように提供される。
【００１０】
いくつかの態様において、水素ガスを酸化、および／または水素ガスを生成できる触媒材料が提供され、この触媒材料は、ニッケル、モリブデン、および亜鉛を含む。
【００１１】
いくつかの態様において、コバルトイオンおよび／またはニッケルイオンを含む第１の電極、ならびにリンおよび／またはホウ素を含むアニオン性種、ニッケルおよびモリブデンを含む第２の電極を含む、水素および／または酸素ガスを生成できるシステムが提供される。
【００１２】
いくつかの態様において、アニオン性種の存在下で、水素ガスを生成できる電極が提供され、この電極は、水素ガスを生成できるように選択された第１の種類の金属、アニオン性種と１０３未満の結合定数（ａｎ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を有するように選択された第２の種類の金属、および触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属を含む触媒材料を含み、このアニオン性種は、酸化物または水酸化物ではない。
【００１３】
いくつかの態様において、水素ガスを酸化できる電極が提供され、電極は、水素ガスを酸化できるように選択された第１の種類の金属、第２の種類の金属、および触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属を含む触媒材料を含む。
【００１４】
いくつかの態様において、水素および／または酸素ガスを生成できるシステムが提供され、このシステムは、水から水素の生成を触媒できるように選択された第１の種類の金属、第２の種類の金属、および触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属を含む触媒材料、ならびに光活性組成物を含む。
【００１５】
いくつかの態様において、水素ガスを生成する方法が提供され、この方法は少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物を含む水に、触媒材料を含む電極を曝す工程を含み、そして水のｐＨは約６〜約１０であり、そして水素ガスの生成を生じ、そして少なくとも約１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において約０．３Ｖ未満の過電圧の絶対値で水素が生成される。
【００１６】
いくつかの態様において、水素ガスを生成する方法が提供され、この方法は、少なくとも０．１Ｍの濃度の少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１ｐｐｍの濃度の少なくとも１種の不純物を含む水に、触媒材料を含む電極を曝す工程を含み、ここで水のｐＨは約６〜約１０であり、そして水素ガスの生成を生じ、ここで、電極の電流密度は、本質的に一定の電気化学的条件下で４時間の間にわたって約１０％超低下しない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
添付の図面と伴に考慮される場合、本発明の他の形態、態様、および特徴は、以下の詳細な記載から明らかになるであろう。添付の図は具体的に説明し、そして縮小されることを意図しない。明確さの目的のために、すべての図において必ずしもすべての構成部分にラベルが付いておらず、また具体的な説明は、本発明を当業者が理解できるために必要でなく、本発明のそれぞれの態様のすべての構成部分が示されているわけではない。参照により本明細書中に取り込まれたすべての特許出願および特許は、参照によりそれらの全てを取り込む。矛盾がある場合、定義を含む本明細書による。
【００１８】
【図１】図１は、電解装置の非限定の例を示す。
【図２】図２は、本発明の電気化学装置の非限定の例を示す。
【図３】図３は、ガス状態の水を用いる電解装置の非限定の例を具体的に示す。
【図４Ａ】図４Ａは、−２００ｍＶの過電圧で、Ａ）１．０Ｍ ＫＰｉを含む水中における、白金電極およびＮｉＭｏ合金含有電極のバルク電解を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、−２００ｍＶの過電圧で、Ｂ）１．０Ｍ ＫＢｉを含む水中における、白金電極およびＮｉＭｏ合金含有電極のバルク電解を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、Ａ）１．０Ｍ ＫＰｉを含む水中におけるバルク電解前および後の、ＮｉＭｏ合金含有電極のＴａｆｅｌプロットを示す。
【図５Ｂ】図５Ａは、Ｂ）１。０Ｍ ＫＢｉを含む水中におけるバルク電解前および後の、ＮｉＭｏ合金含有電極のＴａｆｅｌプロットを示す。
【図６Ａ】図６Ａは、（Ａ）１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２電解質における新たに調製されたＰｔ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎ、およびＮｉＭｏＣｄ水素発生触媒のＴａｆｅｌプロットを示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、（Ｂ）１Ｍ ＫＰｉ、ｐＨ７電解質における新たに調製されたＰｔ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎ、およびＮｉＭｏＣｄ水素発生触媒のＴａｆｅｌプロットを示す。
【図７Ａ】図７Ａは、（Ａ）１Ｍ ＫＰｉ、ｐＨ７の電解質におけるＰｔ、Ｎｉ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎおよびＮｉＭｏＣｄのバルク電解プロットを示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、（Ｂ）１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２の電解質におけるＰｔ、Ｎｉ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎおよびＮｉＭｏＣｄのバルク電解プロットを示す。
【図８Ａ】図８Ａは、１Ｍ ＫＰｉ、ｐＨ７の電解質におけるＮｉ発泡体カソード上ＮｉＭｏＣｄの稼働での時間に対する過電圧のプロットを示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、１Ｍ ＫＢｉおよび１Ｍ ＫＰｉの電解質におけるＮｉフォームカソード上ＮｉＭｏＣｄのＴａｆｅｌプロットを示す。
【図８Ｃ】図８Ｃは、１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２電解質におけるＮｉフォームカソード上ＮｉＭｏＣｄの稼働での時間に対する過電圧のプロットを示す。
【図９】図９は、非限定の態様によるチャールズ川の水中で稼働した電極での、時間に対する電流密度のプロットを示す。
【図１０】図１０は、Ｎｉ発泡体上に位置するＮｉＭｏ合金電極のＳＥＭ（左）、および０．１Ｍ ＫＰｉ（ｐＨ７）におけるＰｔ箔（●）、Ｎｉ箔（□）、およびＮｉ箔上ＮｉＭｏＦｅ（▼）のＴａｆｅｌプロット（右）を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、１．０Ｍ ＫＯＨ、１．０Ｍ ＫＰｉ、および１。０Ｍ ＫＢｉ電解質中で稼働した場合のＮｉＭｏＺｎ水素発生カソードのＴａｆｅｌプロットを示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、ＮｉＭｏＺｎ、ＮｉＭｏＣｄ、およびＰｔのバルク電解を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、組成物、電極、システム、および水の電解のための方法および他の電気化学的技術に関する。ある場合には、本発明は、水素および／または酸素ガスの生成および／または水素の酸化に関する。本発明の一つの形態は、典型的には水素発生または水素酸化に使用される、触媒材料を含み、ここで触媒材料は、この目的のために選択された２種、または３種以上の金属を含む。本発明は、低い絶対値の過電圧、高電流密度、大幅な効率、安定性、またはこれら任意の組み合わせにおいて、改善された活性で稼働できるシステムを提供する。本発明のシステムはまた、非常に純粋な水の供給を必ずしも必要とせずに、中性ｐＨにおいてまたは中性のｐＨ近辺で稼働できる。本発明の種々の形態の組み合わせは、著しく改善されたエネルギーの貯蔵、エネルギーの使用、および任意選択的に水素および／または酸素ガスの市販用の生産において有用である。本発明の主題は、ある場合には、相互に関連した製品、特別な問題への代わりの解決、および／または１種または２種以上のシステムおよび／または物品の複数の異なる使用を含む。
【００２０】
本明細書中に記載された組成物、電極、システム、および方法は、主として、水電解（すなわち、水からの、酸素ガス、水素ガス、および／または他の生成物）の生成、および／または水素の酸化（例えば、水素ガス）に関連するが、本発明は、そのように限定されない。本発明は、第１の電極および／または第２の電極（その一方または両方が触媒材料を含むことができる）を含み、第１の電極における水の電解を介した酸素ガスの生成があり、そして／または第２の電極における酸素ガスの生成があることを含んで記載され、当然のことながら、第１の電極は、任意の種、水またはそれ以外の酸化を促進でき、酸素ガスまたは別の酸化された生成物を生成できる。これに関連して酸化されることができる反応物の例は、メタノール、ギ酸、アンモニア等を含むことができる。酸化された生成物の例は、ＣＯ２、Ｎ２等を含むことができる。第２の電極において、反応は、水（または水素イオン）が還元されて水素ガスを生成するように促進されることができるが、当然のことながら、水に限定されない種々の反応物（例えば、酢酸、リン酸等）は、還元されて、水素ガスおよび任意の数の還元反応の生成物（例えば、酢酸塩、リン酸塩等）を生成できる。第２の電極におけるこの反応は、「燃料電池」の稼働において逆転して行わせることができ、水素ガス（および／または上記の他の例示的な製品）が酸化されて、水（および／または上記の他の例示的な反応物）を生成できる。ある場合には、組成物、電極、方法、および／またはシステムは、水素ガスを還元するために使用できる。ある場合には、組成物、電極、方法、および／またはシステムは、光電気化学電池と関連して使用できる。当然のことながら、本明細書中の用途の多くは、水からの水素および／または酸素ガスの生成に焦点を置くが、これは、決して限定せず、そして本明細書中に記載された組成物、電極、方法、および／またはシステムは、本明細書中に記載されたような他の目的のために使用できる。本発明により提供された電気化学装置の非限定の例は、電解装置および燃料電池を含む。エネルギーは、光電池、風力発電、または他のエネルギー源によって電解装置に適用できる。これらのおよび他の機器が本明細書中に記載されている。ある場合には、本明細書中に記載された触媒材料および組成物は、本明細書中に記載されたような光活性材料と関連して使用できる。
【００２１】
本明細書中に記載されているのは、いくつかの態様において、水等の供給元から、水素ガス、酸素ガス、または別の種を「生成させる」ために使用される触媒、電極、システム、およびその同類のものである。当然のことながら、これは触媒される反応が、供給源から生成物へと直接反応であることができること、または触媒が反応物から生成物への反応を触媒することによってそうした反応を促進でき、この反応物が供給元に由来するが、供給元ではないことを意味する。例えば、水から水素ガスを「生成させること」は、塩基性条件下の水における一つの例として、水素ガスを生成する水の反応、および酸性条件下での水のもう一つの例として、水素ガスを生成する（究極的には供給元、水からの）水素イオンの反応を含む。
【００２２】
本明細書中の電解のための水の使用のすべての記載において、当然のことながら、水を、液体状態および／またはガス状態で提供できる。使用される水は、比較的純粋であることができるが、純粋である必要はなく、そして本発明の１つの利点は、比較的純粋でない水を使用できることである。提供された水は、本明細書中に記載されたように、例えば、少なくとも１種の不純物（例えば、クロライドイオン等のハロゲン化物イオン）および／または少なくとも１種の添加物（例えば、アニオン性種）を含むことができる。少なくとも１種の不純物および／または少なくとも１種の添加物の存在は、本明細書中に記載されたような電極の性能にほとんどまたは全く実質的な影響を有さないことができる。いくつかの態様において、水の供給元のｐＨは、ほぼ中性であることができる。
【００２３】
いくつかの態様において、本発明の電極は、触媒材料を含む。ある場合には、触媒材料は、電流コレクタと関連する。複数の金属元素および分子触媒を含む触媒材料を含む種々の触媒材料が本明細書中に記載されている。
【００２４】
いくつかの態様において、触媒材料は、複数の金属元素（例えば、２種、３種、４種、５種以上の金属元素）を含む。例えば、触媒材料は、合金であることができる。用語「合金」は、本明細書中で使用される場合、技術的に所与のその通常の意味を有し、そして２種または３種以上の金属、または任意の金属のそれ自体と異なる物理的特性を有する半金属を含む組成物をいう。混合物中に存在する金属または半金属の数によって、合金は、二成分、三成分、四成分等であることができる。合金は、混合結晶、固溶体、または化合物を形成できる。合金は、単相の固溶体、化学量論的化合物、またはそれぞれの相が固溶体または化学量論的化合物であることができる２種または３種以上の相からなることができる。合金は、全体にわたって同じ組成を有することができ、同じ組成でないことができる。全触媒材料中に、例えば、材料中に欠陥が存在でき、そして／または合金成分の１つまたは２つ以上のより高濃度のまたはより低濃度の領域が存在できる。その用語が本明細書中で使用されるように合金のもう一つの例は、１種の金属の（例えば、マイクロまたはナノスケールの）小さい領域が、別の金属で、および／または第１の金属の隙間を部分的にまたは充分に満たす別の金属で被覆されて提供されることができる。合金のもう一つの例は、金属の混合物を含み、この混合物は、分子スケールでは均質ではないが、マイクロまたはナノ寸法の単一の金属の個々の領域を有する異なる金属の混合した相を含むことができる。しかし合金は、例えば、多層化構造を規定する一連の薄層の金属とは区別される。この合金は、中性または帯電していることができる。「金属」または「種類の金属」または「金属元素」が本明細書中で使用される場合、当然のことながら、半金属は、金属の目的を果たすために使用でき、半金属は、本発明の目的に好適である。
【００２５】
いくつかの態様において、触媒材料は、本明細書中に記載されたような本発明の種々の形態および態様の目的に合う組成物を含むことができる。本開示の指針に基づいて、当業者は、好適な組成物を選択でき、そして過度の実験なしに、本発明にしたがってそれらの潜在的な使用のために効率的それらを試験できる。いくつかの態様において、組成物（例えば、合金）は、ニッケルを含む。組成物の非限定の態様は、二成分合金（例えば、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＳｎ、ＮｉＳ、ＮｉＺｎ、ＮｉＰ、ＮｉＷ、ＮｉＣｕ、ＮｉＣｏ、ＮｉＡｌ、ＣｏＰ、ＣｏＭｏ、ＮｉＴｉ等）、三成分合金（例えば、ＮｉＭｏＸ（式中、ＸはＦｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｖ、Ｔｉ、またはその同類のもの等の金属である）、ＮｉＣｏＰ、ＮｉＦｅＰ、ＮｉＦｅＺｎ、ＮｉＣｏＺｎ、ＮｉＣｕＦｅ、ＮｉＣｕＭｏ、ＬａＮｉＳｉ等）、または四成分合金（例えば、ＮｉＣｏＭｎＡｌ等）を含む。金属、半金属、および／または他の元素または化合物の全原子％が、合計で約１００％を示すように、組成物中でのそれぞれの金属または半金属は、０．００１〜９９．９９９％の間の原子％で存在できる。組成物のそれぞれの金属または半金属構成部分の量は、組成物中で変化できる。例えば、組成物を生成する前に異なる量のそれぞれの出発材料を提供することによって、これは当業者に公知の技術を使用して達成されることができる。特定の態様では、触媒材料は、ニッケルおよびモリブデンを含むか、またはニッケルおよびモリブデンからなる。
【００２６】
特定の態様では、モリブデン、ニッケル、および亜鉛を含む組成物が提供される。ある場合には、モリブデン、ニッケル、および亜鉛を含む組成物は、（例えば、本明細書中に記載されたこの方法およびシステムを使用して）水素ガスを生成することおよび／または水素ガスを酸化することができる。
【００２７】
ある場合には、この組成物は、（例えば、組成物の全質量に対して）約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の間の量の亜鉛、約０．１％〜約９０％のニッケルを含む。ある場合には、この組成物は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約２５ｗｔ％の間の量の亜鉛、および残余のニッケル（例えば、約２５ｗｔ％〜約９８．９ｗｔ％）を含む。ある場合には、この組成物は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約１０ｗｔ％の間の量の亜鉛、および残りのニッケル（例えば、約４０ｗｔ％〜約９８．９ｗｔ％）を含む。ある場合には、この組成物は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約５ｗｔ％の間の量の亜鉛、および残りのニッケル（例えば、約４５ｗｔ％〜約９８．９ｗｔ％）を含む。ある場合には、この組成物は、約１ｗｔ％〜約５０ｗｔ％の間の量のモリブデン、約０．１ｗｔ％〜約１ｗｔ％の間の量の亜鉛、および残りのニッケル（例えば、約４９ｗｔ％〜約９８．９ｗｔ％）を含む。ある場合には、亜鉛は、約９０ｗｔ％、約８０ｗｔ％、約７０ｗｔ％、約６０ｗｔ％、約５０ｗｔ％、約４０ｗｔ％、約３０ｗｔ％、約２５ｗｔ％、約２０ｗｔ％、約１０ｗｔ％、または約５ｗｔ％以下の量で存在できる。ある場合には、ニッケルまたはモリブデンは、約９０ｗｔ％、約８０ｗｔ％、約７０ｗｔ％、約６０ｗｔ％、約５０ｗｔ％、約４０ｗｔ％、約３０ｗｔ％、約２５ｗｔ％、約２０ｗｔ％、約１０ｗｔ％、または約５ｗｔ％以下の量で存在できる。特定の態様では、亜鉛は、約２５ｗｔ％以下の量で存在する。ある場合には、この組成物は、約５０ｗｔ％、約４０ｗｔ％、約３０ｗｔ％、約２０ｗｔ％、約１０ｗｔ％、約５ｗｔ％以下の量までの少なくとも１種の第４の種類の金属をさらに含む。ある場合には、この組成物は、（例えば、電着を介して、バインダーを使用してなどで）電極と関連できる。
【００２８】
金属または金属酸化物構成部分に加えて、この組成物はまた、電極を調製するために利用される特別な方法によりさらなる元素または化合物を含むことができる。そうしたさらなる材料は、組成物の全質量に基づいて約５０％の量で存在できる。
【００２９】
本発明の一つの形態は、電極中に含まれる（例えば、第１の種類の金属、第２の種類の金属、および／または第３の種類の金属を含む）触媒材料が、電極の効率、安定性、および／または稼働に本質的に全くまたはほとんど影響せずに、そうでなければ、電極の稼働および／または安定性に著しく影響することが予期されるであろう、アニオン性種の存在下で電極を稼働できるように調製でき、一方（例えば、触媒材料を含む）多くの電極は、不安定であり、そして／またはアニオン性種の存在下で効率的に稼働されないという発見を含む。具体的な実施形態において、触媒材料を含む電極は、電気化学反応（例えば、水の電解）と関連した水素ガスを触媒的に生成するために、および電気化学反応を促進するアニオン性種を含む電解質を用いた使用のために使用できる。ある場合には、アニオン性種は、対電極（例えば、水の電解を介して酸素ガスが生成される電極）と関連した触媒材料の生成、稼働、および／または安定性を助ける。したがって、一組の態様において、触媒材料は、少なくとも第１の種類の金属、第２の種類の金属、および第３の種類の金属を含むように選択され、ここで第２の種類の金属はアニオン性種の存在と関連した何らかの逆効果を緩和または除くように選択され、稼働のある条件下で、多くの公知の電極と比較して、触媒材料を含む電極は、高められた効率、安定性、および／または出力となる。
【００３０】
第１の、第２の、および第３の種類の金属は、それぞれ、１種または２種以上の金属元素を含むことができる。例えば、第１の種類の金属は、１種の金属元素、２種の金属元素、３種の金属元素、４種の金属元素、またはそれ以上を含むことができる。第１の、第２の、および第３の種類の金属を含む触媒材料は、少なくとも３種の金属元素を含むか、または３種超の金属元素（例えば、４種の、５種の、６種の、７種の、またはそれ以上の金属元素）を含むことができる。具体例として、一態様では、第１の種類の金属は２種の金属元素を含み、第２の種類の金属は１種の金属元素を含む、そして第３の種類の金属は１種の金属元素を含む。したがって、この態様における触媒材料は、４種の金属元素を含む。任意選択的に、そうした使用のために提案されたこれらの金属または金属の種類が存在する限り、本発明の特定の態様のために提案された金属または金属の種類の目的の役に立たないが、他の金属または他の種類の金属が、触媒材料中に含まれることができ、または触媒材料と伴に使用されることができる。
【００３１】
第１の、第２の、および第３の種類の金属の選択をここで詳細に記載する。いくつかの態様において、第１の種類の金属は、（例えば、プロトンおよび電子からの）水素ガスの生成および／または（例えば、水素ガスからプロトンおよび電子を生成する）水素ガスの酸化を触媒できるように選択できる。第２の種類の金属は、電極上のアニオン性種を含む材料の堆積を防ぐように選択できる。例えば、第２の種類の金属は、アニオン性種と約１×１０−３Ｍ−１未満、約１×１０−２Ｍ−１未満、約１×１０−１Ｍ−１未満、約１Ｍ−１未満、約１０Ｍ−１未満、約１×１０２Ｍ’１未満、約１×１０３Ｍ−１未満、約１×１０４Ｍ−１未満、約１×１０５Ｍ’１未満等、の結合定数を有することができる。第３の種類の金属は、（例えば、本明細書中に記載されたように）触媒材料の表面積を増加させるように選択できる。
【００３２】
第１の種類の金属での使用に好適な金属元素は、（例えば、水から）水素ガスを生成でき、そして／または水素ガスの酸化（または本明細書中に記載されたような他の酸化反応）のための、金属元素である。当業者は、選択された金属反応を行うことができる金属元素に気付くであろう。水素ガスの生成および／または水素ガスの酸化のための第１の種類の金属として使用されるのに好適な金属元素の非限定の例は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄを含む。電気化学反応が水の電解以外の反応である態様において、第１の種類の金属は、電解を介して反応から生成物の生成を触媒できる。
【００３３】
しかし、ある場合には、第２の種類の金属元素が電気化学反応と関連して使用されるアニオン性種で、約１×１０−３Ｍ−１未満、約１×１０−２Ｍ−１未満、１×約１０−１Ｍ−１未満、約１Ｍ−１未満、約１０Ｍ−１未満、約１×１０２Ｍ−１未満、約１×１０３Ｍ−１未満、約１×１０４Ｍ−１未満、約１×１０５Ｍ−１未満等の結合定数を有するように、第２の種類の金属としての使用のために好適な金属元素を選択できる。ある場合には、アニオン性種は、対電極と関連する触媒材料の生成、安定性、および／または稼働を助けるように存在する。触媒材料は、対電極において、電気化学反応の一部分、例えば、触媒の酸素生成を助けることができる。ある場合には、対電極は、電流コレクタおよび金属イオン性種およびアニオン性種を含む触媒材料を含む。例えば、Ｎｏｃｅｒａらの２０１０年４月２９日公開の米国特許出願公開第２０１０／０１０１９５５号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’； Ｎｏｃｅｒａらの２０１０年６月２日公開の米国特許出願公開第２０１０／０１３３１１０号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ Ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’；および／またはＮｏｃｅｒａらの２０１０年６月２日公開の米国特許出願公開第２０１０／０１３３１１１号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌｓ Ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’（参照により本明細書中に取り込まれる）に記載された例えば水から酸素を生成させるために好適であることが示された触媒からのアニオン性種を、触媒材料が含むことができる。一組の態様において、このアニオン性種は、リンおよび／またはホウ素を含み、そしてこの金属アニオン性種は、コバルトイオンおよび／またはニッケルイオンを含む。
【００３４】
当業者は、好適な第２の種類の金属と１０３Ｍ−１未満の結合定数を有するアニオン性種との組み合わせを知るであろう。一組の態様において、第２の種類の金属での使用に好適な金属元素は、電気化学反応と関連して使用され、そして電解質中で最も高い濃度であるアニオン性種と、１×１０−３Ｍ−１未満、１×１０−１Ｍ−１未満、１×１０２Ｍ−１未満、１×１０３Ｍ−１未満、１×１０５Ｍ−１未満等の結合定数を有する金属元素を含む。別の組の態様では、第２の種類の金属としての使用に好適な金属元素は、単独でまたは他のアニオン性種と伴に、電解質中に存在するすべてのアニオン性種の少なくとも約２０％、または少なくとも約４０％、または少なくとも約６０％、または少なくとも約８０％、または少なくとも約９０％を規定する任意のアニオン性種とともに、１０３Ｍ−１未満の結合定数を有するものを含む。別の組の態様では、水酸化物イオンおよび／酸化物イオンは、「アニオン性種」の群から除外され、これに関連して第２の種類の金属の結合定数が測定された。アニオン性種は、少なくとも約０．０５Ｍ、または少なくとも約０．１Ｍ、または少なくとも約０．２Ｍ、または少なくとも約０．３Ｍ、または少なくとも約０．４Ｍ、または少なくとも約０．５Ｍ、または少なくとも約０．６Ｍ、または少なくとも約０．７Ｍ、または少なくとも約０．８Ｍ、または少なくとも約０．９Ｍ、または少なくとも約１Ｍ、または少なくとも約１。５、または少なくとも約２Ｍ以上の濃度で提供されることができる。
【００３５】
ある場合には、アニオン性種は、リン酸塩の形態、硫酸塩の形態、炭酸塩の形態、ヒ酸塩の形態、亜リン酸塩の形態、ケイ酸塩の形態、またはホウ酸塩の形態を含む群から選択される。特定の態様では、アニオン性種は、リンまたはホウ素を含む。リンを含むアニオン性種の非限定の例は、Ｈ３Ｐ０４、Ｈ２Ｐ０４−、ＨＰ０４−２、Ｐ０４−３、Ｈ３Ｐ０３、Ｈ２Ｐ０３−、ＨＰ０３−２、Ｐ０３−３、Ｒ１ＰＯ（ＯＨ）２、Ｒ１Ｐ０２（ＯＨ）−、Ｒ１Ｐ０３−２、またはその同類のもの（式中、Ｒ１は、Ｈ、アルキル、アルケニル、アルキニル、ヘテロアルキル、ヘテロアルケニル、ヘテロアルキニル、アリール、またはヘテロアリールであって、すべて任意選択的に置換されている）を含む。特定の態様では、アニオン性種は、ＨＰ０４−２である。リン酸塩と低い結合定数を有する金属元素の非限定の例は、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｔｅ、およびＢｉを含む。
【００３６】
ある場合には、アニオン性種は、ポリアニオンであることができる。用語ポリアニオンは所与のその通常の技術的意味であり、そして１超の部位で１超の負の帯電を有するアニオン分子または化学的錯体をいう。
【００３７】
ある場合には、第２の種類の金属を、当業者に知られているような、ハード（ｈａｒｄ）／ソフト（ｓｏｆｔ）化学の知識の知識に基づいて選択できる。ある場合には、第２の種類の金属は、ハードな金属元素を含むことができ、そしてアニオン性種は、ソフトなアニオンであることができ、または第２の種類の金属は、ソフトな金属元素を含むことができ、そしてアニオン性種は、ハードなアニオンであることができる。通常、当業者に理解されているように、ハードなイオン／原子は、より小さくかつ比較的非分極性であり、そしてソフトなイオン／原子は、より大きくかつさらに分極性である。ハードな金属元素／ソフトなアニオン性種またはソフトな金属元素／ハードアニオン性種の間の相互作用は、ハードな金属元素／ハードなアニオン性種またはソフトな金属元素／ソフトなアニオン性種の間の相互作用より通常弱い。したがって、ソフト／ハードの化学は、弱く相互作用することができる金属元素／アニオン種の組み合わせを認識するために、当業者により使用されることができ、したがって、通常、より低い結合定数を有する。ある場合には、相互作用は、酸化状態であって、かつ基底状態でない金属（例えば、（Ｍ）ｎ＋、（式中、ｎは１、２、３、４等である）に基づいて決定できる。ソフト金属元素の非限定の例は、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、およびＰｔを含む。ハード金属元素の非限定の例は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ａｌ、およびＣｒを含む。ソフトなアニオン性種の非限定の例は、Ｓｅ−２、Ｓ−２およびＣＮ−を含む。ハードアニオン性種の非限定の例は、ＯＲ−、ＣＯ３−、ＣＯ３−２、ＮＯ３−、ＮＯ２−、ＣｌＯ４−２、Ｂ（ＯＨ）４−、Ｂ４Ｏ７−２、ＳＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−、ＨＰＯ４−２ＰＯ４−３、およびＯＨ−を含む。
【００３８】
当然のことながら、多くの態様におけるように、本発明の触媒材料は、本明細書中に記載されたような特別なアニオン性種と低い結合定数を提供するように機能する第２の種類の金属を含む、これは決して限定するものではなく、そしてアニオン性種が存在しない態様を含め、ある場合には、第２の種類の金属は、必ずしもこのように機能しない。例えば、合金が酸化反応（例えば、水素ガスの酸化）に使用される態様において、アニオン性種は、溶液中に存在できず、したがって第２の種類の金属は、特別なアニオン性種と特別な結合定数を有することができない。そうした態様において、第２の種類の金属での使用に好適な金属元素は、第１の種類の金属および第３の種類の金属と伴に触媒材料を形成できる金属元素であることができる。
【００３９】
第３の種類の金属に好適な金属元素は、触媒材料の表面積を増加させるように選択された金属を含む。例えば、いくつかの態様において、第３の種類の金属は、脱合金化および／またはさもなければ、電極の形成および／または稼働のために選択されたある条件下での合金または金属混合物から部分的にまたは充分に除去されることができる。
【００４０】
いくつかの態様において、第３の種類の金属は、第３の種類の金属を触媒材料に含める間および／または後に、少なくとも部分的に溶解する第３の種類の金属を含むメカニズムを通して、表面積を増加できる。例えば、第３の種類の金属は、触媒材料に含まれる他の種類の金属への第３の種類の金属の効果により表面積を増加できる。すなわち、ある場合には、第３の種類の金属の存在は、第３の種類の金属の触媒材料への包含によりまたは後で、触媒材料を再配向または再構造化させることができる。そうした再配向は、凝集体、小塊、沈殿物、相分離された構造、およびその同類のものの形成を含むことができるがこれらに限られない。含まれるメカニズムは、触媒材料中における種の中での反発相互作用、１つの種の表面分離、触媒材料からの種の溶解、およびその同類のものを含むことができるがこれらに限られない。金属は、基材、支持体および／または触媒材料中に含まれる他の種類の金属の１種へのその反発力および／または引力により表面へ分離することができる。第３の種類の金属は、触媒材料の中へ取り込まれることができる、いくつかの態様において、触媒材料中に含まれる別の種との反発力および／または引力により、表面での触媒材料中に他の種を残し、これはその後に上記の種々のメカニズムを通して表面積を大きくするように相互作用する。これらの種々のメカニズムは、１つのステップまたは、連続したもしくは並行した多数のステップの工程を経て、そして種々の程度の完了度で起こることができる。
【００４１】
当業者に理解されるであろうように、「脱合金化」は、本明細書中で使用される場合、金属の混合物（例えば、触媒材料）からの腐食工程を含む好適な工程による１種の元素の選択的な除去をいう。合金からの１種または２種以上の金属元素の脱合金化は、合金の表面積を増加でき、したがって合金／電極の活性表面または領域への電解質または反応物のよりさらなるアクセスを可能にする。
【００４２】
脱合金化は、電気化学反応の前および／または電気化学反応の間に起こることができる。ある場合には、第３の金属の少なくとも１％、少なくとも約２％、少なくとも約５％、少なくとも約１０％、少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％以上が脱合金化されるように、第３の種類の金属が選択される。ある場合には、脱合金化工程の平衡点が生じる場合、脱合金化された第３の種類の金属のパーセンテージを、決定できる。すなわち、選択された条件下での電極の形成および／または稼働の後で、合金を含む電極の電流密度（または他の測定できるパラメーター）が、約５分、または約１０分、または約３０分、または約１時間、または約２時間、または約４時間またはそれ以上の時間にわたって、本質的に一定の電気化学的条件下で、約１％、または約２％、または約３％、または約５％、または約１０％、または約２０％、または約２５％、または約３０％またはそれ以上より多く、減少も増加もしない場合に、脱合金化のパーセンテージを決定できる。
【００４３】
脱合金化した第３の種類の金属の量は当業者に公知の方法を使用して、決定できる。例えば、脱合金化の量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）またはエネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ）を使用して決定できる。ある場合には、脱合金化のパーセンテージは、その技術が調べられる合金の部分を決定できる。例えば、ＸＰＳは、触媒材料の表面の最初の約１ｎｍ〜約１０ｎｍの元素状組成物を決定できる。いくつかの態様において、脱合金化された第３の種類の金属のパーセンテージを決定するために分析される触媒材料の部分は、触媒材料の最初の約１ｎｍ、約２ｎｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約５０ｎｍ、約１００ｎｍ、またはそれ以上である。
【００４４】
特定の態様では、第３の種類の金属のパーセンテージは、次のように決定できる。電極は、本明細書中に記載された技術（例えば、電流コレクタ上の合金の電気めっき）を使用して電流コレクタとの協働により生成できる。触媒材料は、触媒材料中の第１の種類の金属、第２の種類の金属、および第３の種類の金属のそれぞれの金属元素のパーセンテージを決定するように、ＸＰＳまたはＥＤＸ分光法を使用して分析できる。第３の種類の金属は、本明細書中に記載されたような選択された条件下で脱合金化されることができる。ある場合には、第３の種類の金属は、（例えば、本明細書中に記載されたように、例えば、電極の電流密度が２時間期間にわたって１０％超増加または減少しない）平衡に到達するまで、脱合金化される。次に、ＸＰＳまたはＥＤＸ分析を繰り返すことができ、それによって脱合金化された第３の種類の金属の量を決定する。
【００４５】
当業者は、合金から金属元素の脱合金化のための好適な方法を知っているであろう。ある場合には、脱合金化は、化学的脱合金化技術を使用して行うことができる。例えば、合金は、溶液成分が第３の種類の金属を具体的に脱合金化するように選択されている時間の間、（例えば、強酸および／または鉱酸を含む）溶液に曝されることができる。他の場合には、第３の種類の金属は、電極に電圧を適用することによって、脱合金化できる。例えば、第３の種類の金属は、選択された条件下で、第１の種類の金属および第２の種類の金属のために含まれた元素に比較してより低い電気化学的電位を有するように選択されることができる。この適用された電位差は、当業者に知られているように、第１の種類の金属および第２の種類の金属と比較して、第３の種類の金属の脱合金化を推進できる。
【００４６】
当業者によって理解されるであろうように、ある場合には、第１の種類の金属および第２の種類の金属に含まれた元素の一部分はまた、合金から脱合金化されることができる。ある場合には、しかし、第１の種類の金属、第２の種類の金属、第３の種類の金属の選択は、合金から脱合金化する第３の種類の金属のパーセンテージが、第１の種類の金属および第２の種類の金属の全量の少なくとも約２倍、少なくとも約３倍、少なくとも約５倍、少なくとも約１０倍、少なくとも約２０倍、少なくとも約３０倍、少なくとも約５０倍、またはそれ以上であるようである。ある場合には、第３の種類の金属は、設定された条件下で、Ｍ’およびＭ’’の脱合金化の速度の少なくとも約２倍、または少なくとも約５倍、または少なくとも１０倍、または少なくとも約２０倍、または少なくとも約５０倍合金から脱合金化するように選択される。第３の種類の金属の非限定の例は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、およびＳｅを含む。
【００４７】
合金は、当業者によって知られるであろうような任意の好適な技術を使用して電流コレクタと関連できる。いくつかの態様において、合金は、好適な電気めっき溶液または浴中で電着によって電流コレクタと関連できる。電着技術および方法は当業者に公知であろう。例えば、ある場合には、電流コレクタは、合金中に含まれるであろう金属を含む１種または２種以上の前駆体を含む溶液中に浸されることができる。電圧が電流コレクタに掛けられることができ、それによって合金が形成され、そして電流コレクタと関連することができる。例えば、溶液は、ニッケル塩およびモリブデン塩を含んで提供されることができ、そして電圧は、電流コレクタに掛けられることができる。他の非限定の方法は、蒸着、熱蒸着、プラズマスプレー、フレーム溶射、溶融めっき法、または機械的なめっきを含む。ある場合には、合金は最初に形成されることができ、次に電流コレクタと関連できる。例えば、第１の種類の金属、第２の種類の金属、および／または第３の種類の金属の塩は、（任意選択的に沈殿において助けることができる基材を含む）溶液と還元剤とで提供されることができ、合金が溶液中で（例えば、存在する場合、基材と関連して；懸濁液および／または粒子状物として：など）形成されることができる。固体材料は、電流コレクタ（例えば、バインダーの使用など）と関連できる。
【００４８】
めっき浴を使用して電流コレクタ上に合金を形成させる前に、電流コレクタは、クリーニングされて、被膜の良好な接着を確かにすることができる。クリーニングのための方法および技術は、従来技術および周知技術である。例えば、蒸気脱脂、砂または粒子ブラスティング、研磨、および／または音波処理を利用でき、電流コレクタは、酸性溶液中でエッチングされ、または苛性溶液中でカソード的にクリーニングされ、または電流コレクタは、正の電圧の適用によって、酸化の化学を開始し、続いて負の電圧の適用によって、還元の化学を開始することによって、調整されることができる。クリーニングの後で、電流コレクタは、めっき浴中に浸されて、電流コレクタ上に合金を堆積させることができる。
【００４９】
いくつかの態様において、本発明の電極は、電流コレクタおよび電流コレクタと関連する分子触媒または金属被膜を含むことができる。当然のことながら、本明細書における適用の多くは、電流コレクタおよび合金を含む電極に焦点を当てているが、これは、決して限定するものではなく、そして電極は代わりに、本明細書中に記載されたような電流コレクタおよび分子触媒または金属被膜を含むことができる。
【００５０】
いくつかの態様において、分子触媒は、（例えば、ＳｉＷＯを含む）ポリオキソメタレート等の酸化物であることができる。ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）は、無機金属酸素クラスターの類である。これらは、通常かごの外にあるカチオンによってバランスを取られている少なくとも１つの負の電荷を有する多面体のかご構造または骨格を含む。ポリオキソメタレートの骨格は、通常、同一であるかまたは異なることができる、酸素原子に結合した複数の金属原子を含む。ＰＯＭはまた、かご骨格によって囲まれた中心に位置するヘテロ原子を含むことができる。当業者に公知であろうＰＯＭの類の非限定の例Ｋｅｇｇｉｎ−タイプのＰＯＭ（例えば、［ＸＭ１２Ｏ４０］ｎ−）、Ｄａｗｓｏｎ−タイプのＰＯＭ（例えば、［Ｘ２Ｍ１８Ｏ６２］ｎ−）、Ｌｉｎｄｑｖｉｓｔ−タイプのＰＯＭ（例えば、［Ｍ６Ｏ１９］ｎ−＿）、およびＡｎｄｅｒｓｏｎ−タイプのＰＯＭ（例えば、［ＸＭ６Ｏ２４］ｎ−）（式中、Ｘは、ヘテロ原子であり、ｎは、化合物の電荷であり、Ｍは、金属（例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｚｎ等、またはそれらの組み合わせ）であり、そしてＯは、酸素である。）通常、好適なヘテロ原子は、リン、アンチモン、ケイ素、ホウ素、硫黄、アルミニウム、またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限られない。当業者は、プロトンおよび電子から水素ガスの生産のための他の好適な分子触媒を知るであろう。分子触媒の他の非限定の例は、Ｃｏ（ジグリオキシム）錯体、［Ｎｉ（ジホスフィン）２］２＋錯体、および金属ポルフィリン錯体（例えば、ここで、金属は、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ等である）を含む。電極を被覆する金属の非限定の例は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ等を含むことができる。
【００５１】
一態様では、触媒的に水素ガスを生成する方法は、電気化学装置を提供する工程を含み、第１の電極、電流コレクタおよび電流コレクタと関連した合金または分子触媒を含む第２の電極、および水を含み、ここで水は、少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物を含み、そして水のｐＨは、約６〜約１０の間であり。ある場合には、電気化学的システムは、水素ガスの生成を触媒し、ここで少なくとも約１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において約０．３Ｖ未満の過電圧の絶対値で、または本明細書中に記載された任意の範囲で水素ガスが生成される。ある場合には、電極の電流密度は、本質的に一定の電気化学的条件下で４時間の間にわたって約１０％超低下しない。
【００５２】
いくつかの態様において、電気化学反応と関連して触媒的に水素ガスを生成するための、および電気化学反応を促進するアニオン性種を含む電解質との使用のためのシステムであって、このシステムは、水素ガスの生成を触媒できるように選択された第１の種類の金属、電極上にアニオン性種を含む材料の堆積を防止するようにアニオン性種と１０３Ｍ−１未満の結合定数を有するように選択された第２の種類の金属および電解質に暴露可能な電極の表面積を増加させるように設定された条件下で合金から脱合金化するように選択された第３の種類の金属を含む触媒合金を含む電極を含む。
【００５３】
ある場合には、触媒的に水素ガスを生成する方法は、少なくとも０．１Ｍの濃度でアニオン性種を含む電解質、第１の電極、および電流コレクタおよび第１の種類の金属、第２の種類の金属、および第３の種類の金属を含む触媒合金を含む第２の電極を含む電気化学装置を提供する工程を含み、第１の種類の金属は、水素ガスの生成を触媒でき、第２の種類の金属は、アニオン性種と１０３Ｍ−１未満の結合定数を有し、そして第３の種類の金属は、設定された条件下で、脱合金化できる。このシステムは、水から水素ガスの生成を触媒でき、ここで、電極の電流密度は、本質的に一定の電気化学的条件下で４時間の間にわたって約１０％超低下しない。
【００５４】
本発明の種々の形態全般を上記に記載し、そして電極の形成、特徴、および組成物、方法、およびシステムの他の特性および構成部分に関する情報を含む組成物、電極、システム、および方法の他の形態をさらに詳細に記載するであろう。
【００５５】
いくつかの態様において、本発明の電極は、電流コレクタおよび電流コレクタと関連した合金（または分子触媒または金属被膜）を含む。「電流コレクタ」は、本明細書中で使用される場合、所与の２つの代替的定義である。本発明の典型的な配置において、合金は、電源またはその同類のものによって生成された電子の形態の力の受け取りのために、電圧および／または電流の電流コレクタへの適用のための外部回路に接続された電流コレクタと関連している。当業者は、これに関連して電流コレクタの意味を理解するであろう。さらに具体的に言うと、電流コレクタは、それを通って本発明の反応の間または電極の形成の間に電流が流れる合金と外部回路との間の材料をいう。ここで材料のスタックは、アノードおよびカソードの両方、およびカソードおよび／またはアノードと関連する１種または２種以上の合金を含んで提供され、ここで電流コレクタは、膜または他の材料によって分離されていることができ、それぞれの電極（例えば、アノードおよび／またはカソード）の電流コレクタは、電流コレクタに接続された合金および外部の回路にまたはこれらから電流が流れる材料である。これまで記載された電流コレクタの場合、電流コレクタは、典型的には、外部回路から分離した物体であろうし、したがって当業者によって容易に特定可能であろう。電流コレクタは、本明細書中に記載されたような１超の材料を含むことができる。別の配置において、外部回路に接続されたワイヤーは、それ自身、電流コレクタを規定できる。例えば、外部回路に接続されたワイヤーは、溶液と接触するための合金が吸収される終端部分または電解のための他の材料を有することができる。そうした場合、電流コレクタは、合金が吸収されるワイヤーのその部分として規定される。
【００５６】
「電解」は、本明細書中で使用される場合、非自発的な化学反応を駆動する電流の使用をいう。例えば、ある場合には、電解は、電流の適用により、少なくとも１つの種の酸化還元状態の変化ならびに／または少なくとも１つの化学結合の形成および／もしくは開裂を含むことができる。本発明によって提供されるように水の電解は、水を酸素ガスおよび水素ガス、または酸素ガスおよび別の水素を含有する種、または水素ガスおよび別の酸素を含有する種、またはそれらの組み合わせに分離することを含む。いくつかの態様において、本発明の機器は、逆反応を触媒できる。すなわち、機器は、水素と酸素ガス（または他の燃料）とを化合させて水を生成させ、エネルギーを生成させるように使用できる。
【００５７】
ある場合には、合金は、イオン性結合、共有結合（例えば、炭素−炭素、炭素−酸素、酸素−ケイ素、硫黄−硫黄、リン−窒素、炭素−窒素、金属−酸素、または他の共有結合）、（例えば、ヒドロキシル、アミン、カルボキシル、チオール、および／または類似の官能基間の）水素結合、配位結合（例えば、金属イオンと単座または多座配位子との間の錯体形成またはキレート化）、ファンデルワールス相互作用、およびその同類のもの等の結合の形成を介して電流コレクタと関連できる。触媒材料の電流コレクタとの「関連」は、当業者によりこの記載に基づいて理解されるであろう。
【００５８】
電流コレクタと関連した合金は、最も多くの場合、本明細書中に記載されたような本発明の目的を行うために、電流コレクタと充分な電気連通にあるように、電流コレクタに対して並べられるであろう。「電気連通」は、本明細書中で使用される場合、それによって電子が本明細書中に記載されたように電極を駆動するのに充分容易な様式で電流コレクタと合金との間を流れることができる当業者によって理解されるであろう所与のその通常の意味である。すなわち、電荷は、電流コレクタと合金との間を移送されることができる。「電気連通」は、内部抵抗を有する全体的なシステムの電極または他の要素を通したそうした連通を含む。
【００５９】
ある場合には、触媒材料は、電流コレクタ（または光活性材料）と「直接電気連通」にあることができる。「直接電気連通」は、本明細書中で使用される場合、電気連通に関して上記で規定されたような所与のその通常の意味であるが、この場合には、電流コレクタおよび触媒材料は、（例えば、第２材料を通して、回路の使用を通して等とは対照的に）相互に直接接触している。いくつかの態様において、合金および電流コレクタは、統合して接続されていることができる。用語「統合して接続された」は、２つまたは３つ以上の物体または材料を参照する場合、通常の使用の過程において相互に分離されるようにならない物体および／または材料を意味し、例えば、この分離は、例えば、道具の使用を含む、少なくとも物体および／または材料の内部の分離を必要とする。いくつかの態様において、触媒材料は、電流コレクタ（または光活性材料）と「間接的電気連通」にあることができる。すなわち、材料および／または回路が触媒材料と電流コレクタとの間に介在することできる。
【００６０】
いくつかの態様において、（例えば、電流コレクタおよび合金を含む）電極は、性能に関して特徴付けられることができる。多くの中でこれを行う１つの方法は、電流コレクタのみに対して電極の電流密度を比較することである。典型的な電流コレクタは下記にさらに充分に記載され、そして白金、およびその同類のものを含むことができる。電流コレクタは、水電解において電極としてそれ自身機能でき、そして過去そうするように使用されてきたであろう。そうであるので、電流コレクタと合金との両方を含む電極を含む電極を使用した（同じ対電極、同じ電解質、同じ外部回路、同じ水源等を有する）本質的に同一の条件と比較して、（電極がプロトンおよび電子から水素ガスを生成する）電流コレクタを使用した水電解の間に電流密度を比較できる。ほとんどの場合、電極の電流密度は、電流コレクタのみの電流密度より高いであろうし、それぞれは本質的に同一の条件下で独立して試験される。例えば、電極の電流密度は、少なくとも約１０、約１００、約１０００、約１０４、約１０５、約１０６、約１０８、約１０１０、およびその同類のもの倍で、電流コレクタの電流密度を超えることができる。特定の場合、電流密度の相違は、少なくとも約１０５であり、いくつかの態様において、電極の電流密度は、約１０４〜約１０１０、約１０５〜約１０９、または約１０４〜約１０８倍電流コレクタの密度を超えることができる。電流密度は、本明細書中に記載されたような幾何学的電流密度（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）または全電流密度のいずれかであることができる。
【００６１】
合金は、多孔質、実質的に多孔質、無孔性、および／または実質的に無孔性であることができる。孔は、ある範囲のサイズを含むことができ、そして／または実質的に均一のサイズであることができる。ある場合には、孔は、画像技術（例えば、操作電子顕微鏡）を使用して見ることができるかまたは見ることができない。孔は、開孔であることができ、そして／または閉孔であることができる。ある場合には、孔は、バルク電解質表面と電流コレクタの表面との間の経路を提供できる。
【００６２】
合金の物理的構造は、変化できる。例えば、合金は、溶液に浸される電流コレクタ（例えば、表面および／または孔）の少なくとも一部分と関連した膜および／または粒子であることができる。いくつかの態様において、合金は、電流コレクタと関連した膜を形成しない場合がある。ある場合には、合金は、電流コレクタ（例えば、合金を含む電流コレクタのすべてのまたは本質的に全ての表面）の表面を規定することができる。あるいはまたはさらに、合金は、堆積されるか、もしくはさもなければ、パッチ、島、またはいくつかの他のパターン（例えば、線、点、長方形）として電流コレクタと関連でき、またはデンドリマー、ナノ粒子、ナノロッド、またはその同類のものの形態を取ることができる。パターンは、ある場合には電流コレクタ上への合金の堆積により自発的に形成されることができ、そして／または当業者に公知の種々の技術（マイクロ接触印刷等を介してリソグラフ的に）当業者に知られた種々の技術により電流コレクタ上でパターン化されることができる。さらに、電流コレクタは、ある範囲が合金の関連を促進し、一方他の範囲は促進しないか、またはより低い程度で促進するように、それ自身パターン化されることができ、それによって電極が形成されるにつれて、電流コレクタ上に合金のパターン化された配置を作り出すことができる。合金が電極上にパターン化される場合、パターンは、合金の範囲および合金の完全にない範囲、または特定量の合金のある範囲および異なる量の合金のある他の範囲を画定できるであろう。合金は、滑らかなおよび／または凸凹な外観を有することができる。ある場合には、合金は、材料が無水の場合にある場合があるようなクラックを含むことができる。
【００６３】
ある場合には、合金の厚さは、材料を通して実質的に同じであることができる。他の場合、合金の厚さは、材料を通して変化できる（例えば、膜は必ずしも均一の厚さを有さない）。合金の厚さは、複数の範囲（例えば、少なくとも２、少なくとも４、少なくとも６、少なくとも１０、少なくとも２０、少なくとも４０、少なくとも５０、少なくとも１００、またはそれ以上の範囲）の材料の厚さを決定し、そして平均厚さを計算することによって、決定できる。合金の厚さが複数の範囲を調べることを介して決定される場合、その範囲は、パターンに基づいて多くまたは少なく存在する合金の範囲を特に表わさないように選択されることができる。当業者は、表面上の合金の任意の不均一性またはパターニングを説明する厚さ決定手順を容易に確立することができるであろう。例えば、この技術は、全体的な平均厚さを与えるために、ランダムに選択された、充分に大きな数の範囲の決定を含むことができるであろう。合金の平均厚さは、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約３００ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約７００ｎｍ、少なくとも約１μｍ（マイクロメートル）、少なくとも約２μｍ、少なくとも約５μｍ、少なくとも約１ｍｍ、少なくとも約１ｃｍ、およびその同類のものであることができる。ある場合には、合金の平均厚さは、約１ｍｍ未満、約５００μｍ未満、約１００μｍ未満、約１０μｍ未満、約１μｍ未満、約１００ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、約１ｎｍ未満、約０．１ｎｍ未満、またはその同類のものであることができる。幾つかの例において、合金の平均厚さは、約１ｍｍ〜約０．１ｎｍ、約５００μｍ〜約１ｎｍ、約１００μｍ〜約１ｎｍ、約１００μｍ〜約０．１ｎｍ、約０．２μｍ〜約２μｍ、約２００μｍ〜約０．１μｍ、またはその同類のものであることができる。特定の態様では、合金は、約０．２μｍ未満の平均厚さを有することができる。別の態様では、合金は、平均厚さ約０．２μｍ〜約２μｍを有することができる。
【００６４】
ある場合には、電極は、少なくとも約１時間、少なくとも約２時間、少なくとも約４時間、少なくとも約８時間、少なくとも約１２時間、少なくとも約１日、少なくとも約２日、少なくとも約３日、少なくとも約４日、少なくとも約１週間、少なくとも約２週間、少なくとも約１月、少なくとも約２月、少なくとも約３月、少なくとも約６月、少なくとも約１年、少なくとも約１８月、少なくとも約２年、少なくとも約３年、少なくとも約５年、少なくとも約１０年、またはそれ以上で、５０％未満、４０％未満、３０％未満、２０％未満、１０％未満、５％未満、３％未満、２％未満、１％未満、またはそれ以下の選択された性能尺度（例えば、具体的電流密度での過電圧、固定電池電圧での酸素の生産速度等）の変化で、水から水素ガスを生成するのに使用できる。
【００６５】
当業者は、選択された性能尺度を決定するためのシステムおよび方法を知っているであろう。この方法は、（例えば、室温、雰囲気圧力等）下で行われることができる。ある場合には、（例えば、水素発生のための電流コレクタおよび合金または分子触媒を含む）本発明の電極は、選択された電解質（例えば、約７のｐＨを有する１Ｍリン酸カリウム溶液、または約９．２のｐＨを有する１Ｍホウ酸カリウム溶液）中に少なくとも部分的に浸される。電流コレクタは、Ｐｔ回転環ディスク電極を含むことができる。システムはまた、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極およびＰｔワイヤー対電極を含むことができる。水素発生のための電極は、特定の速度（例えば、約５００回転／分、約１０００回転／分、約１５００回転／分、約２０００回転／分、約２５００回転／分、約３０００回転／分、約３５００回転／分等）で回転でき、そして電位が電極に適用されることができる。特定の場合には、電極は、約２０００回転／分の速度で回転する。所望の性能パラメーターは、これら作動条件下で決定できる。ある場合には、適用された電位は、水素発生反応のための過電圧として記載できる。過電圧は、対象の反応のための熱力学的電位に加えて、電極に適用された電位（Ｅカソード）として規定できる。水素発生の場合、水素発生のための熱力学的電位は、ＮＨＥに対して０．０Ｖであり、したがって過電圧（η）式：
η ＝（ＮＨＥに対する）Ｅカソード−０．０Ｖ
から決定できる。
【００６６】
決定できる性能パラメーターの例として、過電圧が０と選択された電圧との間で変化するにつれて、電流密度は、回転電極で測定されることができる。生じるデータは、過電圧対電流密度の対数（すなわち、Ｔａｆｅｌプロット）としてプロットできる。例えば、図６Ａおよび６Ｂ、および関連した例を参照のこと。通常、所与の電流密度において、より低い（より負でない）過電圧で作動する電極を形成させることが望ましい。
【００６７】
もう一つの例として、電極の安定性は、上記の様な類似の実験的設定を使用して決定できる。水素発生電極は、約２５００回転／分の速度で回転できる。選択された過電圧（例えば、約−０．１Ｖ、約−０．２Ｖ、約−０．３Ｖ、約−０．４Ｖ等）を電極に適用することができ、そして生じた電流密度は、時間の関数として測定できる。例えば、図７Ａおよび７Ｂ、および関連した例を参照のこと。特定の態様では、過電圧は、約−０．３Ｖに設定され。通常、増加した安定性を有する電極は、より安定でない電極に比較して、反応時間が進むにつれて電極の電流密度におけるより小さい変化を示す。
【００６８】
電流コレクタは、単一の材料を含むことができ、または、複数の材料を含むことができる、ただし、材料の少なくとも１種は実質的に導電性である。ある場合には、電流コレクタは、単一の材料、例えば、ＩＴＯ、白金、ＦＴＯ、ニッケル、導電性炭素メッシュおよび／またはフエルト、またはその同類のものを含むことができる。他の場合、電流コレクタは、少なくとも２種の材料を含むことができる。いくつかの例において、電流コレクタは、コア材料、およびコア材料を実質的に覆う少なくとも１種の材料を含むことができる。他の例において、電流コレクタは、２種の材料を含むことができ、ここで、第２の材料は、第１の材料の一部分と関連できる（例えば、第１の材料と合金との間に位置できる）。材料は、実質的に非導電性（例えば、絶縁性）および／または実質的に導電性であることができる。非限定の例として、電流コレクタは、実質的に非導電性コア材料および実質的に導電性材料の外側層を含むことができる（例えば、コア材料は、Ｖｉｃｏｒガラスを含むことができ、そしてＶｉｃｏｒガラスは、実質的導電性材料（例えば、ＩＴＯ、ＦＴＯ等））により実質的に被覆（例えば、層で被覆）されていることができる）。非導電性コア材料の非限定の例は、無機基材、（例えば、石英、ガラス等）およびポリマー基材（例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリプロピレン等）を含む。もう一つの例として、電流コレクタは、実質的に導電性のコア材料および実質的に導電性または実質的に非導電性の材料を含むことができる。ある場合には、当業者に公知であろうように、材料の少なくとも１種は膜材料である。例えば、膜材料は、ある場合には、プロトンまたは水酸化物イオンの伝導を可能にできる。
【００６９】
実質的に導電性材料の非限定の例として、電流コレクタは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、フッ素酸化スズ（ＦＴＯ）、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガラス質炭素、炭素メッシュ、金属、合金、リチウム含有化合物、金属酸化物（例えば、白金酸化物、酸化ニッケル、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化バナジウム、亜鉛酸化スズ、酸化インジウム、インジウム酸化亜鉛）、グラファイト、ゼオライト、およびその同類のものを含むことができる。好適な金属の非限定の例として、電流コレクタは、（合金および金属酸化物に含まれる金属を含む）、鉄、金、銅、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム、ニッケル、カドミウム、スズ、リチウム、クロム、カルシウム、チタン、アルミニウム、コバルト、亜鉛、バナジウム、ニッケル、パラジウム、タングステン、またはその同類のもの、およびそれらの組み合わせ（例えば、パラジウム銀、スチール、および／またはステンレススチール等の合金）を含むことができる。
【００７０】
電流コレクタはまた、導電性（例えば、セラミック、導電性ポリマー）として当業者に公知の他の金属および／または非金属を含むことができる。ある場合には、電流コレクタは、無機導電性材料（例えば、銅ヨウ化物、銅スルフィド、窒化チタン等）、（例えば、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール等の導電性ポリマー）有機導電性材料、および積層物および／またはそれらの組み合わせを含むことができる。ある場合には、電流コレクタは、半導体材料を含むことができる。
【００７１】
いくつかの例において、電流コレクタは、ニッケル（例えば、ニッケル発泡体またはニッケルメッシュ）等の金属を含むことができる。当業者に公知であろうニッケル発泡体およびニッケルメッシュ材料は、商業的供給元から購入できる。ニッケルメッシュは、通常、編まれたニッケル繊維をいう。ニッケル発泡体は、通常、複数の穴および／または孔を含むわずかな厚さでない（例えば、約２ｍｍ）の材料をいう。ある場合には、ニッケル発泡体は、開放気孔ポリマー発泡体の構造に基づく開放気孔の、金属性構造であることができ、ニッケル金属は、ポリマー発泡体上に被覆される。他の種類の発泡体材料は、当業者に公知であろうし、そして電流コレクタとして使用できる。発泡体電流コレクタ材料の非限定の例は、チタン、銅、ニオブ、ジルコニウム、チタン、タンタル、およびステンレススチールを含むことができる。
【００７２】
電流コレクタは、透明、半透明、半不透明、および／または不透明であることができる。電流コレクタは、固体、半多孔質、および／または多孔質であることができる。電流コレクタは、実質的に結晶または実質的に非結晶、かつ／または均質であるか、もしくは異成分からなることができる。
【００７３】
いくつかの態様において、（何らかの合金の添加前の）電流コレクタおよび／または合金は、高い表面積を有することができる。ある場合には、電流コレクタの表面積は、約０．０１ｍ２／ｇ超、約０．０５ｍ２／ｇ超、約０．１ｍ／ｇ超、約０．５ｍ／ｇ超、約１ｍ／ｇ超、約５ｍ２／ｇ超、約１０ｍ２／ｇ超、約２０ｍ２／ｇ超、約３０ｍ２／ｇ超、約５０ｍ２／ｇ超、約１００ｍ２／ｇ超、約１５０ｍ２／ｇ超、約２００ｍ２／ｇ超、約２５０ｍ２／ｇ超、約３００ｍ２／ｇ超、またはその同類のものであることができる。他のケースの場合、電流コレクタの表面積は、約０．０１ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ、約０．１ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ、約１ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ、約１０ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ約０．１ｍ２／ｇ〜約２５０ｍ２／ｇ、約５０ｍ２／ｇ〜約２５０ｍ／ｇ、またはその同類のものであることができる。ある場合には、電流コレクタの表面積は、非常に高い多孔質の材料を含む電流コレクタによることができる。電流コレクタおよび／または合金の表面積は、当業者に公知であろうように、種々の技術、例えば、光学技術（例えば、光学プロファイル、光散乱等）、電子ビーム技術、機械的技術（例えば、原子間力顕微鏡、表面プロファイル等）、電気化学的技術（例えば、サイクリックボルタンメトリー等）等を使用して測定できる。
【００７４】
電流コレクタの多孔度（または他の構成部分、例えば、電極）は、電流コレクタ中のボイド空間のパーセンテージまたは部分として測定できる。電流コレクタの多孔度パーセンテージは、当業者に公知の技術を使用して、例えば、体積／密度方法、水飽和法、水蒸発法、水銀侵入ポロシメトリー法、および窒素ガス吸着法を使用して測定できる。いくつかの態様において、電流コレクタは、少なくとも約１０％多孔質、少なくとも約２０％多孔質、少なくとも約３０％多孔質、少なくとも約４０％多孔質、少なくとも約５０％多孔質、少なくとも約６０％多孔質、またはそれ以上であることができる。孔は、（例えば、少なくとも一部が電極および／または別の孔の外側表面に開いた孔を有する）通気孔および／または閉じた孔（例えば、孔は電極または別の孔の外側表面に開いた開口を含まない）であることができる。ある場合には、電流コレクタの孔は、通気孔（例えば、電流コレクタの孔では、孔の少なくとも７０％超、少なくとも８０％超、少なくとも９０％超、少なくとも９５％超、またはそれ以上は、通気孔である）から本質的に成ることができる。ある場合には、電流コレクタの一部分のみは、実質的に多孔質であることができる。例えば、ある場合には、電流コレクタの単一表面だけは、実質的に多孔質であることができる。もう一つの例として、ある場合には、電流コレクタの外側表面は、実質的に多孔質であることができ、そして電流コレクタの内側のコアは、実質的に無孔性であることができる。特定の態様では、電流コレクタ全体は、実質的に多孔質である。
【００７５】
電流コレクタは、当業者に公知の技術を使用して、非常に多孔質に作られていることができ、そして／または大きな表面積を含むことができる。例えば、ＩＴＯ電流コレクタは、エッチング技術を使用して非常に多孔質にできていることができる。もう一つの例として、Ｖｉｃｏｒガラスは、エッチング技術を使用して非常に多孔質に製造され、続いてＶｉｃｏｒガラスの実質的にすべての表面が実質的に導電性材料（例えば、ＩＴＯ、ＦＴＯ等）を用いて実質的に被覆されることができる。ある場合には、非導電性コアを実質的に被覆する材料は、（例えば、コア材料実質的に被覆する層ように）フィルムまたは複数の粒子を含むことができる。
【００７６】
ある場合には、電流コレクタは、コア材料の少なくともの一部分が少なくとも１種の異なる材料と関連したコア材料を含むことができる。コア材料は、少なくとも１種の異なる材料で実質的にまたは部分的に被覆されていることができる。非限定の例として、ある場合には、外側の材料は、コア材料を実質的に覆うことができ、および合金は、外側の材料と関連できる。外側の材料は、合金、例えば、水から水素ガスの生成のために合金によって使用されることができる電子がコア材料と合金との間で流れることを可能にする。何らかの理論に拘束されることを望まないが、外側の材料は膜として働くことができ、そして合金に送られたコア材料において電子が生成されることを可能にする。膜はまた、水素が合金から生成され材料を通って横断することを減らし、そして／または防ぐことによって機能する。この配置は、水の酸化で生成された酸素ガスおよび水素ガスの分離が重要である機器内で好都合である。ある場合には、膜中または膜における水素ガスの生成が制限されるように膜は選択できる。
【００７７】
電流コレクタは、実質的に平面であることができ、または実質的に平面でないことができる。例えば、電流コレクタは、波紋、波、デンドリマー、（例えば、ナノ粒子）球、（例えば、ナノロッド）棒、粉末、沈殿物、複数の粒子、およびその同類のものを含むことができる。いくつかの態様において、電流コレクタの表面は、凹凸間の距離および／または凹凸の高さがナノメートル、マイクロメートル、ミリメーター、センチメートルのスケール、またはその同類のものである、凹凸であることができる。いくつかの例において、電流コレクタの平面性は、電流コレクタの粗さを決定することによって決定できる。本明細書中で使用される場合、当業者に公知であろうように、用語「粗さ」は、表面（例えば、電流コレクタ）の織地の尺度をいう。電流コレクタの粗さは、量化、例えば、平面の表面からの電流コレクタの垂直偏差を決定することによって量化できる。接触（例えば、表面形状測定装置等の、表面にかけて測定針をドラグすること）または非接触方法（例えば、干渉法、共焦点顕微鏡、電気的静電容量、電子顕微鏡等）を使用して、粗さを測定できる。ある場合には、表面粗さ、Ｒａ（式中、Ｒａはマイクロメートルで表された表面の谷およびピークの算術平均偏差である）を決定できる。非平面のＲａは、約０．１μｍ超、約１μｍ超、約５μｍ超、約１０μｍ超、約５０μｍ超、約１００μｍ超、約５００μｍ超、約１０００μｍ超、またはその同類のものであることができる。
【００７８】
溶液は任意の好適な材料から生成できる。多くの場合、溶液は、液体であることができ、そして水を含むことができる。いくつかの態様において、溶液は水からなるかまたは水から本質的に成ることができ、すなわち、溶液は、電気化学装置が機能するのに必要な最低の電気伝導度で、それぞれの場合において、本質的に純粋な水または純粋な水と本質的に同じように挙動する水溶液であることができる。いくつかの態様において、金属イオン性種およびアニオン性種が実質的に可溶性であるように溶液は選択される。ある場合には、電極が形成後直ちに機器において使用される場合、本明細書中に記載されたような機器および／または方法によって酸化される水（または他の燃料）を含むように溶液は選択されることができる。例えば、水素ガスが水から生成されることになる例では、溶液は、（例えば、水源から供給された）水を含むことができる。
【００７９】
ある場合には、溶液のｐＨは、ほぼ中性であることができる。すなわち、溶液のｐＨは、約６．０〜約８．０、約６．５〜約７．５であることができ、そして／またはｐＨは、約７．０である。他の場合、溶液のｐＨは、ほぼ中性または酸性である。これらの場合、ｐＨは、約０〜約８、約１〜約８、約２〜約８、約３〜約８、約４〜約８、約５〜約８、約０〜約７．５、約１〜約７．５、約２〜約７．５、約３〜約７．５、約４〜約７．５、または約５〜約７．５であることができる。また他の場合、ｐＨは、約６〜約１０、約６〜約１１、約７〜約１４、約２〜約１２、およびその同類のものであることができる。いくつかの態様において、溶液のｐＨは、ほぼ中性および／または塩基性、例えば、約７〜約１４、約８〜約１４、約８〜約１３、約１０〜約１４、１４超、またはその同類のものであることができる。アニオン性種および金属イオン性種は、所望の状態にあるように、溶液のｐＨを選択できる。例えば、いくつかのアニオン性種は、ｐＨレベル、例えば、リン酸塩の変化によって影響される場合がある。溶液が塩基性（約ｐＨ１２超）の場合、リン酸塩の大部分はＰＯ４−３の形態である。溶液がほぼ中性の場合、リン酸塩はほぼ当量のＨＰＯ４−２の形態およびＨ２Ｐ０４−１の形態である。溶液がわずかに酸性（約ｐＨ６未満）である場合、リン酸塩はＨ２Ｐ０４の形態である。ｐＨレベルはまた、アニオン性種および金属イオン性種の溶解度定数に影響できる。
【００８０】
いくつかの態様において、本明細書中に記載されたような電極は、低絶対値の過電圧でプロトンおよび電子から水素ガスを生成できる。所与の活性を達成するのに必要な熱力学的に決定される還元または酸化電位に追加された電圧を本明細書中において「過電圧」といい、そしてこれは電解装置の効率を制限する場合がある。したがって、過電圧は技術的に所与のその通常の意味であり、すわなち、反応に必要な熱力学的ポテンシャルを差し引いた電気化学反応（例えば、水からの水素ガスの生成）を生じるために、システム、または電極等のシステムの構成部分に適用されなければならない電位である。当業者は、反応を駆動するために特定のシステムに適用されなければならないすべての電位が、典型的には、システムの種々の構成部分に適用されなければならないすべての電位であることができることを理解するであろう。例えば、システム全体のための電位は、典型的には、水の電解から水素ガスが生成される例えば電極において測定される電位より高いことができる。当業者は、水電解からの水素生成のための過電圧が本明細書中において記載される場合、これは、水素そのものへのプロトンおよび電子の変換に必要な電圧に適用され、そして対電極（他の可能な反応の内、酸素およびプロトンおよび電子への水の酸化が生じると推定される）対電極における電圧低下を含まないことを認めるであろう。
【００８１】
プロトンおよび電子からの水素ガスの生成のための熱力学的電位は、反応（例えば、ｐＨ、温度、圧力等）の条件により通常変化する。当業者は、実験的条件によってプロトンおよび電子からの水素ガスの生成のための理論上の熱力学的電位を決定できるであろう。
【００８２】
いくつかの例において、本明細書中に記載されたような電極は、約１ボルト未満、約０．７５ボルト未満、約０．５ボルト未満、約０．４ボルト未満、約０．３５ボルト未満、約０．３２５ボルト未満、約０．３ボルト未満、約０．２５ボルト未満、約０．２ボルト未満、約０．１５ボルト未満、約０．１ボルト未満、約０．０７５ボルト未満またはその同類のものである過電圧の絶対値を用いてプロトンおよび電子（例えば、ガス状のおよび／または液体水）から水素ガスを生成できる。いくつかの態様において、過電圧の絶対値は、約０．１ボルト〜約０．４ボルト、約０．２ボルト〜約０．４ボルト、約０．２５ボルト〜約０．４ボルト、約０．３ボルト〜約０．４ボルト、約０．２５ボルト〜約０．３５ボルト、約０．１〜約０．２ボルト、約０．１〜約０．３ボルト、またはその同類のものである。ある場合には、電極の過電圧の絶対値は、中性ｐＨ（例えば、約ｐＨ７．０）、周囲温度（例えば、約２５℃）、周囲圧力（例えば、約１気圧）、無孔性かつ平面である電流コレクタ（例えば、ＩＴＯプレート）を有する電解質の標準化された条件下で決定される、および約１ｍＡ／ｃｍ２の（本明細書中に記載されたような）幾何学的電流密度（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）において。当然のことながら、本発明のシステムは、直前に記載されたこれらの条件以外の下で使用でき、そして非常に広範な条件が本発明の使用において存在できることを実際当業者は認識するであろう。しかし、上記に記載した条件は、過電圧、生成される酸素および／または水素の量、および本明細書中に規定された性能特徴等の特徴をどのように規定するかの目的のためのみに提供される。具体的な実施形態において、電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３ボルト未満、約０．２５ボルト未満、約０．２ボルト未満、約０．１５ボルト未満、または約０．１ボルト未満の過電圧の絶対値でプロトンおよび電子から水素ガスを生成できる。別の態様では、電極は、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３ボルト未満、約０．２５ボルト未満、約０．２ボルト未満、約０．１５ボルト未満、約０．１ボルト未満、または約０．０７５ボルト未満の過電圧の絶対値で水から水素ガスを生成できる。また別の態様において、電極は、少なくとも１００ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３ボルト未満、約０．２５ボルト未満、約０．２ボルト未満、約０．１５ボルト未満、または約０．１ボルト未満の過電圧の絶対値で水から水素ガスを生成できる。
【００８３】
いくつかの態様において、電極は、約１００％、約９９．８％超、約９９．５％超、約９９％超、約９８％超、約９７％超、約９６％超、約９５％超、約９０％超、約８５％超、約８０％超、約７０％超、約６０％超、約５０％超等のファラデー効率で、水素ガスから水（例えば、ガス状の水および／または液体水）を生成できる。用語「ファラデー効率」は、本明細書中で使用される場合、所与のその通常の技術的意味であり、そして電荷（例えば、電子）が特別な電気化学反応を促進するシステムにおいて移送される有効性をいう。例えば、非生産的な反応、生成物の再結合、システムの短絡、および電子の他の分散に参加できる電子の誤った方向性によってシステムのファラデー効率における損失が生じる場合があり、そして熱の生成および／または化学的副生成物となる場合がある。
【００８４】
ファラデー効率は、ある場合には、知られた量の試薬が、化学量論的に生成物に転化するバルク電解を通して、通過した電流によって測定されるように決定でき、そしてこの量は、別の分析的な方法を通して測定された観察された量の生成物と比較できる。例えば、機器または電極は、プロトンおよび電子から水素ガスを生成するために使用できる。生成された水素ガスの全量は、当業者（例えば、水素センサー、電気化学的方法等を使用して）当業者に知られた技術を使用して測定できる。生成されることが期待される水素の全量は、単純な計算を使用して決定できる。ファラデー効率は、生成された水素ガス対生成される水素ガスの期待される量を決定することによって、決定できる。ある場合には、電極のファラデー効率は、約１日、約２日、約３日、約５日、約１５日、約１月、約２月、約３月、約６月、約１２月、約１８月、約２年等の電極の稼働の期間にわたって、約０．１％未満、約０．２％未満、約０．３％未満、約０．４％未満、約０．５％未満、約１．０％未満、約２．０％未満、約３．０％未満、約４．０％未満、約５．０％未満等変化する。
【００８５】
いくつかの態様において、上記の電極および／または上記の方法を使用して調製された電極を含むシステムおよび／または機器を提供できる。特に、機器は、電気化学装置（例えば、エネルギー変換機器）であることができる。電気化学装置の非限定の例は、本明細書中に記載されたような、電解装置、燃料電池、および再生燃料電池を含む。いくつかの態様において、機器は、電解装置である。電解装置は、電解的に水（例えば、液体および／またはガス状の水）を分解して酸素および／または水素ガスを生成することによって、酸素ガスおよび／または水素ガス発生器として機能できる。電解装置は、電解的に水（例えば、液体および／またはガス状の水）を分解して、酸素および／または水素ガスを生成することにより、酸素ガスおよび／または水素ガス発生器として機能できる。エネルギー変換機器は、いくつかの態様において、自動車、家、村、冷却機器（例えば、冷蔵庫）等を運転させるのに必要なエネルギーの少なくとも一部分を提供するのに使用できる。いくつかの態様において、機器はＯ２および／またはＨ２を生成するのに使用できる。Ｏ２および／またはＨ２を、例えば、燃料電池等の機器を使用して、電気および水に戻して変換できる。ある場合には、しかし、Ｏ２および／またはＨ２は、他の目的（例えば、医療的、工業的、および／または化学的目的）のために使用できる。機器使用の他の非限定の例は、Ｏ２の生成（例えば、ガス状酸素）、Ｈ２の生成（例えば、ガス状水素）、Ｈ２Ｏ２の生成、アンモニアの酸化、炭化水素（例えば、メタノール、メタン、エタノール、およびその同類のもの）の酸化、排気ガス処理等を含む。
【００８６】
いくつかの態様において、電気化学的に水から酸素および水を生成するための電解装置およびシステムおよびこれらに関連した方法を提供できる。１つの設定において、機器は、（例えば、本明細書中に記載されたような）チャンバー、第１の電極、第２の電極を含み、ここで第１の電極は、第２の電極、電解質に対して正にバイアスが掛けられており、ここでそれぞれの電極は、電解質、水の供給元および第１のおよび第２の電極と電気連通した電源と流体接触している。ある場合には、水の供給元は、少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物を含むことができる。第１の電極は、第２の電極手段に向かって、負にまたは正にバイアスが掛けられていると考えることができ、これは第２の電極の第２の電圧電位に対して第１の電極の第１の電圧電位が負または正であることを意味する。第２の電極は、第２の電極に対して、（例えば、水を酸素および水素ガスに変換する熱力学によって規定された最小値）約１．２３Ｖ未満、約１．３Ｖ未満、約１．４Ｖ未満、約１．５Ｖ未満、約１．６Ｖ未満、約１．７Ｖ未満、約１．８Ｖ未満、約２Ｖ未満、約２．５Ｖ未満、およびその同類のもので負にまたは正にバイアスを掛けられることができる。ある場合には、バイアスは、約１．５Ｖ〜約２．０Ｖ、約２．０および２．５Ｖ、約１．６Ｖ〜約１。９Ｖであることができ、または約１。６Ｖである。
【００８７】
プロトンは、当業者に公知であろうような任意の好適なプロトン源を使用して本明細書中に記載された機器に提供できる。プロトン源は、プロトン、例えば、Ｈ＋、Ｈ３Ｏ＋、ＮＨ４＋等を供給できる任意の分子または化学品であることができる。（例えば、燃料電池における燃料としての使用のための）水素源は、例えば、水素ガス、水素リッチガス、天然ガス等の水素を含む任意の物質、化合物、または溶液であることができる。機器に供給される酸素ガスは、実質的に純粋であることができ、または実質的に純粋でないことができる。例えば、ある場合には、酸素リッチガス、空気等の酸素を含む任意の物質、化合物または溶液を提供できる。
【００８８】
電解装置の例が図１に記載されている。電源１２０は第１の電極１２２および第２の電極１２４に電気的に接続されており、ここで第２の電極は、本明細書中に記載されたような電極である。第１の電極１２２および第２の電極１２４は、電解質１２６と接触している。この例において、電解質１２６は、水を含む。しかし、ある場合には、物理的バリアー（例えば、アスベスト、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の微小孔性分離器からなる多孔質隔膜）、およびその同類のものは、第２の電極と接触して電解質溶液から、第１の電極と接触して電解質溶液を分離でき、一方、依然片側から別の側にイオンが流れるようにできる。他の態様において、電解質は、溶液でないことができ、そしてイオンを伝導する固体ポリマーであることができる。そうした場合には、水を任意の好適な水の供給元を使用して機器に提供できる。
【００８９】
この非限定の態様において、電解装置は以下のように稼働できる。電源が入れられ、そして電子正孔対を生成できる。正孔１２８は第１の電極１２２に注入され、そして電子１３０は第２の電極１２４に注入される。第１の電極において、半反応１３２に示すように、水は酸化されて、酸素ガス、４つのプロトン、および４つの電子を生成する。第２の電極において、電子は、半反応１３４に示すように、（例えば、電解質等のプロトン源からの）プロトンと化合して水素を生成する。第１の電極から第２の電極への電子の正味での流れがある。生成された酸素および水素ガスは、燃料電池を含むか、または商業的もしくは別の用途における使用を含む、他の機器において貯蔵され、そして／または使用されることができる。
【００９０】
いくつかの態様において、電解装置は、第２の電気化学電池と電気連通した第１の電気化学電池を含むことができる。第１の電気化学電池は、本明細書中に記載されたような電極を含むことができ、そして水から酸素および／または水素ガスを生成できる。酸素ガスの生成の間に電極から生成された電子は、（例えば、回路を通して）第２の電気化学電池に移送されることができる。電子は、（例えば、水素イオンからの水素ガスの生成のための）第２の反応において、第２の電気化学電池中で使用できる。いくつかの態様において、第１の電気化学電池中で生成された水素イオンの、第２の電気化学電池への輸送を可能にする材料を提供できる。当業者は、そうした機器のために好適な設定および材料を知っているであろう。
【００９１】
いくつかの場合において、例えば、図２に示すように、機器は、第１の材料および第２の材料を含む電流コレクタと関連した合金を含む電極を含むことができ。機器は、ハウジング２９８、水の酸化の間に生成されたＯ２およびＨ２ガスの収集のための第１の出口３２０および第２の出口３２２、第１の電極３０２および（第１の材料３０６、第２の材料３１６、および合金３０８を含む）第２の電極３０７を含むことができる。ある場合には、材料３０４は、第１の電極３０２と第２の電極３０６（例えば、非ドープ半導体）との間に存在できる。機器は、電解質（例えば、３００、３１８）を含む。第２の材料３１６は、電解質（例えば、３１８）が材料の孔を満たす多孔質導電性材料（例えば、バルブ金属、金属性化合物）であることができる。何らかの理論に拘束されることを望まないが、材料３１６は、膜として機能でき、そして第１の材料３０６で生成された電子の第２の材料３１６の外側表面３２４への透過を可能にできる。第２の材料３１６は、第２の材料３１６の孔中で酸素ガスが生成されないように選択されることができ、例えば、酸素ガスの生成のための過電圧が高い場合。酸素ガスは、第２の材料３１６の表面３２４の上またはその近傍（例えば、または第２の材料３１６の外側表面３２４と関連する合金を介して）で生成される場合がある。第２の材料３１６での使用に好適であることができる材料の非限定の例は、チタンジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、タングステン、またはそれらの合金を含む。ある場合には、材料は、バルブ金属窒化物、炭化物、ホウ化物等、例えば、窒化チタン、炭化チタン、またはホウ化チタンであることができる。ある場合には、材料は、酸化チタン、または（例えば、ニオブタンタル、タングステン、フッ素等を用いて）ドープされた酸化チタンであることができる。
【００９２】
ある場合には、燃料電池（または燃料からエネルギーへの変換機器）ならびにそれに関連したシステムおよび方法を提供できる。典型的な、従来の燃料電池は、２つの電極、第１の電極および第２の電極、第１の電極と第２の電極との両方に接触した電解質、および機器によって作り出された電力が引き出される第１の電極および第２の電極中の電気の回路を含む。
【００９３】
燃料電池の製造および稼働は、当業者に公知であろう。電極および／または触媒材料を含むことができる燃料電池機器の非限定の例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、リン酸燃料電池、溶融した炭酸塩燃料電池、固体オキサイド燃料電池、アルカリ性燃料電池、直接のメタノール燃料電池、亜鉛空気燃料電池、プロトンセラミック燃料電池、および微生物燃料電池を含む。いくつかの態様において、機器は、本明細書中に記載されたような触媒材料、電極、または機器を使用して再生燃料電池であることができる。再生燃料電池は、燃料電池および電解装置を含む機器である。
【００９４】
いくつかの態様において、機器は、本明細書中に記載されたような電極または機器を使用する再生燃料電池であることができる。再生燃料電池は、燃料電池および電解装置を含む機器である。電解装置および燃料電池は、電解または燃料電池のいずれかとして稼働できる同じ構成部分によって主として規定できるか、または電解装置と燃料電池との一方もしくは両方は、機器のためのみに使用されるが他のためには使用されない構成部分を含むことができる。例えば、再生燃料電池は、電位、燃料等の入手可能性および設定によって、第１の電極と第２の電極との両方が電解装置と燃料電池との両方のために使用される第１の電極および第２の電極を含むことができる。もう一つの例として、再生燃料電池は、それ自身の一式の電極、電解質、区画、および種々の連結によって規定された電解槽、ならびに電解槽のいくつかまたは全ての構成部分と異なる、それ自身の電極等によって規定される別個の燃料電池を含むことができる。使用の例として、電解装置および燃料電池が同じ構成部分によって主として規定され、機器が電解装置として機能する場合、酸素および水素ガスを、一組の少なくとも２つの電極を使用して水から生成できる。
酸素および水素ガスは貯蔵でき、そして機器が燃料電池として機能する場合、これらの同じ電極を使用して、または同じ電極の少なくとも１つを使用して燃料として使用できる。この配置において、システムが実質的に含まれ、そして繰り返し使用できる。
【００９５】
いくつかの態様において、本明細書中に記載された電極および組成物は、光起電利用（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｓｓｉｓｔｅｄ）光電気化学電池および／または光活性組成物と連結して使用できる。ある場合には、光活性組成物は、光電池、三接合アモルファスシリコン（ｔｒｉｐｌｅ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ ａ−Ｓｉ）光電池、半導体、またはｐ−タイプ半導体フォトカソードである。光電気化学電池、機器、および関連した方法は、当業者に公知であろう。ある場合には、触媒材料は、光活性組成物と直接的に関連でき（例えば、触媒材料は光活性組成物と直接接触している）、または光活性組成物は間接的に関連できる（例えば、触媒材料は光活性組成物と連結して使用されるが、触媒材料と直接接触しない）。例えば、一態様では、光起電利用光電気化学電池で起こるであろうプロセスは以下のようである。第１の電極は、電磁照射に曝されることができ、第１の電極は、光電池の片側に適用された透明導電性被膜を含む。第２の電極は、光電池の反対側に適用されることができ、そして本明細書中に記載されたような合金と接合した導電性層を含むことができる。光は透明被膜を透過でき、そして第１の電極の下の光電池を励起でき、そして電荷キャリアー（例えば、電子正孔対）の生成となることができる。水は、第１の電極において生成された正孔によって酸化できる。第１の電極で生成された水素イオンは、（例えば、電解質を通して）本明細書中に記載された合金水素発生触媒を含む第２の電極に輸送されることができ、そして第１の電極で生成された電子は、光電池を通して第２の電極に移送されることができる。輸送された水素イオン（例えば、Ｈ＋またはＨ２Ｐ０４−などの別の形態）は、第２の電極において輸送された電子で還元されることができ、それによって水素ガスを生成する。
【００９６】
一態様では、タンデムのフォトアノード光起電性、光電気化学電池で起こるプロセスは以下のようである。第１の電極は、電磁照射にさらされることができ、第１の電極は、ｎ−タイプ半導体を含み、そして第２の電極に対して正にバイアスされることができる。光は第１の電極の半導体材料を励起でき、そして電荷キャリアー（例えば、電子正孔対）の生成となることができる。水は第１の電極で生成された正孔によって酸化されることができる。第１の電極で生成された水素イオンは、（例えば、電解質をとおして）本明細書中に記載されたような合金を含む第２の電極に輸送されることができ、そして第１の電極で生成された電子は、回路を通して第２の電極に移送されることができる。輸送された水素イオン（例えば、Ｈ＋またはＨ２Ｐ０４−などの別の形態）は、第２の電極において輸送された電子で還元されることができ、それによって水素ガスを生成する。
【００９７】
光活性組成物は、当業者に公知であろう。光活性材料の非限定の例は、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＴｉＯ２−Ｓｉ、ＢａＴｉＯ３、ＬａＣｒＯ３−ＴｉＯ２、ＬａＣｒＯ３−ＲｕＯ２、ＴｉＯ２−Ｉｎ２Ｏ３、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ｐ−ＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ／ｐＧａｏ．２Ｉｎ０．４８Ｐ、ＡＩＧａＡｓ／ＳｉＲｕＯ２、ＰｂＯ、ＦｅＴｉＯ３、ＴａＯ３、ＭｎＴｉＯ３、ＳｎＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３（ヘマタイトを含む）、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＭｏＳ２、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＴｅ、ＨｇＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＳ、ＨｇＣｄＴｅ、ＨｇＺｎＳｅ等、またはそれらの複合物を含む。ある場合には、光活性組成物はドープされることができる。例えば、ＴｉＯ２は、Ｙ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｂ、Ｒｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｓ等によりドープされることができ、そしてＳｒＴｉＯ３は、Ｚｒによりドープされることができる。光活性組成物は、例えば、単結晶ウェハー、被膜（例えば、薄膜）、ナノ構造の配列、ナノワイヤー等を含む任意の好適なモルホロジーまたは配置に提供されることができる。当業者は、選択された形態の光活性組成物を調製するための方法および技術を知っているであろう。例えば、ドープＴｉＯ２は、スパッタリング、ゾルゲル、および／またはＴｉの陽極酸化によって調製されることができる。例示的な態様では、光活性組成物は、任意選択的にドープされた、またヘマタイトとしても知られているα−Ｆｅ２Ｏ３を含むことができる。
【００９８】
いくつかの態様において、本明細書中に記載されたような（例えば、水の電解のための）電気化学システムおよび／または機器は、本明細書中に記載された過電圧の任意の１つにおいて主として維持される電圧で稼働できる。すなわち、そうしてシステムにおいて、過電圧は、本明細書中に記載された１つのレベル、または１つの範囲内の一定のレベルで維持されることができるが、一定に維持される必要はない。システムの電位は、使用の間、工程ごとの様式またはその同類のもので、線形に、非線形に調整されることができる。しかし、ある場合には、本明細書中に記載された過電圧でまたは本明細書中に記載された範囲内で、システムが稼働される時間の少なくとも約２５％、少なくとも約４５％、少なくとも約６０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、または少なくとも９８％、システムは稼働される。一態様では、電圧は、システムおよび／または機器が稼働される実質的に１００％の間そうした過電圧に保たれる。これは、システムは、記載された過電圧に保たれることができるが、使用の期間の間そのレベルまたはその範囲の外であるが、本発明にこの形態に従って、上記時間パーセンテージを超えないで、動かされることができることを意味する。
【００９９】
機器の電極の性能は、電流密度（例えば、幾何学的なおよび／または全電流密度）によって測定されることができ、ここで電流密度は、保存された電荷の流れの密度の尺度である。例えば、電流密度は、断面図の単位面積当たり電流である。ある場合には、本明細書中に記載されたような電極の電流密度（例えば、本明細書中に記載されたような幾何学的電流密度および／または全電流密度、）は、約０．１ｍＡ／ｃｍ２超、約１ｍＡ／ｃｍ２超、約５ｍＡ／ｃｍ２超、約１０ｍＡ／ｃｍ２超、約２０ｍＡ／ｃｍ２超、約２５ｍＡ／ｃｍ２超、約３０ｍＡ／ｃｍ２超、約５０ｍＡ／ｃｍ２超、約１００ｍＡ／ｃｍ２超、約２００ｍＡ／ｃｍ２超、およびその同類のものである。
【０１００】
いくつかの態様において、電流密度は、幾何学的電流密度として記載されたように記載されることができる。本明細書中で使用される場合、幾何学的電流密度は、電極の幾何学的な表面積によって割った電流である。電極の幾何学的な表面積は当業者によって理解されるであろうし、そして電極（または電流コレクタ）の外側境界を画定する表面、例えば、巨視的測定具（例えば、定規）によって測定できる範囲をいい、そして表面積（例えば、発泡体等の多孔質材料の孔の内側の面積、またはメッシュ内に含まれ、そして外側境界等を画定しないメッシュのこれらの繊維の表面積）を含まない。
【０１０１】
いくつかの態様において、電流密度は、幾何学的電流密度として記載されたように記載されることができる。本明細書中で使用される場合、幾何学的電流密度は、電極の幾何学的な表面積によって割った電流である。電極の幾何学的な表面積は当業者によって理解されるであろうし、そして電極（または電流コレクタ）の外側境界を画定する表面、例えば、巨視的測定具（例えば、定規）によって測定できる範囲をいい、そして表面積（例えば、発泡体等の多孔質材料の孔の内側の面積、またはメッシュ内に含まれ、そして外側境界等を画定しないメッシュのこれらの繊維の表面積）を含まない。
【０１０２】
いくつかの態様において、本明細書中に記載されたような機器および／または電極は、酸素生成または水素生成が生じる電極においてｃｍ２当りで、それぞれ、時間当り少なくとも約１μｍｏｌ（マイクロモル）、少なくとも約５μｍｏｌ、少なくとも約１０μｍｏｌ、少なくとも約２０μｍｏｌ、少なくとも約５０μｍｏｌ、少なくとも約１００μｍｏｌ、少なくとも約２００μｍｏｌ、少なくとも約５００μｍｏｌ、少なくとも約１０００μｍｏｌ、またはそれ以上のの酸素および／または水素を生成できる。電極の面積は、本明細書中に記載されたような幾何学的な表面積または全表面積であることができる。
【０１０３】
ある場合には、電解装置は、光電池に電気的に接続可能であり、そして光電池によって駆動されることができるように組み立てられかつ並べられることができる（例えば、光電池は、水の電解用機器のための電源であることができる）。光電池は、光を吸収し、そして電気エネルギーに変換する光活性材料を含む。当業者は、光電池「に電気的に接続可能であり、そして」光電池に「よって駆動されることができるように組み立てられかつ並べられることができる」機器の意味を理解するであろう。この配置は、梱包、取扱説明書、独自の（機械的および／または電気的）接続上の特徴、またはその同類のものを通して、相互に連結されることを明らかに示された光電池および電解装置を含む。この態様または他の態様において、２つの（光電池および電解装置）は、キットとして共に梱包されることができる。電解装置は、本明細書中に記載されたような電極または機器のいずれかを含むことができる。光電池、ならびにこれを提供する方法およびシステムは、当業者に公知であろう。ある場合には、本明細書中に記載されたような電極の使用で、時間当りで、光電池のｃｍ２当り、少なくとも約１μｍｏｌ（マイクロモル）、少なくとも約５μｍｏｌ、少なくとも約１０μｍｏｌ、少なくとも約２０μｍｏｌ、少なくとも約５０μｍｏｌ、少なくとも約１００μｍｏｌ、少なくとも約２００μｍｏｌ、少なくとも約５００μｍｏｌ、少なくとも約１０００μｍｏｌの酸素および／または水素ガスの生成速度で水の電解を進めることができる。特定の態様では、本明細書中に記載されたような光起電性機器および電解装置を含む機器は、時間当り、光電池のｃｍ２当り、少なくとも約１０μｍｏｌの酸素および／または水素ガスを生成できる。
【０１０４】
ある場合には、本明細書中に記載されたような機器および方法は、ほぼ周囲条件において行うことができる。周囲条件は、機器および／または方法に関連する温度および圧力を規定する。例えば、周囲条件は、約２５℃の温度および約１．０気圧（例えば、１気圧、１４ｐｓｉ）の圧力によって規定されることができる。ある場合には、この条件は本質的に周囲のものであることができる。本質的に周囲温度範囲の非限定の例は、約０℃〜約４０℃、約５℃〜約３５℃、約１０℃〜約３０℃、約１５℃〜約２５℃、約２０℃において、約２５℃において、およびその同類のものを含む。本質的に周囲圧力範囲の非限定の例は、約０．５気圧〜約１．５気圧、約０．７気圧〜約１。３気圧、約０．８〜約１。２気圧、約０．９気圧〜約１。１気圧、およびその同類のものを含む。特定の場合には、圧力は、約１。０気圧であることができる。周囲または本質的に周囲条件は、任意の条件（例えば、ｐＨ等の条件）とともに、本明細書中に記載された、機器、組成物、触媒材料および／または方法のいずれかとともに、使用されることができる。
【０１０５】
いくつかの態様において、本明細書中に記載されたような方法および／または機器の使用の間に提供され、そして／または生成された水は、ガス状態であることができる。当業者は、蒸気を用いて、ある場合には、過度の実験なしで行われる公知の電気化学的技術を適用できる。例示的な態様として、ある場合には、水は、電極を含む電解装置（例えば、高温度電解または蒸気電解）に、ガス状態で提供されることができる。ある場合には、機器に提供されたガス状の水は、蒸気を本来的に生成する機器またはシステム（例えば、原子力発電所）によって、生成されることができる。ある場合には、電解装置は、第１の多孔質電極および第２の多孔質電極（例えば、本明細書中に記載されたような電極、ニッケルサーメット蒸気／水素電極、混合酸化物電極（例えば、ランタン、ストロンチウム等を含む、コバルト酸素電極等）および電解質を含むことができる。電解質は、選択されたガス（例えば、酸素、オキサイド、分子ガス（例えば、水素、窒素等））に非浸透性であることができる。電解質の非限定の例は、イットリア安定化ジルコニア、バリウム安定化ジルコニア等を含む。ガス状態の水を使用できる１つの電解装置の非限定の例が図３に示されている。電解装置は、第１の電極２００、第２の電極２０２、非浸透性の電解質２０４、電源２０８、および第１の電極と第２の電極とを接続する回路２０６を含んで提供され、ここで第２の電極２０２は、第１の電極２００に対して正にバイアスされている。ガス状の水２１０は、第１の電極２００に提供される。
酸素ガス２１２は、第１の電極２００に提供され、そして時々ガス状の水２１４を含むことができる。水素ガス２１６は、第２の電極２０２で生成される。いくつかの態様において、蒸気電解は、約１００℃〜約１０００℃、約１００℃〜約５００℃、約１００℃〜約３００℃、約１００℃〜約２００℃、またはその同類のものの温度で行われることができる。何らかの理論に拘束されることを望まないが、ある場合には、ガス状態の水を提供することは、水が液体状態中で提供される類似の機器に比較して、さらに効率的に電解を進めることができる。これは、水蒸気のより高い入力エネルギーによることができる。いくつかの例において、提供されるガス状の水は、他のガス（例えば、水素ガス、窒素ガス等）を含むことができる。
【０１０６】
本明細書中に記載されたもの等の電気化学装置に含まれる全体的な電気化学および／または化学の個々の形態は通常公知であり、そして本明細書中に必ずしもすべて詳細に記載されていないであろう。当然のことながら、本明細書中に記載された具体的な電気化学装置は、例示的であるのみであり、そして本明細書中に記載されたような構成部分、連結、および技術は、種々の固体、液体、および／またはガス状燃料、および種々の電極、および電解質（これらは、操作条件下で液体または固体（隣接した構成部分のために実現可能な所では；通常、１種が固体であり、そして液体がある場合には、１種が液体であろう。））を含む任意の好適な電気化学装置に実際に適用できる。記載された電気化学装置ユニット配置が、本明細書中に記載されたように電極を使用できる電気化学装置の単なる例であることがまた理解される。本明細書中に記載されたように、使用され、そして可能とするこれらの本明細書中に開示された以外の多くの構造的な配置は、当業者に明らかであろう。
【０１０７】
したがって、電気化学装置は、より大きい機器またはシステムを形成するように追加の電気化学装置と組み合わせられることができる。いくつかの態様において、これはユニットまたは機器（例えば、燃料電池および／または電解装置）のスタックの形態を取ることができる。１超の電気化学装置が組み合わせられる場合、機器はすべて本明細書中に記載されたような機器であることができ、または本明細書中に記載されたような１種または２種以上の機器は、従来の固体酸化物燃料電池等の他の電気化学装置と組み合わせることができる。当然のことながら、この用語が使用される場合、本発明のシステムおよび技術に従って機能できると当業者が理解するであろう任意の好適な電気化学装置は、置き換えられることができる。
【０１０８】
上記のように、いくつかの態様において、水は、少なくとも１種の不純物（水の供給源中に自然に存在する、例えば、物質、化合物、化学品等）および／または少なくとも１種の添加物（水の供給源に故意に加えられた、例えば、物質、化合物、化学的等）を含むことができる。少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物の存在は、電極の性能にほとんど影響できないか、または実質的に全く影響できない。例えば、ある場合には、本質的に同一の条件下で不純物または添加物を実質的に含まない水を使用した活性に対して、少なくとも１種の不純物または添加物を含む水を使用した活性レベルとほぼ同じで、約９５％超で、約９０％超で、約８０％超で、約７０％超で、約６０％超で、約５０％超で、またはその同類のもので電極は稼働できる。ある場合には、電極の電流密度（または他の性能パラメーター）は、本質的に一定の電気化学的条件下で、約１時間、約２時間、約４時間、約８時間、約１２時間、約１８時間、約１日、約２日、約３日、約４日、約１週間、約２週間、約１月、またはそれ以上の時間にわたって、約５０％、約４０％、約３０％、約２０％、約１５％、約１０％、約８％、約５％、約４％、約３％、約２％、約１％、またはそれ以下を超えては決して低下できない。ある場合には、電極の電流密度は、本質的に一定の電気化学的条件下で４時間の間にわたって約１０％超低下しない。
【０１０９】
用語「本質的に一定の電気化学的条件」は、本明細書中で使用される場合、電極が、本質的に稼働条件になんら調整がされずに、ある時間期間の間稼働される一式の条件をいう。例えば、具体的にシステムの性能を高めるためまたは低下させるために、調整はなんらなされない。しかし、当然のことながら、必要な場合、補充反応物および／または消費される試薬に関連した条件の変化、またはシステムの稼働による条件における固有の変化（例えば、機器の稼働による温度の上昇）は、通常本質的に一定の条件のための用語「本質的に一定の電気化学の条件。」に含まれるものと考えられ、システムの物理的配置および／または操作パラメーターは、所望の時間の間の稼働の間に変化しない。例えば、電圧または電流（これらの１つのが一定に保たれる場合）、入力または出力電源、生成または消費されたガス、回路、構成部分配置、材料等は、本質的に一定の条件の稼働の間に本質的に類似の状態（例えば、システムに適用された電圧／電流が上昇または低下しない、システムの配置において変化しない等）に維持される。ある場合には、反応物および／または試薬は、消費されることができ、そして必要な場合、反応物および／または試薬の濃度または他の測定可能なパラメーター（例えば、ｐＨ）が稼働の間に本質的に一定であるように、（例えば、約０．０１Ｍ未満、約０．０３Ｍ未満、約０．０５Ｍ未満、約０．１Ｍ未満、約０．２Ｍ未満、約０．３Ｍ未満等）のアニオン性種の濃度の変化がないように）追加量の反応物および／または試薬が提供されることができる。ある場合には、システムの温度は、システム（例えば、回路加熱）における固有のプロセスにより使用の間上昇または低下でき、そしてこれは、用語「本質的に一定の条件」に含まれるものと理解されるべきである。しかし、外部の熱源への暴露によりシステムの温度における変化は、用語「本質的に一定の条件。」に含まれるとは考えられない。
【０１１０】
機器、電極、および／または任意の好適な供給元を使用して本明細書中に記載された方法のために、水を供給できる。ある場合には、水は、実質的に純粋な水の供給元（例えば、蒸留水、脱イオン水、化学的グレードの水等）から供給されることができる。ある場合には、水は、瓶詰め水であることができる。ある場合には、水は、天然の供給元および／または純粋でない水の供給元（例えば、水道水、湖の水、海水、雨水、川／小川の水、湖の水、池水、海水、飲料水、汽水、工業用プロセス水等）から提供されることができる。ある場合には、水は、使用の前に（例えば、電解のためのシステム／電極に提供される前に）精製されない。いくつかの例において、水は、使用の前に、粒子および／または他の不純物を除去するためにろ過されることができる。いくつかの態様において、酸素ガス（例えば、本明細書中に記載された電極および／または機器を使用して）酸素ガスを生成するために電解される水は、実質的に純粋であることができる。水の純度は、当業者に公知の１種または２種以上の方法、例えば、抵抗率、（例えば、全有機炭素分析器の使用を通して）炭素含有量、ＵＶ吸光度、酸素吸光度試験、カブトガニ血球抽出成分（ｌｉｍｕｌｕｓ ａｍｅｏｂｏｃｙｔｅ ｌｙｓａｔｅ）試験等を使用して、決定できる。
【０１１１】
少なくとも１種の不純物または添加物は、固体（例えば、粒子状物）、液体、および／またはガスであることができる。ある場合には、不純物または添加物は、可溶化され、そして／または溶解されることができる。例えば、不純物は、イオン性種を含むことができる。ある場合には、不純物は、水の供給元（例えば、水道水、非飲料水、飲料水、海水等）に存在する場合がる不純物であることができる。特定の態様では、上記さらにはここに記載したように、水の供給元は、海水であることができ、そして不純物の１種は、クロライドイオンであることができる。ある場合には、不純物または添加物は、（重金属を含む）金属元素、金属イオン、少なくとも１種の金属を含む化合物、金属を含むイオン性種等の金属を含むことができる。例えば、金属を含む不純物または添加物は、アルカリ土類金属、アルカリ金属、遷移金属、またはその同類のものを含むことができる。金属の具体的非限定の例は、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、カリウム、水銀、鉛、バリウム等を含む。ある場合には、不純物または添加物は、有機材料、例えば、有機分子（例えば、ビスフェノールＡ、トリメチルベンゼン、ジオキサン、ニトロフェノール等）、（バクテリア（例えば、エシェリキア、大腸菌等）、細菌、菌類、藻等の）微生物、他の生物学的物質、薬剤的化合物（例えば、薬物、薬物からの分解性性物）、除草剤、ピロゲン、殺虫剤、タンパク質、放射性化合物、無機化合物（例えば、ホウ素、ケイ素、硫黄、窒素、シアン化、リン、ヒ素、ナトリウム等；二酸化炭素、ケイ酸塩（例えば、Ｈ４Ｓ１Ｏ４）、第一鉄および第二鉄化合物、クロライド、アルミニウム、リン酸塩、硝酸塩等を含む化合物）、溶解されたガス、懸濁された粒子（例えば、コロイド）、またはその同類のものを含むことができる。ある場合には、不純物または添加物は、ガス、例えば、一酸化炭素、アンモニア、二酸化炭素、酸素ガス、および／または水素ガスであることができる。ある場合には、ガス不純物は、水中に溶解されていることができる。ある場合には、約５モル％未満、約３モル％未満、約２モル％未満、約１モル％未満、約０．５モル％未満、約０．１モル％未満、約０．０１モル未満％の生成された生成物が少なくとも１種の不純物の任意の部分を含むように、電極は、少なくとも１種の不純物を含む水から水素を生成できる。
【０１１２】
ある場合には、不純物は、約１ｐｐｔ超、約１０ｐｐｔ超、約１００ｐｐｔ超、約１ｐｐｂ超、約１０ｐｐｂ超、約１００ｐｐｂ超、約１ｐｐｍ超、約１０ｐｐｍ超、約１００ｐｐｍ超、約１０００ｐｐｍ超、またはそれ以上の量で水中に存在できる。他の場合、不純物は、約１０００ｐｐｍ未満、約１００ｐｐｍ未満、約１０ｐｐｍ未満、約１ｐｐｍ未満、約１００ｐｐｂ未満、約１０ｐｐｂ未満、約１ｐｐｂ未満、約１００ｐｐｔ未満、約１０ｐｐｔ未満、約１ｐｐｔ未満、またはその同類のものの量で水中に存在できる。ある場合には、水は、少なくとも１種の不純物、少なくとも２種の不純物、少なくとも３種の不純物、少なくとも５種の不純物、少なくとも１０種の不純物、少なくとも１５種の不純物、少なくとも２０種の不純物、それ以上の不純物を含むことができる。ある場合には、不純物の量は、電極および／または機器の稼働の間に増加または減少できる。すなわち、不純物は、電極および／または機器の使用の間にセ制されることができる。例えば、ある場合には、不純物は、水の電解の間に生成されたガス（例えば、酸素ガスおよび／または水素ガス）であることができる。したがって、ある場合には、水は、電極および／または機器の稼働の前に、約１０００ｐｐｍ未満、約１００ｐｐｍ未満、約１０ｐｐｍ未満、約１ｐｐｍ未満、約１００ｐｐｂ未満、約１０ｐｐｂ未満、約１ｐｐｂ未満、約１００ｐｐｔ未満、約１０ｐｐｔ未満、約１ｐｐｔ未満、またはその同類のものの不純物を含むことができる。
【０１１３】
いくつかの態様において、少なくとも１種の不純物は、イオン性種であることができる。ある場合には、水が少なくとも１種のイオン性種を含む場合、水の純度を、水の抵抗率を測定することにより、少なくとも部分的に決定できる。２５℃で水の理論上の抵抗率は、約１８．２ΜΩ・ｃｍである。実質的に純粋でない水の抵抗率は、約１８ΜΩ・ｃｍ未満、約１７ΜΩ・ｃｍ未満、約１６ΜΩ・ｃｍ未満、約１５ΜΩ・ｃｍ未満、約１２ΜΩ・ｃｍ未満、約１０ΜΩ・ｃｍ未満、約５ΜΩ・ｃｍ未満、約３ΜΩ・ｃｍ未満、約２ΜΩ・ｃｍ未満、約１ΜΩ・ｃｍ未満、約０．５ΜΩ・ｃｍ未満、約０．１ΜΩ・ｃｍ未満、約０．０１ΜΩ・ｃｍ未満、約１０００Ω・ｃｍ未満、約５００Ω・ｃｍ未満、約１００Ω・ｃｍ未満、約１０Ω・ｃｍ未満、またはそれ以下であることができる。ある場合には、水の抵抗率は、約１０ＭΩ・ｃｍ〜約１Ω・ｃｍ、約１Ω・ｃｍ〜約１０Ω・ｃｍ、約０．１ＭΩ・ｃｍ〜約１００Ω・ｃｍ、約０．０１ＭΩ・ｃｍ〜約１０００Ω・ｃｍ、約１０、０００Ω・ｃｍ〜約１、０００Ω・ｃｍ、約１０、０００Ω・ｃｍ〜約１００Ω・ｃｍ、約１、０００Ω・ｃｍ〜約１Ω・ｃｍ、約１、０００Ω・ｃｍ〜約１０Ω・ｃｍ、およびその同類のものであることができる。ある場合には、水の供給元が水道水である場合、水の抵抗率は、約１０、０００Ω・ｃｍ〜約１、０００Ω・ｃｍであることができる。ある場合には、水の供給元が海水である場合、水の抵抗率は、約１、０００Ω・ｃｍ〜約１０Ω・ｃｍであることができる。いくつかの例において、水が純粋でない供給元から取られ、そして使用の前に精製された場合、水は、約５％、約１０％、約２０％、約２５％、約３０％、約５０％、またはその同類のもの超増の抵抗率でない様式で精製されることができる。当業者は、水の抵抗率を決定する方法を知っているであろう。例えば、水中に浸された平行電極の間の電気抵抗を測定できる。
【０１１４】
ある場合には、水は、純粋でない水の供給元から得られ、そして／または約１６ΜΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する場合、水は、電解における使用の前に供給元から引かれた後で、約５０％未満、約３０％未満、約２５％未満、約２０％未満、約１５％未満、約１０％未満、約５％未満、またはそれ以下だけその抵抗率を変化する様式で、精製（例えば、ろ過）されることができる。
【０１１５】
いくつかの態様において、例えば、電極を海水の脱塩に使用できるように、水は、ハロゲン化物イオン（例えば、フルオライド、クロライド、ブロマイド、アイオダイド）を含むことができる。ある場合には、ハロゲン化物イオンは、水からの水素ガスの生成の間、（例えば、Ｃｌ２等のハロゲンガスを生成するように）酸化されないことができる。ある場合には、約５モル％未満、約３モル％未満、約２モル％未満、約１モル％未満、約０．５モル％未満、約０．１モル％未満、約０．０１モル％未満の発生したガスが酸化されたハロゲン化物種を含むように、電極はハロゲン化物イオンを含む水から水素を触媒的に生成できる。いくつかの態様において、不純物は、塩化ナトリウムである。
【０１１６】
ある場合には、水の酸化は、動力学、溶解度、およびその同類のものを含む種々の因子により、ハロゲン化物イオン（または他の不純物）の酸化を支配する。例えば、金属イオン性種の配位圏が、アニオン性種によって占有されるように、アニオン性種への金属イオン性種の結合親和性は、ハロゲン化物イオンへの金属イオン性種の結合親和性より大きいことができる。本明細書中に記載されたような電極が、例えば、好適な技術、例えば、質量分析を使用してハロゲンガス（または酸化されたハロゲン化物イオンを含む種）の生成を監視することによって、ハロゲン化物イオンを含む水を使用して水素ガスを生成できる場合、当業者は決定できるであろう。
【０１１７】
ある場合には、水の供給元は、少なくとも１種の添加物（例えば、水の供給元に故意に加えられた化合物または物質）を含むことができる。いくつかの態様において、添加物は、アニオン性種であることができる。例えば、ある場合には、機器は、電流コレクタおよび合金を含む第１の電極ならびに電流コレクタおよび少なくとも１種のアニオン性種および少なくとも１種の金属イオン性種を含む触媒材料を含む第２の電極を含むことができる。水の供給元は、少なくとも１種のアニオン性種を含むことができる。ある場合には、電解質は、触媒材料中に含まれる少なくとも１種のアニオン性種と異なるアニオン性種を含むことができる。例えば、触媒材料は、リン酸塩アニオンを含むことができ、そして電解質は、ホウ酸塩アニオンを含むことができる。
【０１１８】
ある場合には、添加物がアニオン性種である場合、電解質は、（例えば、アニオン性種が錯体、塩等として加えられる場合）対カチオンを含むことができる。アニオン性種は、良好なプロトン受容種であることができる。ある場合には、添加物は、アニオン性でない（例えば、中性の塩基である）良好なプロトン受容種であることができる。中性である良好なプロトン受容種の非限定の例は、ピリジン、イミダゾール、およびその同類のものを含む。水中で添加物または不純物の濃度は、ほぼもしくは少なくとも約０．０１Ｍ、約０．１Ｍ、約０．５Ｍ、約１Ｍ、約２Ｍ、約５Ｍ、約１０Ｍ、もしくはその同類のもの、または約０．０１Ｍ〜約１０Ｍ、約０．１Ｍ〜約５Ｍ、約０．５Ｍ〜約２Ｍ、もしくはその同類のものであることができる。ある場合には、水の少なくとも１種の不純物の濃度は、ほぼまたは少なくとも約１ｐＭ（ピコモル）、約１０ｐＭ、約１００ｐＭ、約１μＭ（マイクロモル）、約１０μＭ、約１００μＭ、約０．００１Ｍ、約０．１Ｍ、またはそれ以上であることができる。
【０１１９】
ある場合には、添加物（例えば、アニオン性種）、例えば、Ｈ２ＰＯ４−またはＨＰＯ−２は、水素イオンを受け取り、そして／または与えることができる。アニオン性種の非限定の例は、リン酸塩（Ｈ３ＰＯ４またはＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２またはＰＯ４−３）の形態、硫酸塩（Ｈ２ＳＯ４またはＨＳＯ４−、ＳＯ４−２）の形態、炭酸塩（Ｈ２ＣＯ３またはＨＣＯ３−、ＣＯ３−２）の形態、ヒ酸塩（Ｈ３ＡｓＯ４またはＨＡｓＯ４−２、Ｈ２ＡｓＯ４−２またはＡｓＯ４−３）の形態、亜リン酸塩（Ｈ３ＰＯ３またはＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２またはＰＯ３−３）の形態、亜硫酸塩（Ｈ２ＳＯ３またはＨＳＯ３−、ＳＯ３−２）の形態、ケイ酸塩の形態、ホウ酸塩（例えば、Ｈ３ＢＯ３、Ｈ２ＢＯ３−、ＨＢＯ３−２等）の形態、硝酸塩の形態、亜硝酸塩の形態、およびその同類のものを含む。いくつかの態様において、添加物は、（例えば、水のｐＨが６〜１０、またはほぼ中性、または本明細書中に記載された任意の他のｐＨ範囲にあるように）バッファーとして機能できる。いくつかの態様において、添加物は、水を塩基性（例えば、ＯＨ、ＮａＯＨ等）となるようにする化合物または物質ではない。すなわち、添加物は、水が約１０以上のｐＨを有するようにさせない。
【０１２０】
ある場合には、添加物（例えば、アニオン性種）は、ホスホネートの形態であることができる。ホスホネートは、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）［式中Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は同一であるかまたは相違することができ、そしてＨ、アルキル、アルケニル、アルキニル、ヘテロアルキル、ヘテロアルケニル、ヘテロアルキニル、アリール、またはヘテロアリールであって、これらすべては任意選択的に置換されているか、または（例えば、化合物がアニオン、ジアニオン等であることができるように）任意選択的に存在しない］を含む化合物である。特定の態様では、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同一であるかまたは相違することができ、そしてＨ、アルキル、またはアリールであって、すべて任意選択的に置換されている。ホスホネートの非限定の例は、ＰＯ（ＯＨ）２Ｒ１（例えば、ＰＯ２（ＯＨ）（Ｒ１）−ｙ、ＰＯ３（Ｒ１）−２）（式中、Ｒ１は、上記で規定された（例えば、メチル、エチル、プロピル等のアルキル；フェノール等のアリール等）の形態である。特定の態様では、ホスホネートは、メチルホスホネート（ＰＯ（ＯＨ）２Ｍｅ）、またはフェニルホスホネート（ＰＯ（ＯＨ）２Ｐｈ）の形態であることができる。リン含有アニオン性種の他の非限定の例は、亜ホスフィン酸エステル（ｐｈｏｓｐｈｉｎｉｔｅｓ）（例えば、Ｐ（ＯＲ１）Ｒ２Ｒ３）の形態および亜ホスホン酸エステル（ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｔｅｓ）（例えば、Ｐ（ＯＲ１）（ＯＲ２）Ｒ３）（式中、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は上記の様である）の形態を含む。他の場合、アニオン性種は、以下の化合物：Ｒ１ＳＯ２（ＯＲ２））、ＳＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）、ＣＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）、ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）、ＡｓＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）Ｒ３）、（式中Ｒ１、Ｒ１、およびＲ３上記の様である）の１つの任意の形態を含むことができる。上記のアニオン性種に関して、当業者は、アニオン性種のための適当な置換基を決定できるであろう。
【０１２１】
いくつかの態様において、添加物（例えば、アニオン性種）は、良好なプロトン受容種であることができる。本明細書中で使用される場合、「良好なプロトン受容種」は、特定のｐＨレベルで良好な塩基として機能する種である。例えば、種は、第１のｐＨで良好なプロトン受容種であることができ、そして第２のｐＨで貧弱なプロトン受容種であることができる。当業者はこれに関連した良好な塩基を特定できる。ある場合には、良好な塩基は、溶液中で共役酸のｐＫａがプロトン供与体のｐＫａより大きい化合物であることができる。具体例として、ＳＯ−２は、約ｐＨ２．０で良好なプロトン受容種であることができ、そして約ｐＨ７．０で良好でないプロトン受容種でないことができる。種は、共役酸のｐＫａ値当りで良好な塩基として機能できる。例えば、ＨＰＯ４−２の共役酸は、約７．２のｐＫａ値を有するＨ２ＰＯ４−である。したがって、ＨＰＯ４−２は、ｐＨ７．２の周りでは良好な塩基として機能できる。ある場合には、種は、共役酸のｐＫａ値より少なくとも約４ｐＨ単位、約３ｐＨ単位、約２ｐＨ単位、または約１ｐＨ単位上および／または下のｐＨレベルを有する溶液中で良好な塩基として機能できる。当業者は、どのｐＨレベルでアニオン性種が良好なプロトン受容種であるかを決定できるであろう。
【０１２２】
アニオン性種は、アニオン性種および対カチオンを含むアニオン性化合物として提供されることができる。対カチオンは、任意のカチオン性種、例えば、金属イオン（例えば、Ｋ＋、Ｎａ＋、Ｌｉ＋、Ｍｇ＋２、Ｃａ＋２、Ｓｒ＋２）、ＮＲ４＋（例えば、ＮＨ４＋）；Ｈ＋、およびその同類のものであることができる。具体的な実施形態において、用いられるアニオン性化合物は、Ｋ２ＨＰＯ４であることができる。いくつかの態様において、添加物は、商業的供給元から供給されることができる。商業的供給元は、少なくとも１種の不純物を含むことができ（例えば、リン酸塩の場合、カリウムが存在できる）、商業的供給元中の少なくとも１種の不純物はまた、電極の性能にほとんどまたは実質的に全く影響しない。
【０１２３】
電極、電源、電解質、分離器、容器、回路、絶縁材料、ゲート電極等の機器の種々の構成部分は、種々の構成部分のいずれか、ならびに本明細書中に記載された特許出願のいずれかに記載されたものから当業者によって加工されることができる。構成部分は、成形され、機械加工され、押し出され、プレスされ、アイソプレスされ（ｉｓｏｐｒｅｓｓｅｄ）、浸透処理され、被覆され、未熟状態（ｉｎ ｇｒｅｅｎ ｓｔａｔｅ）または焼成状態とされ、または任意の他の好適な技術によって生成されることができる。当業者は、本明細書中に記載された機器の構成部分を形成するための技術を容易に気付くであろう。
【０１２４】
当業者に公知の電解質は、イオン的に導電性の媒体として機能できる自由イオンを含む任意の物質である。ある場合には、電解質は、液体、ゲル、および／または固体であることができる。ある場合には、電解質は、水を含むことができ、水の供給元として機能できる。しかし、他の態様において、電解質は、例えば、ｉ電解質が固体である態様において、水を含まない。電解質は、メタノール、エタノール、硫酸、メタンスルホン酸、硝酸、ＨＣｌの混合物、酢酸のような有機酸等をまた含むことができる。ある場合には、電解質は、水、有機溶媒、アミンおよびその同類のもの等の溶媒の混合物を含むことができる。ある場合には、電解質（または水の供給元）のｐＨは、ほぼ中性であることができる。すなわち、電解質（または水の供給元）のｐＨは、約５．５〜約８．５、約６．０〜約８．０、約６．５約７．５であることができ、そして／またはｐＨは、約７．０である。特定の場合には、ｐＨは、約７．０である。他の場合、電解質のｐＨは、ほぼ中性または酸性である。これらの場合、ｐＨは、約０〜約８、約１〜約８、約２〜約８、約３〜約８、約４〜約８、約５〜約８、約０〜約７．５、約１〜約７．５、約２〜約７．５、約３〜約７．５、約４〜約７．５、約５〜約７．５の範囲であることができる。また他の場合、ｐＨは、約６〜約１０、約６〜約１１、約７〜約１４、約２〜約１２、およびその同類のものであることができる。具体的な実施形態において、ｐＨは、約６〜約８、約５．５〜約８．５、約５．５〜約９．５、約５〜約９、約３〜約１１、約４〜約１０、または任意の他のそれらの組み合わせである。ある場合には、電解質が固体である場合、電解質は、固体ポリマー電解質を含むことができる。固体ポリマー電解質は、プロトン等のカチオンまたはアニオンを伝導する固体電解質として機能でき、そして電気化学電池内で生成され、そして／または利用されるガスを分離できる。固体ポリマー電解質の非限定の例は、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、硬化または架橋されたポリアクリレートおよび／またはポリウレタン、および市販されているＮＡＦＩＯＮ（商標）である。非液体電解質の非限定の態様は、リチウム塩およびポリエチレンオキサイドまたはポリプロピレンオキサイド等のイオン導電性ポリマー；ポリビニルクロライド）、ポリアクリロニトリル、ポリメタクリル酸メチル、ポリ（ビニリデンフルオライド）、ポリ（ビニル）スルホン等の非イオン性導電性ポリマーを使用して生成されたゲルポリマー電解質、またはそれらの組み合わせを使用して生成された電解質を含む。
【０１２５】
いくつかの態様において、システムは、イオン交換膜を含むことができる。例えば、イオン交換膜および／またはカチオン交換膜（すなわち、アニオンおよび／またはカチオン交換可能イオンを有するもの）を使用でき、そして商業的供給元（例えば、Ｔｏｋｕｙａｍａ（Ｊａｐａｎ）またはＦｕｍａ−Ｔｅｃｈ（Ｇｅｒｍａｎｙ）−ポリマーと関連した第四級アンモニウム基）から容易に入手可能である。アニオン性交換膜の非限定の例は、複数のカチオン性種（例えば、第四級アンモニウム基、ホスホニウム基等）と関連したポリ（エチレンコ−テトラフルオロエチレン）、ポリ（ヘキサフルオロプロピレンコ−テトラフルオロエチレン）、ポリ（エピクロロヒドリン−アリルグリシジルエーテル）、ポリ（エーテルイミド）、ポリ（エーテルスルホン）カルド（ｃａｒｄｏ）、ポリ（２、６−ジメチル−１、４−フェニレンオキサイド）、ポリスルホン、またはポリエーテルスルホンを含む。
【０１２６】
ある場合には、電解質は、１種または２種以上のイオン性種を選択的に輸送するために使用されることができる。いくつかの態様において、電解質は、酸素イオン導電性膜、プロトン伝導体、炭酸塩（ＣＯ３２）伝導体、ＯＨ−伝導体、および／またはそれらの混合物の少なくとも１種である。ある場合には、電解質は、立方晶系蛍石構造、ドープされた立方晶系蛍石、プロトン交換ポリマー、プロトン交換セラミック、およびそれらの混合物の少なくとも１種である。さらに、電解質として使用できる酸素イオン導電性オキサイドは、ガドリニウムドープセリア（Ｇｄｘ１−ｘＣｅｘＯ２−ｄ）またはサマリウムドープセリア（Ｓｍ１−ｘＣｅｘＯ２−ｄ）等のドープされたセリア化合物、イットリウムドープジルコニア（Ｙ１−ｘＺｒｘＯ２−ｄ）等のドープされたジルコニア化合物またはスカンジウムドープジルコニア（Ｓｃ１−ｘＺｒｘＯ２−ｄ）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙＭｇｙＯ３−ｄ等のペロブスカイト材料、イットリア安定化ビスマスオキサイド、および／またはそれらの混合物を含む。電解質として使用できるプロトン導電性オキサイドの例は、未ドープおよびイットリウムドープＢａＺｒＯ３−ｄ、ＢａＣｅＯ３−ｄ、およびＳｒＣｅＯ３−ｄ、ならびにＬａ１−ｘＳｒｘＮｂＯ３−ｄを含むがこれらに限られない。
【０１２７】
ある場合には、電解質は、電気化学装置中で再循環させことができる。すなわち、電気化学装置中で電解質を動かすことができる機器を提供できる。電気化学装置中の電解質の動きは、電解質の境界層を減少させることを助けることができる。境界層は、電極の直ぐ近傍にある流体の層である。通常、境界層が存在する程度は、溶液中の流体の流速の関数である。したがって、流体が流れない場合、境界層は、流体が流れる場合より遙かに大きい。
したがって、電気化学装置中の電解質の動きは、境界層を減少させることができ、そして機器の効率を改善できる。
【０１２８】
大部分の態様において、機器は、本明細書中に記載されたような少なくとも１つの電極を含むことができる。いくつかの例において、機器は、本明細書中に記載されたようなものの他に電極を含むことができる。いくつかの態様において、機器は、例えば、２００８年６月１８日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／０７３、７０１号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００８年７月３０日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／０８４、９４８号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’２００８年１０月８日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／１０３、８７９号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００９年１月２２日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／１４６、４８４号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００９年５月１９日出願のＮｏｃｅｒａらの米国仮特許出願第６１／１７９、５８１号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、および２００９年６月１７日出願のＮｏｃｅｒａらの米国特許出願公開第１２／４８６、６９４号明細書、発明の名称’’Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ， ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’（参照により本明細書中に取り込む）に記載されたような電流コレクタおよび電流コレクタと関連する（例えば、コバルトイオンおよびリンを含むアニオン性種を含む）触媒材料を含む電極を含むことができる。電流コレクタは、本明細書中に記載されたような水から水素を生成するための電極の電流コレクタに含まれるのと同一または相違できる材料を含むことができる。
【０１２９】
いくつかの態様において、電源は、電気化学装置にＤＣまたはＡＣ電圧を供給できる。非限定の例は、電池、送電網、再生電力供給源（例えば、風力発電機、光電池、潮力エネルギー発電機）、発電奇異、およびその同類のものを含む。電源は、１種または２種以上のそうした電源（例えば、電池および光電池）を含むことができる。特定の態様では、電源は、光電池である。
【０１３０】
ある場合には、電気化学装置は、分離膜を含むことができる。電気化学装置のための分離膜または分離器は好適な材料、例えば、プラスチックフィルムでできていることができる。含まれるプラスチックフィルムの非限定の例は、ポリアミド、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、またはアクリル樹脂およびそこに分散された炭酸リチウム、または水酸化カリウム、またはナトリウムカリウム過酸化物を含む。
【０１３１】
本発明の電極が燃料電池と連結して使用される場合、任意の好適な燃料、酸化剤、および／または反応物等が電気化学装置に提供されることができる。特定の態様では、燃料は、酸素と反応して生成物としての水を生成する水素ガスである。しかし、他の燃料および酸化剤を使用できる。例えば、メタン等の炭化水素ガスは、生成物としての水および二酸化炭素を生成するように燃料として使用できる。天然のガス、プロパン、ヘキサン等の他の炭化水素ガスはまた、燃料として使用できる。さらに、これらの炭化水素材料は、炭素一酸化炭素等の含有燃料に改質できるか、またはあらかじめ供給され一酸化炭素はまた、燃料として使用できる。
【０１３２】
参照により以下の参照文献：２００９年８月２７日出願のＥｓｓｗｅｉｎらの米国仮特許出願第６１／２３７、５０７号明細書、発明の名称’Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００９年１２月４日出願のＲｅｅｃｅらの米国仮特許出願第６１／２６６、８２６号明細書、発明の名称’’Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２００９年１２月１１日出願のＥｓｓｗｅｉｎらの米国仮特許出願第６１／２８５、８４４号明細書、発明の名称’’Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’、２０１０年３月３日出願のＲｅｅｃｅらの米国仮特許出願第６１／３１０、０８４号明細書、発明の名称’’Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’および２０１０年７月１６日出願のＲｅｅｃｅらの米国仮特許出願第６１／３６５、１０２号明細書、発明の名称’’Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ、 Ｍｅｔｈｏｄｓ、 ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ’’を本明細書中に取り込む。
【０１３３】
本発明の種々の形態の理解を助けることができる種々の定義を提供する。
【０１３４】
通常、用語「脂肪族」は、本明細書中で使用される場合、下記に記載するように、任意選択的に１つまたは２つ以上の官能基で置換された飽和および不飽和、直鎖（すなわち、非分枝）または分枝脂肪族炭化水素のいずれをも含む。当業者によって理解されるであろうように、「脂肪族」は、本明細書中では、アルキル、アルケニル、アルキニル部分を含むがこれに限られないことを意図する。したがって、具体的な脂肪族基は、例えば、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、アリル、ｎ−ブチル、ｓｅｃ−ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｎ−ペンチル、ｓｅｃ−ペンチル、イソペンチル、ｔｅｒｔ−ペンチル、ｎ−ヘキシル、ｓｅｃ−ヘキシル、部分およびその同類のもの、（そしてこれらはまた、上記に記載したように１つまたは２つ以上の置換基を有する）を含むがこれらに限られない。
【０１３５】
本明細書中で使用される場合、用語「アルキル」は、所与のその通常の技術的意味であり、そして直鎖アルキル基、分枝鎖アルキル基、シクロアルキル（脂環式の）基、アルキル置換シクロアルキル基、およびシクロアルキル置換アルキル基を含む飽和脂肪族基を含むことができる。類似の慣例が「アルケニル」「アルキニル」およびその同類のもの等の他の一般的な用語に適用される。さらに、本明細書中で使用される場合、用語「アルキル」「アルケニル」「アルキニル」およびその同類のものは、置換された基と非置換の基の両方を含む。
【０１３６】
いくつかの態様において、直鎖または分枝鎖アルキルは、その主鎖中に、３０以下の炭素原子、そしてある場合には、２０以下の炭素原子を有することができる。いくつかの態様において、直鎖または分枝鎖アルキルは、その主鎖中に、１２以下の炭素原子（例えば、直鎖でＣ１〜Ｃ１２、分枝鎖でＣ３〜Ｃ１２）を有するか、６以下の炭素原子を有するか、または４以下の炭素原子を有する。同様に、シクロアルキルは、それらの環構造中に３〜１０の炭素原子またはそれらの環構造中に５、６もしくは７の炭素を有する。アルキル基の例は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、シクロプロピル、ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、シクロブチル、ヘキシル、シクロヘキシル、およびその同類のものを含むがこれらに限られない。ある場合には、アルキル基は環状でないことができる。非環状アルキルの例は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｎ−ペンチル、ネオペンチル、ｎ−ヘキシル、ｎ−ヘプチル、ｎ−オクチル、ｎ−デシル、ｎ−ｕｎデシル、およびドデシルを含むがこれらに限られない。
【０１３７】
用語「アルケニル」および「アルキニル」は、上記のアルキル基に長さが類似で置換可能であるが、それぞれ少なくとも１つの二重結合または三重結合を有する不飽和脂肪族基をいう。アルケニル基は、例えば、エテニル、プロペニル、ブテニル、１−メチル−２−ブテン−１−イル、およびその同類のものを含むがこれらに限られない。アルキニル基の非限定の例は、エチニル、２−プロピニル（プロパルギル）、１−プロピニル、およびその同類のものを含む。
【０１３８】
用語「ヘテロアルケニル」および「ヘテロアルキニル」は、上記のアルキル基に長さが類似で置換可能であるが、それぞれ少なくとも１つの二重結合または三重結合を有する不飽和脂肪族基をいう。
【０１３９】
本明細書中で使用される場合、用語「ハロゲン」または「ハロゲン化物」は、−Ｆ、−Ｃｌ、−Ｂｒ、または−Ｉを指定する。
用語「アリール」は、任意選択的に置換された、単環（例えば、フェニル）、複数環（例えば、ビフェニル）、または少なくとも１つが芳香族である（例えば、１、２、３、４−テトラヒドロナフチル、ナフチル、アントリル、またはフェナントリル）複数の縮合環を有する芳香族炭素環式基をいう。すなわち、少なくとも１つの環は、共役π電子系を有することができ、一方他の、隣接する環は、シクロアルキル、シクロアルケニル、シクロアルキニル、アリール、および／または複素環であることができる。アリール基は、本明細書中に記載されたように任意選択的に置換されていることができる。「炭素環式アリール基」は、芳香族環上の環原子が炭素原子であるアリール基をいう。炭素環式アリール基は、単環状炭素環式アリール基および多環式またはナフチル基等の（例えば、２つまたは３つ以上の隣接した環原子が２つ隣接する環に共通である）縮合環化合物を含む。アリール基の非限定の例は、フェニル、ナフチル、テトラヒドロナフチル、インダニル、インデニルおよびその同類のものを含む。
【０１４０】
用語「ヘテロアリール」は、複素環等の環原子として少なくとも１つのヘテロ原子を含むアリール基をいう。ヘテロアリール基の非限定の例は、ピリジル、ピラジニル、ピリミジニル、ピロリル、ピラゾリル、イミダゾリル、チアゾリル、オキサゾリル、イソオキサゾリル、チアジアゾリル、オキサジアゾリル、チオフェニル、フラニル、キノリニル、イソキノリニル、およびその同類のものを含む。
【０１４１】
また当然のことながら、本明細書中に規定されたように、アリールおよびヘテロアリール部分は、脂肪族、脂環式、ヘテロ脂肪族、ヘテロ脂環式、アルキルまたはヘテロアルキル部分を介して結合されていることができ、したがってまた、−（脂肪族）アリール、−（ヘテロ脂肪族）アリール、−（脂肪族）ヘテロアリール、−（ヘテロ脂肪族）ヘテロアリール、−（アルキル）アリール、−（ヘテロアルキル）アリール、−（ヘテロアルキル）アリール、および−（ヘテロアルキル）ヘテロアリール部分を含む。したがって、本明細書中で使用される場合、語句「アリールまたはヘテロアリール」および「アリール、ヘテロアリール、（脂肪族）アリール、−（ヘテロ脂肪族）アリール、−（脂肪族）ヘテロアリール、−（ヘテロ脂肪族）ヘテロアリール、−（アルキル）アリール、−（ヘテロアルキル）アリール、−（ヘテロアルキル）アリール、および−（ヘテロアルキル）ヘテロアリール」は、置き換え可能である。
【０１４２】
上記の基はいずれも任意選択的に置換されていることができる。本明細書中で使用される場合、用語「置換」は、有機化合物のすべての許容できる置換基を含むと考えられ、「許容できる」とは、当業者に公知の原子価の化学的規則の概念である。「置換」はまた、例えば、転位、環化、除去等によるなどの転化を自発的に受けない安定な化合物となる置換を含むと理解されるであろう。ある場合には、「置換」は、通常水素の本明細書中に記載されたような置換基との置換をいうことができる。しかし、「置換」は、本明細書中で使用される場合、「置換された」官能基が、置換を通して、例えば、異なる官能基になるような、それによって分子が特定される重要な官能基の置換および／または変更を含まない。例えば、「置換フェニル基」は、依然フェニル部分を含まなければならず、そして置換によって、この定義において、例えば、ピリジン環に変更されることはできない。広い形態では、許容できる置換基は、有機化合物の非環式および環状、分枝および非分枝、炭素環式および複素環、芳香族および非芳香族置換基を含む。具体的な置換基は、例えば、本明細書中に記載されたものを含む。許容できる置換基は、１種または２種以上のかつ同一であるかまたは相違する適当な有機化合物であることができる。本発明の目的のために、窒素等のヘテロ原子は、水素置換基および／またはヘテロ原子の価数を満たす本明細書中に記載された有機化合物の任意の許容できる置換基を有することができる。
【０１４３】
置換基の例は、脂肪族の、脂環式の、ヘテロ脂肪族の、ヘテロ脂環式の、ハロゲン、アジド、アルキル、アラルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、ヒドロキシル、アルコキシル、アミノ、ニトロ、スルヒドリル、イミノ、アミド、ホスホネート、ホスフィネート、カルボニル、カルボキシル、シリル、エーテル、アルキルチオ、ヘテロアルキルチオ、ヘテロアリールチオ、スルホニル、スルホンアミド、ケトン、アルデヒド、エステル、ヘテロシクリル、芳香族またはヘテロ芳香族部分、−ＣＦ３、−ＣＮ、アリール、アリールオキシ、パーハロアルコキシ、アラルコキシ、ヘテロアリール、ヘテロアリールオキシ、ヘテロアリールアルキル、ヘテロアラルコキシ、アジド、アミノ、ハロゲン化物、アルキルチオ、オキソ、アシルアルキル、カルボキシエステル、カルボキサミド、アシルオキシ、アミノアルキル、アルキルアミノアリール、アルキルアリール、アルキルアミノアルキル、アルコキシアリール、アリールアミノ、アラルキルアミノ、アルキルスルホニル、カルボキサミドアルキルアリール、カルボキサミドアリール、ヒドロキシアルキル、ハロアルキル、アルキルアミノアルキルカルボキシ、アミノカルボキサミドアルキル、シアノ、アルコキシアルキル、パーハロアルキル、アリールアルキルオキシアルキル、（例えば、ＳＯ４（Ｒ’）２）、リン酸塩（例えば、ＰＯ４（Ｒ’）３）、シラン（例えば、Ｓｉ（Ｒ’）４）、ウレタン（例えば、Ｒ’Ｏ（ＣＯ）ＮＨＲ’）、およびその同類のものを含むがこれらに限られない。さらに、置換基は、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、−ＯＨ、−ＮＯ２、−ＣＮ、−ＮＣＯ、−ＣＦ３、−ＣＨ２ＣＦ３、−ＣＨＣ１２、−ＣＨ２ＯＲｘ、−ＣＨ２ＣＨ２ＯＲｘ、−ＣＨ２Ｎ（ＲＸ）２、−ＣＨ２ＳＯ２ＣＨ３、−Ｃ（Ｏ）Ｒｘ、−ＣＯ２（Ｒｘ）、−ＣＯＮ（Ｒｘ）２、−ＯＣ（Ｏ）Ｒｘ、−Ｃ（Ｏ）ＯＣ（Ｏ）Ｒｘ、−ＯＣＯ２Ｒｘ、−ＯＣＯＮ（Ｒｘ）２、−Ｎ（ＲＸ）２、−Ｓ（Ｏ）２Ｒｘ、−ＯＣＯ２Ｒｘ、−ＮＲｘ（ＣＯ）Ｒｘ、−ＮＲｘ（ＣＯ）Ｎ（Ｒｘ）２から選択でき、ここでそれぞれのＲｘは、独立して、Ｈ、脂肪族、脂環式、ヘテロ脂肪族、ヘテロ脂環式、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、またはアルキルヘテロアリールを含むがこれらに限られず、本明細書中の任意の、脂肪族、脂環式、ヘテロ脂肪族、ヘテロ脂環式、アルキルアリール、またはアルキルヘテロアリール置換基は、置換または非置換、分枝または非分枝、環状または非環式であることができ、そして本明細書中のいずれの、アリールまたはヘテロアリール置換基は、置換または非置換であることができる。
【０１４４】
以下の例は本発明のある態様を具体的に示すことを目的とするが、本発明の全範囲を例示することを目的としない。
【実施例】
【０１４５】
例１
以下の例は、ニッケル合金（例えば、触媒材料）を含む電極の合成および水からの水素ガスの生成のための電極の使用を記載する。具体的に、白金（Ｐｔ）およびニッケルモリブデン（ＮｉＭｏ）について、リン酸カリウム（ＫＰｉ）およびホウ酸カリウム（ＫＢｉ）を含むバッファー化された溶液中での水素（Ｈ２）を発生させるそれらの触媒能力を評価した。
【０１４６】
材料および一般的な方法。リン酸カリウム（一塩基性）、リン酸二カリウム（二塩基性）、クエン酸ナトリウム二水和物、水酸化アンモニウム、水酸化カリウム（ＫＯＨ）（ＶＷＲ）、ホウ酸（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、硫酸ニッケル六水和物（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）、およびモリブデン酸ナトリウム二水和物（ＥＭＤ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）を入手したまま使用した。バッファー溶液を１．０Ｍ濃度に調整し、ｐＨをＫＯＨで調整し、そして使用前に、溶液を０．２μｍのＮｙｌａｆｌｏ膜（ＶＷＲ）を通してろ過した。すべての電気化学的実験を、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極（ＢＡＳｉ）およびａ Ｐｔワイヤー対電極（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）を有するポテンショスタット（ＣＨ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓモデル７６０Ｃ）を使用して３電極電池設定中で行った。
【０１４７】
電極の調製
ＮｉＭｏ合金（１８％ Ｍｏ）を、Ｐｔ回転円盤電極（ＲＤＥ）上の電気めっきにより調製した。堆積前に、Ｐｔ ＲＤＥを、アルミナを用いて研磨し、そして電解質中において１分間、超音波分解した。以下の順序：＋２Ｖ（６０秒）；−２Ｖ（６０秒）；＋２Ｖ（６０秒）；−２Ｖ（１０秒）による酸化電位と還元電位との間の電位サイクルの適用により６ＭＨＣｌ電解質中で、電極をさらに調整した。Ｐｔ ＲＤＥを、水酸化アンモニウムを使用して１０．５にｐＨを調整した硫酸ニッケル六水和物（６４ｇ／Ｌ）、モリブデン酸ナトリウム二水和物（４８ｇ／Ｌ）、およびクエン酸ナトリウム二水和物（１０５ｇ／Ｌ）を含む溶液に浸した。電極回転機（Ｐｉｎｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を使用して２０００回転／分で電極を回転させながら、１００ｍＡ／ｃｍ２のカソード電流を定電流で、作用ＲＯＥ電極に１時間適用した。
【０１４８】
電気化学的方法。
ＰｔおよびＮｉＭｏ ＲＤＥのバルク電解を、２５００回転／分で回転させながら、両電解質溶液（ＫＰｉ：Ａｇ／ＡｇＣｌに対し−０．８１０Ｖ；ＫＢｉ：Ａｇ／ＡｇＣｌに対し−０．９４０Ｖ）中で、Ｈ２の発生のための−２００ｍＶ過電圧で行った。類似のバルク電解測定をまたぜん動ポンプ（Ｃｏｌｅ−Ｐａｒｍｅｒ Ｍａｓｔｅｒｆｌｅｘ）を使用して１１０ｍＬ／分で電解質を流す特製ポリカーボネートフローセル中でＰｔ箔（１ｃｍ２）を用いて行った。それぞれを別個の溶液中で行った。Ｔａｆｅｌプロットを１．０Ｍ ＫＰｉおよび１．０Ｍ ＫＢｉ中のバルク電解前または後のＰｔおよびＮｉＭｏの触媒活性を比較するために使用した。種々の適用された電位で電流を測定することによって、電流電位データを得た。すべてのＴａｆｅｌ実験を、２５００回転／分で回転させたＲＤＥを用いて行った。従来の伝導度プローブを使用して測定された報告された電位は、溶液の抵抗で較正されている。Ｐｔ ＲＤＥでは、電極を、それぞれの電流測定の前に、上記の手順により定電圧に調整した。
【０１４９】
結果および検討
ＫＰｉおよびＫＢｉ中のＰｔのバルク電解は、水素発生の間に電極の活性が急速に低下することを示す（図４Ａ、図４Ｂ）。ＫＰｉ電解質の場合（図４Ａ）、初期活性は、約１５ｍＡ／ｃｍ２（Ｐｔ箔）および４７ｍＡ／ｃｍ２（Ｐｔ ＲＤＥ）であり、３時間かけて約０．６ｍＡ／ｃｍ２に低下する。類似の挙動がＫＢｉ電解質中のＰｔ ＲＤＥで観察された（図４Ｂ）。対照的に、水素発生活性が、ＮｉＭｏ合金で被覆した電極を使用した電解の間維持された。図４Ａは、約１０ｍＡ／ｃｍ２の初期電流が電圧の適用により得られることを示し、これは１時間かけてわずかに１２ｍＡ／ｃｍ２に上がり、そして電解実験の残りの間維持される。類似の性能が、２．４ｍＡ／ｃｍ２の活性を有するＫＢｉ電解質（図４Ｂ）で観察された。
【０１５０】
ＫＰｉ （図５Ａ）およびＫＢｉ （図５Ｂ）の両電解質における電解の前および後のＮｉＭｏ合金でのＴａｆｅｌ活性プロット（過電圧対対数の電流密度）を生成する適用された電位の関数として、活性を測定した。このプロットは、Ｔａｆｅｌ勾配および交換電流密度（ｘ−ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ）が、カソードの稼働でわずかに増加することを示し、そしてＮｉＭｏで機能化された電極がこれらの操作条件下およびこの時間尺度で水素発生に向けてわずかにさらに活性となることを示す。これらのデータは、上記のバルク電解データと一致する。
【０１５１】
例２
以下の例は、ｐＨ７のリン酸塩およびｐＨ９．２のホウ酸塩電解質中での水素発生反応のための高活性を有する安定な合金の調製を記載する。
【０１５２】
ＮｉＭｏ合金の堆積
ＮｉＭｏめっき浴は、硫酸ニッケル（ＩＩ）六水和物（６４ｇＬ−１；Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）、モリブデン酸ナトリウム二水和物（４８ｇＬ〜1；ＥＭＤ）、およびクエン酸ナトリウム二水和物（６０ｇＬ−１；ＶＷＲ）からなる。浴のｐＨを、水酸化アンモニウム（ＶＷＲ）を使用して１０．５に調整した。ＮｉＭｏを、１時間で２０００回転／分の回転速度で、１００ｍＡｃｍ−２の電流密度でＰｔ ＲＤＥ基材上に堆積させた。生じた堆積は、堆積中に回転が含まれていたため目立ったらせんパターンで現われた。らせん中の着色は、光沢のある金属から主になる端を有する、暗黒色と光沢のある金属との間で変化した。ＮｉＭｏを、７５原子％ Ｎｉおよび２０原子％ Ｍｏの存在を報告された類似のめっき浴を使用して堆積させた。
【０１５３】
ＮｉＦｅＺｎ合金の堆積
ＮｉＦｅＺｎめっき浴は、硫酸ニッケル（ＩＩ）六水和物（３００ｇ Ｌ−１）、硫酸亜鉛水和物（０．７ｇ Ｌ−１； Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）および硫酸アンモニウム鉄（ＩＩ）六水和物（１０ｇ Ｌ−１；Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）からなる。ＮｉＦｅＺｎを、１００ｍＡ・ｃｍ−２の電流密度で、１時間に２０００回転／分の回転速度で、Ｐｔ ＲＤＥ基材上に堆積させた。生じる活性をＮｉＭｏと関連させるために、この電流密度を選択した。生じたフィルムを、塩基中で３時間放置して、評価の前に抽出物Ｚｎを浸出させた。堆積物は厚く、明るい灰色であり、そして触ると硬かった。泡は浸出の間に観察されなかった。
【０１５４】
ＮｉＭｏＣｄ合金の堆積
ＮｉＭｏＣｄめっき浴は、塩化ニッケル（ＩＩ）六水和物（９．５１ｇ Ｌ−１）、モリブデン酸ナトリウム二水和物（４．８４ｇ Ｌ−１）、硝酸カドミウム四水和物（０．０９２５ｇ Ｌ−１；Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、ピロリン酸ナトリウム四塩基性（３４．５７ｇ Ｌ−１；Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）および重炭酸ナトリウム（７４．７７ｇ Ｌ−１；ＶＷＲ）からなる。ヒドラジン水和物（１．２１ｍＬ Ｌ−１； Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）を、めっきの直前に加えた。ＮｉＭｏＣｄを、０．０７７５Ａ ｃｍ−２の電流密度で３０分間、３０００回転／分の回転速度で、Ｐｔ ＲＥＤ基材上に堆積させた。表面上の水素発生が２０００回転／分での電気めっきプロセスを妨げたので、より早い回転速度が必要であった。評価の前に、Ｍｏを抽出するために、堆積物を塩基中に１８時間放置し浸出させた。浸出の前には、堆積物は暗い下層を有し不透明に見えた。浸出では、堆積物は暗く見えた。
結果
これらの研究で、作用電極（Ｐｉｎｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）としてＰｔ ＲＤＥを有する変更したディスクＲＤＥ先端を有する調節された速度の回転体、参照電極としてＡｇ／ＡｇＣｌおよび対電極としてＰｔワイヤーを使用した。Ｎｉを、Ｎｉ ＲＤＥ （Ｐｉｎｅ）を使用して評価した。図６Ａ、図６Ｂは、（Ａ）１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２および（Ｂ）１Ｍ Ｐｉ、ｐＨ７電解質中２０００回転／分で電極を回転しながら、得られたＰｔ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎ、およびＮｉＭｏＣｄ水素発生カソードでのＴａｆｅｌプロット（過電圧対電流密度）を示す。データは、ホウ酸塩電解質と比較して、リン酸塩中で稼働された場合に、それぞれの材料がさらに活性であることを示す。触媒活性は、Ｐｔ＞ＮｉＭｏＣｄ＞ＮｉＦｅＺｎ：ＮｉＭｏの順番でランク付けできる。
【０１５５】
リン酸塩およびホウ酸塩電解質で稼働した場合の、触媒安定性を評価するためにバルク電解を行った。図７Ａおよび図７Ｂは、４時間にわたる電解時間での水素発生反応のための３００ｍＶ過電圧での電極の稼働で観察された電流密度をプロットしている。具体的には、図７Ａおよび図７Ｂは、（Ａ）１Ｍ ＫＰｉ、ｐＨ７および（Ｂ）１Ｍ ＫＢｉ、ｐＨ９．２電解質中で、３００ｍＶ過電圧および２５００回転／分回転速度でのＰｔ、Ｎｉ、ＮｉＭｏ、ＮｉＦｅＺｎおよびＮｉＭｏＣｄのバルク電解をプロットしている。Ｐｔは、高い初期電流密度を示し、これは＞７０％で急速に衰えている。活性の低下は、稼働の間に電極表面上に積み上げられた電解質溶液（例えば、Ｆｅ）中の不純物によるのであろう。類似の不安定性の結果が、新たに調製されたＮｉ電極で得られた。対照的に、ＮｉＭｏＣｄは、ｐＨ７のリン酸塩中４２．５ｍＡ・ｃｍ−２の活性電流密度を有する両電解質中で、安定な稼働を示した。ＮｉＭｏおよびＮｉＦｅＺｎはまた、それぞれ、２１．１および２６．５ｍＡ・ｃｍ−２のリン酸塩中での電流密度を有する安定な活性を示した。
【０１５６】
例３
以下の例は、ｐＨ７のリン酸塩およびｐＨ９．２のホウ酸塩電解質中での水素発生のための高い活性を有する安定な、多孔質電極の調製を記載する。
【０１５７】
材料および方法
Ｎｉ発泡体（Ｉｎｃｏ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ （Ｄａｌｉａｎ）Ｃｏ．Ｌｔｄ；３２０ｇ／ｍ２、１。７ｍｍ厚）、Ｐｔｌｒ （２０％ Ｉｒ）ワイヤー（Ｓｔｒｅｍ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ、Ｉｎｃ．）、モリブデン酸ナトリウム（Ｎａ２ＭｏＯ４・２Ｈ２Ｏ）、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）、硝酸カドミウム（Ｃｄ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ）、ピロリン酸ナトリウム（Ｎａ４Ｐ２Ｏ７・４Ｈ２Ｏ）、重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、およびヒドラジン水和物（Ｎ２Η４・Η２Ｏ）（Ａｌｄｒｉｃｈ）を、そのまま使用した。
【０１５８】
Ｎｉ発泡体上でのＮｉＭｏＣｄ合金の堆積
あらかじめ記載したように１ｃｍ２のＮｉ発泡体（１つの側面当り０．５ｃｍ２）上にＮｉＭｏＣｄ合金を堆積させた。手短に、Ｎｉ発泡体の基材を、ｐＨ７．５〜９のＮａ２ＭｏＯ４・２Ｈ２Ｏ（０．０２Ｍ）、ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ（０．０４Ｍ）、Ｃｄ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ（０．３ｍＭ）、Ｎａ４Ｐ２Ｏ７・４Ｈ２Ｏ（０．１３Ｍ）、ＮａＨＣＯ３（０．８９Ｍ）、およびΝ２Η４・Η２Ｏ（２５ｍＭ）を含む３電極電気化学電池中のめっき溶液中に浸した。ガルバノスタットを、３０分間室温でＮｉ発泡体の４６５ｍＡ／ｃｍ２の幾何学的表面積の電流を適用するために使用した。Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極およびＰｔワイヤー対電極を用いて攪拌溶液中で、めっきを行った。次に電極をめっき溶液から除去し、そしてＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極およびＰｔ ｌｒ（２０％Ｉｒ）ワイヤー対電極を用いて、電解質を流しながら（１Ｍリン酸カリウム（Ｐｉ）ｐＨ７、２５０ｍＬ／分）３電極電池中に配置した。次に、電極を、１．１５Ａ／ｃｍカソード電流密度で１００時間稼働させて、エージングした。
【０１５９】
結果
図８Ａは、流れる１Ｍ ＫＰｉ（ｐＨ７）電解質中でのＮｉ発泡体カソード上のエージングされたＮｉＭｏＣｄでの過電圧対時間プロットを示す。電極は、稼働と伴にエージングし続けるので、１Ａ／ｃｍ２で電極を稼働するのに必要な過電圧は低下し続け、そして７０（ずべてで１７０）時間の稼働の後で、最終的に６５ｍＶ近辺の高原となる。電極は、１６日超の期間にかけて安定な稼働を示した。次に、電極の活性を電流密度の範囲にわたって電極を稼働するのに必要な過電圧を測定することによって、評価した。図８Ｂは、１Ｍ ＫＰｉ （ｐＨ７）および１Ｍ ＫＢｉ （ｐＨ９．２）電解質中での稼働でＮｉ発泡体カソード上での過電圧対電流密度（Ｔａｆｅｌプロット）の対数のプロットを示す。プロットからＴａｆｅｌ勾配は、２７であり、そして１００ｍＶでそれぞれ、ＫＰｉおよびＫＢｉ電解質中での稼働で電流密度を低下させる。ＫＢｉ電解質中での稼働の間の電極の安定性をまた評価した。図８Ｃは、流れる１Ｍ ＫＢｉ（ｐＨ９．２）電解質中において、０．５Ａ／ｃｍ２カソード電流密度の電極を稼働するに必要な過電圧をプロットする。初期増加の後で、約１２０ｍＶの過電圧が実験の停止（２１時間）まで維持された。
【０１６０】
例４
以下の例は、天然の供給元からの未調整水中で稼働する水素発生カソード電極の調製を記載する。
【０１６１】
水素発生カソードを、例２で記載された方法によって、ＲＤＥ上に調製し、そしてチャールズ川（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ、ＭＡ）からの水を使用して調製された１Ｍ ＫＰｉ電解質（ｐＨ７）中に配置した。Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極およびＰｔワイヤー対電極を溶液中に配置し、そしてポテンショスタットの使用を通して、電位がＲＤＥに適用された。ＲＤＥは、水素発生のために−３００ｍＶ過電圧でバイアスされ、そして２５００回転／分で回転させられた。図９は、電解時間の関数として得られた電流密度をプロットする。最初の２時間で初期活性が低下した後、約３１ｍＡ／ｃｍ２の安定なおよび活性電流密度を電解時間の残り（３１時間）の間観察した。
【０１６２】
例５
図１０（左）は、Ｎｉ発泡体上の調製されたＮｉＭｏ合金に位置する電極のＳＥＭを示す。合金は、滑らかなおよび均質な様式で発泡体を被覆する。図１０（右）は、Ｎｉ箔上に調製されたＮｉＭｏＦｅ合金に沿ったＰｔおよびＮｉ箔でのＴａｆｅｌ活性プロットを示す。すべての実験を、０．１Ｍ ＫＰｉバッファー中ｐＨ７で行った。ＮｉＭｏＦｅ合金は、Ｐｔ電極までもを上回り、調べられた材料の所与の電流密度でもっと低い過電圧を与えた。図１０中で：（左） Ｎｉ発泡体上に位置するＮｉＭｏ合金（２０％ Ｍｏ）電極のＳＥＭ；（右）０．１Ｍ ＫＰｉ（ｐＨ７）中Ｐｔ箔（●）、Ｎｉ箔（□）、およびＮｉ箔上ＮｉＭｏＦｅ（▼）のＴａｆｅｌプロットである。
【０１６３】
例６
以下の例は、ＮｉＭｏＺｎ合金の調製およびｐＨ７のリン酸塩、ｐＨ９．２のホウ酸塩、およびｐＨ１４の水酸化物電解質における水素発生でのそれらの使用を示す。
【０１６４】
ＮｉＭｏＺｎ合金の堆積
ＮｉＭｏＺｎめっき浴は、塩化ニッケル（ＩＩ）六水和物（９．５１ｇ Ｌ−１）、モリブデン酸ナトリウム二水和物（４．８４ｇ Ｌ−１）、無水塩化亜鉛（０．０４０９ｇ Ｌ−１）、ピロリン酸ナトリウム四塩基性（３４．５７ｇ Ｌ−１）および重炭酸ナトリウム（７４．７７ｇ Ｌ−１；ＶＷＲ）からなる。ヒドラジン水和物（１．２１ｍＬ Ｌ−１；Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）をめっきの直前に加えた。ＮｉＭｏＺｎは、３０００回転／分の回転速度で、３０分間の０．０７７５Ａ ｃｍ−２の電流密度で研磨されたＰｔ ＲＤＥ基材に堆積された。堆積物は、１０Ｍ ＫＯＨ中で１６＋時間の間塩基中で浸出された。浸出の正孔が電極表面から発生した泡により示された。浸出後で、堆積物は、外観上わずかに暗い色になった。
【０１６５】
結果
これらの研究で、作用電極（Ｐｉｎｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）としてＰｔ ＲＤＥおよび対電極としてＲｕ０２を有する変更されたディスクＲＤＥ先端を有する調節された速度の回転体を使用した。Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極を、１．０Ｍ ＫＰｉおよび１．０Ｍ ＫＢｉ中で合金を評価するために使用し、一方Ｈｇ／ＨｇＯ参照電極を１．０Ｍ ＫＯＨ中で合金を評価するために使用した。
【０１６６】
図１１Ａは、２５００回転／分で、１．０Ｍ ＫＯＨ （ｐＨ１４．０）、１．０Ｍ ＫＰｉ （ｐＨ７．０）および１．０Ｍ ＫＢｉ （ｐＨ９．２）電解質中で稼働された場合の、ＮｉＭｏＺｎ水素発生カソードのＴａｆｅｌプロット（過電圧対電流密度）を示す。このデータは、１．０Ｍ ＫＯＨ中での稼働が最も高い活性を与えたことを示す。１．０Ｍ ＫＢｉ中でＮｉＭｏＺｎ、ＮｉＭｏＣｄおよびＰｔのバルク電解を完了させて、触媒安定性を評価した。図１１Ｂは、水素発生のための３００ｍＶ過電圧で稼働された電極の４時間にわたる電流密度の変化を示す。さらに具体的に言うと、図１１Ｂは、１．０Ｍ ＫＢｉ （ｐＨ９．２）電解質中で、３００ｍＶ過電圧および２５００回転／分における、ＮｉＭｏＺｎ、ＮｉＭｏＣｄ、およびＰｔのバルク電解を示す。Ｐｔは、最初に高い電流密度を示したが、急速に９０％低下した。何らかの理論に拘束されることを望まないが、これは、稼働の間に電極表面で積み上がった溶液中の不純物の存在によるかもしれない。ＮｉＭｏＣｄおよびＮｉＭｏＺｎの両者は高くかつ安定な電流活性を示した。ＮｉＭｏＺｎは、２５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を有する最大値を示し、一方ＮｉＭｏＣｄは、１４ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を維持した。
【０１６７】
本発明の幾つかの態様は、本明細書中に記載され、そして具体的に説明されたが、当業者は、機能を果たし、そして／または結果および／または本明細書中に記載された１種または２種以上の利点を得るために、種々の他の手段および／または構造を容易に想像するであろうし、そしてそうした変化および／または改質のそれぞれは、本発明の範囲内にあるものとみなされる。さらに通常、当業者は、本明細書中に記載されたすべての、パラメーター、寸法、材料、および設定が例示的であることを意図され、そして実際のパラメーター、寸法、材料、および／または設定が具体的用途または本発明の教示が使用される用途によることを容易に認識するであろう。当業者は、所定より多くない実験を使用して、多くが本明細書中に記載された本発明の具体的な実施形態に均等であることを確認または解明するであろう。したがって、一例としてのみ示され、そして付属の請求項およびそれらの均等の範囲内にあることを理解するであろう、本発明は、具体的に記載されたそして請求されたもの以外で実施できる。本発明は、本明細書中に記載された、個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法のそれぞれを対象にする。さらに、２種または３種以上のそうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に一貫性のない場合、本発明の範囲内に含まれる。
【０１６８】
不定の関し「ａ」および「ａｎ」は、本明細書中および請求項中で使用される場合、そうでないと明らかに示さない限り、「少なくとも１つの」を意味すると理解されるべきである。
【０１６９】
語句「および／または」は、本明細書中および請求項中で使用される場合、そのように接続された要素の「いずれかまたは両方」、すなわち、ある場合には接合的に示され、そして他の場合には非接合的に示された要素意味するものと理解されるべきである。「および／または」の句により具体的に示された要素以外の、具体的に示されたこれらの要素に関連しているかまたは関連していない他の要素は、そうでないと明らかに示さない限り、任意選択的に存在できる。したがって、非限定の例として、「を含む」等のオープンエンドの用語と伴に使用される場合、「Ａおよび／またはＢ」への参照は、一態様では、（任意選択的にＢ以外の要素を含む）ＢのないＡ；別の態様では、（任意選択的にＡ以外の要素を含む）ＡのないＢ；また別の態様では、（任意選択的に他の要素を含むことができる）ＡとＢとの両方；などをいうことができる。
【０１７０】
本明細書中および請求項中で使用される場合、「または」は、上記で規定された「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト中の項目を分離する場合、「または」または「および／または」は、包含的であり、すなわち、要素の数またはリストを少なくとも１つを含むが、また１超を含み、そして、任意選択的に、追加の挙げられていない項目を含むと理解される。そうでないと明らかに示さない限り、「１つのみの」または「正確に１つの」または、請求項中で使用される場合、「からなる」等の用語のみは、１つの数または要素のリストの正確に１つの要素を含むことをいうであろう。通常、用語「または」は、本明細書中で使用される場合、「いずれか」、「の１つ」、「の１つのみ」または「の正確に１つ」等の独占的用語が前にある場合、独占的代替（すなわち、「一方または他方であるが両方でない」）を示すとしてのみ理解されるであろう。請求項中で使用される場合、「から本質的になる」は、特許法の分野において使用されるその通常の意味を有するであろう。
【０１７１】
本明細書中および請求項中で使用される場合、１種または２種以上の要素の列挙を参照する語句「少なくとも１種の」は、要素の列挙中の任意の１種または２種以上の要素から選択された少なくとも１種の要素を意味するが、要素の列挙中に具体的に挙げられた要素のありとあらゆるものの少なくとも１種を必ずしも含むとは限らず、そして要素のリスト中の要素の任意の組み合わせを除外しないと理解されるべきである。この定義はまた、具体的に示された要素に関連しているかまたは関連していない、語句「少なくとも１つの」が意味する要素の列挙内で具体的に特定された要素以外の要素が任意選択的に存在することを可能にする。したがって、非限定の例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または、「ＡまたはＢの少なくとも１つ」に等しく、または「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」に等しい）は、一態様では、Ｂが存在せず、任意選択的に１超のＡを含む（および任意選択的にＢ以外の要素を含む）少なくとも１つ；別の態様では、Ａが存在せず１超のＢを任意選択的に含む（そして任意選択的にＡ以外の要素を含む）少なくとも１つ；また別の態様では、任意選択的に１超のＡを含む少なくとも１つ、および任意選択的に１超のＢを含む少なくとも１つ（そして任意選択的に他の要素を含む）；などをいうことができる。
【０１７２】
請求項において、ならびに上記の明細書中において、「を含む」、「を包含する」、「を有する」、「を持つ」、「を含有する」、「を含んでいる」「保持する」およびその同類のもの等の暫定的な語句は、オープンエンドと理解される、すなわちを含むがこれらに限られないを意味すると理解されるべきである。暫定的語句「からなる」および「から本質的になる」のみは、Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ Ｏｆｆｉｃｅ Ｍａｎｕａｌ ｏｆ Ｐａｔｅｎｔ Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ、 Ｓｅｃｔｉｏｎ ２１ １ １．０３に記載されているように、それぞれ、クローズドまたはセミクローズドの暫定的語句であろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の量のモリブデンと、
約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の量の亜鉛と、
約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の量のニッケルと、
を含んでなる、組成物。
【請求項２】
水素ガスを酸化でき、そして／または水素ガスを生成できる触媒材料であって、ニッケル、モリブデン、および亜鉛を含む、触媒材料。
【請求項３】
コバルトイオンおよび／またはニッケルイオンを含む第１の電極、ならびにリンおよび／またはホウ素を含むアニオン性種と、
ニッケルおよびモリブデンを含む第２の電極と、
を含んでなる、水素ガスおよび／または酸素ガスを生成できる、システム。
【請求項４】
アニオン性種の存在下で水素ガスを生成できる電極であって、該電極が、
水素ガスを生成できるように選択された第１の種類の金属と、
該アニオン性種と１０３Ｍ−１未満の結合定数を有するように選択された第２の種類の金属と、
触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属と、
を含む触媒材料を含み、
該アニオン性種が、酸化物または水酸化物ではない、電極。
【請求項５】
水素ガスを酸化できる電極であって、該電極が、
水素ガスを酸化できるように選択された第１の種類の金属と、
第２の種類の金属と、
触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属と、
を含む触媒材料を含む、電極。
【請求項６】
水素ガスおよび／または酸素ガスを生成できるシステムであって、
水から水素ガスの生成を触媒できるように選択された第１の種類の金属と、第２の種類の金属と、触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属とを含む触媒材料と、光活性組成物とを含む、システム。
【請求項７】
少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物を含む水に、触媒材料を含む電極を曝す工程であって、該水のｐＨが約６〜約１０である工程と、
水素ガスを生成させる工程であって、少なくとも約１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において、約０．３Ｖ未満の過電圧の絶対値で、水素ガスが生成される工程と、
を含む、水素ガスの生成方法。
【請求項８】
少なくとも０．１Ｍの濃度の少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１ｐｐｍの濃度の少なくとも１種の不純物を含む水に、触媒材料を含む電極を曝す工程であって、該水のｐＨが約６〜約１０である工程と、
水素ガスの生成を生じさせる工程であって、該電極の電流密度が、本質的に一定の電気化学的条件下で、４時間の間にわたって約１０％超低下しない、工程と、
を含む、水素ガスの生成方法。
【請求項９】
請求項４に記載の電極を含む水素ガスおよび酸素ガスの両方を生成できるシステム。
【請求項１０】
請求項３または９に記載のシステムを用いて、水素ガスおよび／または酸素ガスを生成する工程を含む方法。
【請求項１１】
該電極が水素ガスを酸化できる、請求項３〜１０のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１２】
該電極がさらに電流コレクタを含む、請求項３〜１１のいずれか一項に記載の方法または電極。
【請求項１３】
該触媒材料が、ニッケルおよびモリブデンを含むか、またはニッケルおよびモリブデンから本質的になる、請求項２〜１２のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１４】
該少なくとも１種の添加物および／または該アニオン性種が、リンを含むアニオン性種である、請求項７〜１３のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１５】
該リンを含む少なくとも１種のアニオン性種が、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ−３からなる群から選択される、請求項１４に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１６】
該少なくとも１種の添加物および／または該アニオン性種が、リン酸塩の形態、硫酸塩の形態、炭酸塩の形態、ヒ酸塩の形態、亜リン酸塩の形態、ケイ酸塩の形態、またはホウ酸塩の形態からなる群から選択される、請求項７〜１４のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１７】
約０．２Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．１５Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．１Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．２Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．１Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．３Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１００ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．２Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１００ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．１Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１００ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、水素ガスが生成される、請求項３〜１６のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１８】
約０．０１ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ、または約１０ｍ２／ｇ超、または約５０ｍ２／ｇ超、または約１００ｍ２／ｇ超、または約１５０ｍ２／ｇ超、または約２００ｍ２／ｇ超の表面積を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１９】
少なくとも１つの電流コレクタをさらに含み、該触媒材料が該電流コレクタと関連している、請求項３〜１８のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２０】
電流コレクタが、金属、金属酸化物、または合金の少なくとも１種を含む、請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか一項に記載の電極を含む、電解装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか一項に記載の電極を含む、燃料電池。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれか一項に記載の電極を含む、再生燃料電池。
【請求項２４】
該少なくとも１種の不純物が、金属、有機材料、小さい有機分子、バクテリア、薬剤的化合物、除草剤、殺虫剤、タンパク質、または無機化合物を含む、請求項７〜２３のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２５】
該少なくとも１種の不純物が、約１０００ｐｐｍ、約５００ｐｐｍ、約３００ｐｐｍ、約１００ｐｐｍ、約１０ｐｐｍ、または約１ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項７〜２４のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２６】
該電極が、約１００％、または少なくとも約９９％、約９５％、約９０％、約８５％、約８０％、約７５％、約７０％、約６０％、または約５０％のファラデー効率で、水から触媒的に水素ガスを生成できる、請求項３〜２５のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２７】
該不純物または添加物が、約０．０５Ｍ、または約０．１Ｍ、または約０．５Ｍ、または約１Ｍ、または約２Ｍ、または約５Ｍ、または約１０Ｍ、または約０．０１Ｍ〜約１０Ｍ、または約０．１Ｍ〜約５Ｍ、または約０．５Ｍ〜約２Ｍの濃度で存在する、請求項７〜２６のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２８】
該第１の種類の金属が、Ｎｉであり、該第２の種類の金属がＣｄであり、そして該第３の種類の金属がＭｏである、請求項６〜２７のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２９】
該結合定数が、約１×１０−３Ｍ−１未満、または約１×１０−２Ｍ−１未満、または１×約１０−１Ｍ−１未満、または約１Ｍ−１未満、または約１０Ｍ−１未満、または約１×１０２Ｍ〜’未満、または約１×１０３Ｍ−１未満、または約１×１０４Ｍ−１未満、または１×１０５約Ｍ−１未満である、請求項４〜２８のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３０】
該第３の種類の金属が、該触媒材料から脱合金化するように選択される、請求項６〜２９のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３１】
該電解質に暴露可能な電極の表面積を増加させるように、該第３の金属が、設定された条件下で、該条件下におけるＭ’およびＭ’’の脱合金化の任意の速度の少なくとも約２倍、または少なくとも約５倍、または少なくとも１０倍、または少なくとも約２０倍、または少なくとも約５０倍で、該触媒材料から脱合金化するように選択される、請求項３０に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３２】
該第３の金属の少なくとも１％が、該電極の形成および／または稼働後に脱合金化するように、該第３の種類の金属が選択され、該電極の電流密度が、本質的に一定の電気化学的条件下で、２時間の期間にかけて約１０％超低下も増加もしない、請求項３０に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３３】
該アニオン性種が、酸化物イオンまたは水酸化物イオンでない、請求項３〜３２のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３４】
該光活性組成物が、光電池、三接合アモルファスシリコン光電池、半導体、またはｐ−タイプ半導体フォトカソードを含む、請求項６〜３３のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１】
約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の量のモリブデンと、
約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の量の亜鉛と、
約０．１ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の量のニッケルと、
を含んでなる、組成物。
【請求項２】
水素ガスを酸化でき、そして／または水素ガスを生成できる触媒材料であって、ニッケル、モリブデン、および亜鉛を含む、触媒材料。
【請求項３】
コバルトイオンおよび／またはニッケルイオンを含む第１の電極、ならびにリンおよび／またはホウ素を含むアニオン性種と、
ニッケルおよびモリブデンを含む第２の電極と、
を含んでなる、水素ガスおよび／または酸素ガスを生成できる、システム。
【請求項４】
アニオン性種の存在下で水素ガスを生成できる電極であって、該電極が、
水素ガスを生成できるように選択された第１の種類の金属と、
該アニオン性種と１０３Ｍ−１未満の結合定数を有するように選択された第２の種類の金属と、
触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属と、
を含む触媒材料を含み、
該アニオン性種が、酸化物または水酸化物ではない、電極。
【請求項５】
水素ガスを酸化できる電極であって、該電極が、
水素ガスを酸化できるように選択された第１の種類の金属と、
第２の種類の金属と、
触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属と、
を含む触媒材料を含む、電極。
【請求項６】
水素ガスおよび／または酸素ガスを生成できるシステムであって、
水から水素ガスの生成を触媒できるように選択された第１の種類の金属と、第２の種類の金属と、触媒材料の表面積を増加させるように選択された第３の種類の金属とを含む触媒材料と、光活性組成物とを含む、システム。
【請求項７】
少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１種の不純物を含む水に、触媒材料を含む電極を曝す工程であって、該水のｐＨが約６〜約１０である工程と、
水素ガスを生成させる工程であって、少なくとも約１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において、約０．３Ｖ未満の過電圧の絶対値で、水素ガスが生成される工程と、
を含む、水素ガスの生成方法。
【請求項８】
少なくとも０．１Ｍの濃度の少なくとも１種の添加物および／または少なくとも１ｐｐｍの濃度の少なくとも１種の不純物を含む水に、触媒材料を含む電極を曝す工程であって、該水のｐＨが約６〜約１０である工程と、
水素ガスの生成を生じさせる工程であって、該電極の電流密度が、本質的に一定の電気化学的条件下で、４時間の間にわたって約１０％超低下しない、工程と、
を含む、水素ガスの生成方法。
【請求項９】
請求項４に記載の電極を含む水素ガスおよび酸素ガスの両方を生成できるシステム。
【請求項１０】
請求項３または９に記載のシステムを用いて、水素ガスおよび／または酸素ガスを生成する工程を含む方法。
【請求項１１】
該電極が水素ガスを酸化できる、請求項３〜１０のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１２】
該電極がさらに電流コレクタを含む、請求項３〜１１のいずれか一項に記載の方法または電極。
【請求項１３】
該触媒材料が、ニッケルおよびモリブデンを含むか、またはニッケルおよびモリブデンから本質的になる、請求項２〜１２のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１４】
該少なくとも１種の添加物および／または該アニオン性種が、リンを含むアニオン性種である、請求項７〜１３のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１５】
該リンを含む少なくとも１種のアニオン性種が、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ−３からなる群から選択される、請求項１４に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１６】
該少なくとも１種の添加物および／または該アニオン性種が、リン酸塩の形態、硫酸塩の形態、炭酸塩の形態、ヒ酸塩の形態、亜リン酸塩の形態、ケイ酸塩の形態、またはホウ酸塩の形態からなる群から選択される、請求項７〜１４のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１７】
約０．２Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．１５Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．１Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．２Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．１Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１０ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．３Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１００ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．２Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１００ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、または約０．１Ｖ未満である過電圧の絶対値、少なくとも１００ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度で、水素ガスが生成される、請求項３〜１６のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１８】
約０．０１ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇ、または約１０ｍ２／ｇ超、または約５０ｍ２／ｇ超、または約１００ｍ２／ｇ超、または約１５０ｍ２／ｇ超、または約２００ｍ２／ｇ超の表面積を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項１９】
少なくとも１つの電流コレクタをさらに含み、該触媒材料が該電流コレクタと関連している、請求項３〜１８のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２０】
電流コレクタが、金属、金属酸化物、または合金の少なくとも１種を含む、請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか一項に記載の電極を含む、電解装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか一項に記載の電極を含む、燃料電池。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれか一項に記載の電極を含む、再生燃料電池。
【請求項２４】
該少なくとも１種の不純物が、金属、有機材料、小さい有機分子、バクテリア、薬剤的化合物、除草剤、殺虫剤、タンパク質、または無機化合物を含む、請求項７〜２３のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２５】
該少なくとも１種の不純物が、約１０００ｐｐｍ、約５００ｐｐｍ、約３００ｐｐｍ、約１００ｐｐｍ、約１０ｐｐｍ、または約１ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項７〜２４のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２６】
該電極が、約１００％、または少なくとも約９９％、約９５％、約９０％、約８５％、約８０％、約７５％、約７０％、約６０％、または約５０％のファラデー効率で、水から触媒的に水素ガスを生成できる、請求項３〜２５のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２７】
該不純物または添加物が、約０．０５Ｍ、または約０．１Ｍ、または約０．５Ｍ、または約１Ｍ、または約２Ｍ、または約５Ｍ、または約１０Ｍ、または約０．０１Ｍ〜約１０Ｍ、または約０．１Ｍ〜約５Ｍ、または約０．５Ｍ〜約２Ｍの濃度で存在する、請求項７〜２６のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２８】
該第１の種類の金属が、Ｎｉであり、該第２の種類の金属がＣｄであり、そして該第３の種類の金属がＭｏである、請求項６〜２７のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項２９】
該結合定数が、約１×１０−３Ｍ−１未満、または約１×１０−２Ｍ−１未満、または１×約１０−１Ｍ−１未満、または約１Ｍ−１未満、または約１０Ｍ−１未満、または約１×１０２Ｍ〜’未満、または約１×１０３Ｍ−１未満、または約１×１０４Ｍ−１未満、または１×１０５約Ｍ−１未満である、請求項４〜２８のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３０】
該第３の種類の金属が、該触媒材料から脱合金化するように選択される、請求項６〜２９のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３１】
該電解質に暴露可能な電極の表面積を増加させるように、該第３の金属が、設定された条件下で、該条件下におけるＭ’およびＭ’’の脱合金化の任意の速度の少なくとも約２倍、または少なくとも約５倍、または少なくとも１０倍、または少なくとも約２０倍、または少なくとも約５０倍で、該触媒材料から脱合金化するように選択される、請求項３０に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３２】
該第３の金属の少なくとも１％が、該電極の形成および／または稼働後に脱合金化するように、該第３の種類の金属が選択され、該電極の電流密度が、本質的に一定の電気化学的条件下で、２時間の期間にかけて約１０％超低下も増加もしない、請求項３０に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３３】
該アニオン性種が、酸化物イオンまたは水酸化物イオンでない、請求項３〜３２のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【請求項３４】
該光活性組成物が、光電池、三接合アモルファスシリコン光電池、半導体、またはｐ−タイプ半導体フォトカソードを含む、請求項６〜３３のいずれか一項に記載の方法、電極またはシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【公表番号】特表２０１３−５０３２５７（Ｐ２０１３−５０３２５７Ａ）
【公表日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２６７３３（Ｐ２０１２−５２６７３３）
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／００２３６６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２８２６２
【国際公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（５１２０４８６８６）サン カタリティクス コーポレイション (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／００２３６６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２８２６２
【国際公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（５１２０４８６８６）サン カタリティクス コーポレイション (1)
【Ｆターム（参考）】
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