(57)【要約】特に、エネルギー変換、および／または、酸素、水素、および／または、酸素および／または水素含有種の産生の分野において、エネルギー貯蔵に使用することができる電気分解のための触媒、電極、デバイス、キット、およびシステム。電極および他のデバイスを形成するための組成物および方法も提供する。本発明の種々の側面の組み合わせは、有意に改善したエネルギー貯蔵、エネルギー使用、ならびに水素および／または酸素の選択的な商業産生において有用である。システムは、再生可能な方法で確実に動作し、低いまたは中程度の費用で作製することができる。本発明の主題は、場合によっては、相関製品、特定の問題の代替解決法、および／または、１つ以上のシステムおよび／または部品の複数の異なる使用法を伴う。
2011525217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極であって、
コバルトイオンと、リンを含む陰イオン種とを含む触媒物質を含む、電極。
【請求項２】
電極であって、
電流コレクタと、
該電流コレクタと結合した触媒物質であって、該触媒物質にインターフェースしている電流コレクタ表面の１ｃｍ２当たり少なくとも約０．０１ｍｇの量である、触媒物質と、
を含み、
該電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、電極。
【請求項３】
触媒電極であって、
触媒物質によって触媒される反応の少なくとも何らかの時点の間に、該電極上に吸収または電析される触媒物質を含み、
該電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨの水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、触媒電極。
【請求項４】
水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極であって、
電流コレクタであって、該電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、電流コレクタと、
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、
陰イオン種と
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、電極。
【請求項５】
水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極であって、
電流コレクタであって、該電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、電流コレクタと、
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、
陰イオン種と
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、電極。
【請求項６】
水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極であって、
電流コレクタと、
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、
陰イオン種と
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有し、
該電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、電極。
【請求項７】
再生触媒物質を含む、電極。
【請求項８】
前記触媒物質は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む、請求項１〜７のいずれかに記載の電極。
【請求項９】
前記触媒物質は、電流コレクタと結合した、請求項１〜８のいずれかに記載の電極。
【請求項１０】
前記触媒物質は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含み、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値より小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、請求項１〜９のいずれかに記載の電極。
【請求項１１】
前記電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、請求項１〜１０のいずれかに記載の電極。
【請求項１２】
前記電流コレクタは、約１０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の電極。
【請求項１３】
前記電流コレクタは、約１５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の電極。
【請求項１４】
前記電流コレクタは、約２５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１３のいずれかに記載の電極。
【請求項１５】
前記電流コレクタは、約５０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１４のいずれかに記載の電極。
【請求項１６】
前記電流コレクタは、約７０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１５のいずれかに記載の電極。
【請求項１７】
前記電流コレクタは、約８０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１６のいずれかに記載の電極。
【請求項１８】
前記電流コレクタは、約９０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１７のいずれかに記載の電極。
【請求項１９】
前記電流コレクタは、約９５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１８のいずれかに記載の電極。
【請求項２０】
前記電流コレクタは、約９９重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１９のいずれかに記載の電極。
【請求項２１】
前記金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項１〜２０のいずれかに記載の電極。
【請求項２２】
前記金属イオン種は、少なくとも第１および第２の種類の金属イオン種を含む、請求項１〜２１のいずれかに記載の電極。
【請求項２３】
前記第１の種類の金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項２２に記載の電極。
【請求項２４】
前記第２の種類の金属イオン種は、ニッケルイオンまたはマンガンイオンを含む、請求項２３に記載の電極。
【請求項２５】
前記陰イオン種は、本質的に水酸化物または酸化物イオンから成らない、請求項１〜２４のいずれかに記載の電極。
【請求項２６】
前記陰イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の陰イオン種を含む、請求項１〜２５のいずれかに記載の電極。
【請求項２７】
前記第１の種類の陰イオン種は、酸化物または水酸化物を含む、請求項２６に記載の電極。
【請求項２８】
前記第２の種類の陰イオン種は、リンを含む、請求項２７に記載の電極。
【請求項２９】
前記陰イオン種は、リンを含む、請求項１〜２８のいずれかに記載の電極。
【請求項３０】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ３−３から成る群より選択される、請求項１〜２９のいずれかに記載の電極。
【請求項３１】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２である、請求項１〜３０のいずれかに記載の電極。
【請求項３２】
前記陰イオン種は、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から成る群より選択される、請求項１〜３１のいずれかに記載の電極。
【請求項３３】
前記触媒物質はさらに、陽イオン種を含む、請求項１〜３２のいずれかに記載の電極。
【請求項３４】
前記陽イオン種は、Ｋ＋である、請求項３３に記載の電極。
【請求項３５】
前記金属イオン種対陰イオン種対陽イオン種の比は、約２：１：１である、請求項３３に記載の電極。
【請求項３６】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０５倍だけ異なる、請求項１〜３５のいずれかに記載の電極。
【請求項３７】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１０倍だけ異なる、請求項１〜３６のいずれかに記載の電極。
【請求項３８】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１５倍だけ異なる、請求項１〜３７のいずれかに記載の電極。
【請求項３９】
前記触媒物質は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っていない、請求項１〜３８のいずれかに記載の電極。
【請求項４０】
前記過電圧は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、約０．３５Ｖ未満である、請求項１〜３９のいずれかに記載の電極。
【請求項４１】
前記過電圧は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、約０．３２５Ｖ未満である、請求項１〜４０のいずれかに記載の電極。
【請求項４２】
前記電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間の表面積を有する、請求項１〜４１のいずれかに記載の電極。
【請求項４３】
前記電流コレクタは、約１０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４２のいずれかに記載の電極。
【請求項４４】
前記電流コレクタは、約５０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４３のいずれかに記載の電極。
【請求項４５】
前記電流コレクタは、約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４４のいずれかに記載の電極。
【請求項４６】
前記電流コレクタは、約１５０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４５のいずれかに記載の電極。
【請求項４７】
前記電流コレクタは、約２００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４６のいずれかに記載の電極。
【請求項４８】
電流コレクタは、金属、金属酸化物、または金属合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜４７のいずれかに記載の電極。
【請求項４９】
前記金属、前記金属酸化物、または前記金属合金は、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、またはパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項４８に記載の電極。
【請求項５０】
前記電流コレクタは、セラミック、無機伝導性材料、または有機伝導性材料を含む、請求項１〜４９のいずれかに記載の電極。
【請求項５１】
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズ、酸化フッ素スズ、アンチモンでドープした酸化スズ、アルミニウムでドープした酸化亜鉛、ガラス状炭素、炭素メッシュ、リチウム含有化合物、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜５０のいずれかに記載の電極。
【請求項５２】
前記電流コレクタは、実質的に多孔質である、請求項１〜５１のいずれかに記載の電極。
【請求項５３】
前記電流コレクタは、実質的に非多孔質である、請求項１〜５２のいずれかに記載の電極。
【請求項５４】
前記電流コレクタは、少なくとも第１および第２の材料を含む、請求項１〜５３のいずれかに記載の電極。
【請求項５５】
前記第１の材料は、実質的に伝導性であり、前記第２の材料は、実質的に非伝導性である、請求項５４に記載の電極。
【請求項５６】
前記第１の材料は、前記第２の材料を実質的に被覆する、請求項５５に記載の電極。
【請求項５７】
前記コバルトイオンの少なくとも一部分、およびリンを含む前記陰イオン種は、使用中に、前記電極と結合し、該電極から解離する、請求項１〜５６のいずれかに記載の電極。
【請求項５８】
前記コバルトイオンの少なくとも一部分は、周期的に酸化および還元される、請求項１〜５７のいずれかに記載の電極。
【請求項５９】
前記電極はまた、酸素ガスから水を触媒的に産生することも可能である、請求項１〜５８のいずれかに記載の電極。
【請求項６０】
前記電極は、ガス状の水から酸素を触媒的に産生することができる、請求項１〜５９のいずれかに記載の電極。
【請求項６１】
前記電極は、液体の水から酸素を触媒的に産生することができる、請求項１〜６０のいずれかに記載の電極。
【請求項６２】
請求項１〜６１のいずれかに記載の電極を備える、電解デバイス。
【請求項６３】
請求項１〜６２のいずれかに記載の電極を備える、燃料電池。
【請求項６４】
請求項１〜６３のいずれかに記載の電極を備える、再生燃料電池。
【請求項６５】
水の電気分解のためのシステムであって、
太陽電池と、
水の電気分解のためのシステムであって、該太陽電池に電気的に接続可能であり、該太陽電池によって駆動されることが可能であり、デバイスは請求項１〜６４のいずれかに記載の電極を含む、システムと
を含む、システム。
【請求項６６】
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電極であって、コバルトイオンとリンを含む陰イオン種とを含む触媒物質を含む、電極を含む、システム。
【請求項６７】
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
水、コバルトイオン、およびリンを含む陰イオン種を含む、溶液と、
該溶液に浸漬された電流コレクタと
を備え、
該システムの使用中に、該コバルトイオンの少なくとも一部分、およびリンを含む陰イオン種は、該電流コレクタと結合し、該電流コレクタから解離する、システム。
【請求項６８】
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは本質的に白金から成っていない、第１の電極と、
第２の電極であって、該第２の電極は該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
水を含む溶液と
を備え、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該溶液と動的平衡にある、システム。
【請求項６９】
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、第１の電極と、
第２の電極であって、該第２の電極は、該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
水を含む溶液と
を備え、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該溶液と動的平衡にある、システム。
【請求項７０】
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極と、
第２の電極であって、該第２の電極は、該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
水を含む溶液と
を備え、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該溶液と動的平衡にあり、該第１の電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、システム。
【請求項７１】
水の電気分解のためのシステムであって、
太陽電池と、
水の電気分解のためのデバイスであって、該デバイスは、該太陽電池に電気的に接続可能であり、該太陽電池によって駆動されることが可能である、デバイスと
を含み、
該デバイスは、ほぼ周囲条件において水を酸素ガスに触媒的に変換することが可能な電極を含み、該電極は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成らない触媒物質を含む、システム。
【請求項７２】
水の電気分解のためのシステムであって、
容器と、
該容器の中の電解質と、
該容器の中に載置され、該電解質と接触している第１の電極であって、該第１の電極は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と陰イオン種とを含み、該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、該組成物は、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、第１の電極と、
該容器の中に載置され、該電解質と接触している第２の電極であって、該第２の電極は、該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
該第１の電極および該第２の電極を接続するための手段と
を含み、
それにより、電圧が該第１の電極と該第２の電極との間に印加されると、ガス状の水素が該第２の電極において発生させられ、ガス状の酸素が該第１の電極において産生される、システム。
【請求項７３】
前記電解質のｐＨは、中性またはそれ以下である、請求項１〜７２のいずれかに記載のシステム。
【請求項７４】
ガス状の水素は、前記第２の電極において発生する、請求項１〜７３のいずれかに記載のシステム。
【請求項７５】
発生させられた前記ガス状の水素は、熱源を提供するために、デバイスに電力供給するために、または化学物質の産生において使用される、請求項１〜７４のいずれかに記載のシステム。
【請求項７６】
前記電極はさらに、電流コレクタを含む、請求項１〜７５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７７】
前記金属イオン種および前記陰イオン種は、前記電流コレクタと結合した触媒物質を形成する、請求項１〜７６のいずれかに記載のシステム。
【請求項７８】
前記金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項１〜７７のいずれかに記載のシステム。
【請求項７９】
前記金属イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の金属イオン種を含む、請求項１〜７８のいずれかに記載のシステム。
【請求項８０】
前記第１の種類の金属イオン種は、コバルトを含む、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８１】
前記第１の種類の金属イオン種は、ニッケルまたはマンガンを含む、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８２】
前記陰イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の陰イオン種を含む、請求項１〜８１のいずれかに記載のシステム。
【請求項８３】
前記第１の種類の陰イオン種は、酸化物または水酸化物を含む、請求項８１に記載のシステム。
【請求項８４】
前記第２の種類の陰イオン種は、リンを含む、請求項８２に記載のシステム。
【請求項８５】
前記陰イオン種は、リンを含む、請求項１〜８４のいずれかに記載のシステム。
【請求項８６】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ３−３から成る群より選択される、請求項１〜８５のいずれかに記載のシステム。
【請求項８７】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２である、請求項１〜８６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８８】
リンを含む前記陰イオン種は、ＰＯ３Ｍｅ−２である、請求項１〜８７のいずれかに記載のシステム。
【請求項８９】
リンを含む前記陰イオン種は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じかまたは異なることができ、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り、全てが選択的に置換されるか、または選択的に欠けている、請求項１〜８８のいずれかに記載のシステム。
【請求項９０】
前記陰イオン種は、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から成る群より選択される、請求項１〜８９のいずれかに記載のシステム。
【請求項９１】
前記陰イオン種は、本質的に水酸化物または酸化物イオンから成っていない、請求項１〜９０のいずれかに記載のシステム。
【請求項９２】
前記電極はさらに、陽イオン種を含む、請求項１〜９１のいずれかに記載のシステム。
【請求項９３】
前記陽イオン種は、Ｋ＋である、請求項９２に記載のシステム。
【請求項９４】
前記金属イオン種対陰イオン種対陽イオン種の比は、約２：１：１である、請求項９２に記載のシステム。
【請求項９５】
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と陰イオン種とを含む触媒物質または組成物は、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、請求項１〜９４のいずれかに記載のシステム。
【請求項９６】
前記動的平衡は、周期的に酸化および還元されている前記金属イオン種の少なくとも一部分を含む、請求項１〜９５のいずれかに記載のシステム。
【請求項９７】
周期的に酸化および還元されている前記金属イオン種の少なくとも一部分は、それぞれ、前記電極と結合し、および該電極から解離している、請求項９６に記載のシステム。
【請求項９８】
前記第１の電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項１〜９７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９９】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０５倍だけ異なる、請求項１〜９８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１００】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１０倍だけ異なる、請求項１〜９９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０１】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１５倍だけ異なる、請求項１〜１００のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０２】
前記電解質は、固体を含む、請求項１〜１０１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０３】
前記電解質は、固体ポリマー電解質である、請求項１〜１０２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０４】
前記電解質の前記ｐＨは、約９．５乃至約５．５の間である、請求項１〜１０３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０５】
前記電解質の前記ｐＨは、約８乃至約６の間である、請求項１〜１０４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０６】
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約４の間である、請求項１〜１０５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０７】
前記電解質の前記ｐＨは、約８未満である、請求項１〜１０６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０８】
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約１の間である、請求項１〜１０７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０９】
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約２の間である、請求項１〜１０８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１０】
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約３の間である、請求項１〜１０９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１１】
前記電解質は、非透過性電解質である、請求項１〜１１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１２】
電流コレクタは、金属、金属酸化物、または金属合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜１１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１３】
前記金属、前記金属酸化物、または前記金属合金は、金、銅、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、インジウム、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、またはパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１１２に記載のシステム。
【請求項１１４】
前記電流コレクタは、セラミック、無機伝導性材料、または有機伝導性材料を含む、請求項１〜１１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１５】
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズ、酸化フッ素スズ、アンチモンでドープした酸化スズ、アルミニウムでドープした酸化亜鉛、ガラス状炭素、炭素メッシュ、リチウム含有化合物、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜１１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１６】
前記電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間の表面積を有する、請求項１〜１１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１７】
前記電流コレクタは、約１０ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、請求項１〜１１６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１８】
前記電流コレクタは、約１００ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、請求項１〜１１７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１９】
前記電流コレクタは、約１５０ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、請求項１〜１１８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２０】
前記電流コレクタは、約２００ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、請求項１〜１１９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２１】
前記電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、請求項１〜１２０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２２】
前記電流コレクタは、約５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２３】
前記電流コレクタは、約１０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２４】
前記電流コレクタは、約１５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２５】
前記電流コレクタは、約２５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２６】
前記電流コレクタは、約５０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２７】
前記電流コレクタは、約７０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２８】
前記電流コレクタは、約８０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２９】
前記電流コレクタは、約９０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３０】
前記電流コレクタは、約９５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３１】
前記電流コレクタは、約９９重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１３０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３２】
前記電気分解のための水は、気体状態で提供される、請求項１〜１３１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３３】
前記電気分解のための水は、液体状態で提供される、請求項１〜１３２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３４】
前記電解質または溶液は、水を含む、請求項１〜１３３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３５】
前記電気分解のための水は、少なくとも１つの不純物を含有する、請求項１〜１３４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３６】
前記少なくとも１つの不純物は、金属を含む、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１３７】
前記金属は、金属元素、金属イオン、金属原子を含む化合物、または金属イオンを含む陰イオン種である、請求項１３６に記載のシステム。
【請求項１３８】
前記金属は、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、イオン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、カルシウム、水銀、鉛、またはバリウムである、請求項１３６に記載のシステム。
【請求項１３９】
前記少なくとも１つの不純物は、有機物質、有機小分子、細菌、医薬品、除草剤、殺虫剤、タンパク質、または無機化合物である、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１４０】
前記無機化合物は、ホウ素、シリコン、硫黄、窒素、シアン化物、リン、またはヒ素を含む、請求項１３９に記載のシステム。
【請求項１４１】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、ほぼ同じ活動レベルで動作することが可能である、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１４２】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１４３】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１４４】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１４５】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１４６】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０００ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１４７】
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１４８】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１４９】
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１５０】
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１５１】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１５２】
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１５３】
前記少なくとも１つの不純物は、ガスである、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１５４】
前記ガスは、前記水の中に溶解させられる、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５５】
前記ガスは、一酸化炭素である、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５６】
前記ガスは、二酸化炭素である、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５７】
前記不純物は、ハロゲン化物である、請求項１３５に記載のシステム。
【請求項１５８】
前記ハロゲン化物は、塩化物である、請求項１５７に記載のシステム。
【請求項１５９】
前記システムは、ほぼ周囲温度において操作される、請求項１〜１５８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６０】
前記システムは、約３０℃を上回る温度において操作される、請求項１〜１５９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６１】
前記システムは、約６０℃を上回る温度において操作される、請求項１〜１６０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６２】
前記システムは、約９０℃を上回る温度において操作される、請求項１〜１６１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６３】
前記電圧は、電源によって印加される、請求項１〜１６２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６４】
前記電源は、太陽電池である、請求項１６３に記載のシステム。
【請求項１６５】
前記デバイスは、太陽電池１ｃｍ２当たり少なくとも約１０ｍｍｏｌの酸素を産生することができる、請求項１〜１６４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６６】
前記触媒的活性種は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む、請求項１〜１６５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６７】
前記システムは、電気化学電池である、請求項１〜１６６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６８】
前記デバイスは、酸素ガスを水に触媒的に変換することが可能である、請求項１〜１６７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６９】
電極用の組成物であって、
コバルトイオンと、
リンを含む陰イオン種と
を含み、
コバルトイオン対リンを含む陰イオンの比は、約１０：１乃至約１：１０の間であり、
該組成物は、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、組成物。
【請求項１７０】
水からの酸素ガスの形成を触媒することが可能な組成物であって、該組成物は、プロセスによって取得可能であり、該プロセスは、
コバルトイオンおよびリンを含む陰イオン種の供給源に電流コレクタの少なくとも１つの表面を暴露することと、
ある期間にわたって該電流コレクタに電圧を印加することであって、それにより、該電流コレクタの該表面に近接して、コバルトイオンの少なくとも一部分とリンを含む陰イオン種とを含む組成物を蓄積する、ことと
を含む、組成物。
【請求項１７１】
水からの酸素ガスの形成を触媒することが可能な組成物であって、該組成物は、プロセスによって作製され、該プロセスは、
コバルトイオンおよびリンを含む陰イオン種の供給源に電流コレクタの少なくとも１つの表面を暴露することと、
ある期間にわたって該電流コレクタに電圧を印加することであって、それにより、該電流コレクタの該表面に近接して、該コバルトイオンの少なくとも一部分とリンを含む該陰イオン種とを含む組成物を蓄積する、ことと
を含む、組成物。
【請求項１７２】
コバルトイオン対リンを含む陰イオンの比は、約５：１乃至約１：５の間である、請求項１〜１７１のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７３】
コバルトイオン対リンを含む陰イオンの比は、約２：１である、請求項１〜１７２のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７４】
前記組成物は、電流コレクタと結合した、請求項１〜１７３のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７５】
前記組成物はさらに、陽イオン種を含む、請求項１〜１７４のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７６】
前記陽イオン種は、Ｋ＋である、請求項１７５に記載の組成物。
【請求項１７７】
コバルトイオン：リンを含む陰イオン種：陽イオン種の比は、約２：１：１である、請求項１７６に記載の組成物。
【請求項１７８】
前記組成物はさらに、少なくとも第２の種類の陰イオン種を含む、請求項１〜１７７のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７９】
前記第２の種類の陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物イオンである、請求項１７８に記載の組成物。
【請求項１８０】
前記組成物はさらに、少なくとも１つの金属イオン種を含む、請求項１〜１７９のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８１】
前記少なくとも１つの金属イオン種は、マンガンまたはニッケルイオンを含む、請求項１８０に記載の組成物。
【請求項１８２】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ３−３から成る群より選択される、請求項１〜１８１のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８３】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−４である、請求項１〜１８２のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８４】
リンを含む前記陰イオン種は、ＰＯ３Ｍｅ−２である、請求項１〜１８３のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８５】
リンを含む前記陰イオン種は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じかまたは異なることができ、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り、全てが選択的に置換されるか、または選択的に欠けている、請求項１〜１８４のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８６】
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズを含む、請求項１〜１８５のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８７】
前記電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、請求項１〜１８６のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８８】
前記組成物は、層を形成することによって、前記電流コレクタと結合する、請求項１〜１８７のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８９】
前記層は、約１０μｍ未満の厚さを有する、請求項１８８に記載の組成物。
【請求項１９０】
前記層は、前記電流コレクタ上に形成される複数の粒子の合体によって形成される、請求項１８８に記載の組成物。
【請求項１９１】
前記コバルトイオンと、リンを含む前記陰イオン種とを含む、錯体は、約１０−３乃至約１０−２０の間のＫｓｐ定数を有する、請求項１〜１９０のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９２】
前記コバルトイオンと、リンを含む前記陰イオン種とを含む、錯体は、約１０−１０を下回るＫｓｐ定数を有する、請求項１〜１９１のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９３】
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜１９２のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９４】
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３５ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜１９３のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９５】
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３２５ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜１９４のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９６】
前記電極は、約１００％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜１９５のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９７】
前記電極は、少なくとも約９９％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜１９６のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９８】
前記電極は、少なくとも約９５％のファラデー効によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜１９７のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９９】
前記電極は、少なくとも約９０％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜１９８のいずれかに記載の組成物。
【請求項２００】
前記電極はまた、酸素ガスから水を触媒的に形成することも可能である、請求項１〜１９９のいずれかに記載の組成物。
【請求項２０１】
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、約３．０乃至約１１．０のｐＨにおける水から酸素ガスを産生することを含む、方法。
【請求項２０２】
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを産生することを含み、該水はＮａＣｌを含む、方法。
【請求項２０３】
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを産生することを含み、該水は、不純水源から取得され、前記電気分解で使用する前であって、該水源から引き出された後に、その抵抗率を２５％より大きい倍率だけ変化させる態様では浄化されない、方法。
【請求項２０４】
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを産生することを含み、該水は、該水の中に少なくとも１００万分の１の量で存在する触媒反応に実質的に関与しない少なくとも１つの不純物を含む、方法。
【請求項２０５】
１６ＭΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する水源からの水を使用して、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを産生することを含み、該水は、電気分解において使用する前であって、水源から引き出された後に、その抵抗率を２５％より大きい倍数だけ変化させる態様では浄化されない、方法。
【請求項２０６】
水から酸素ガスを触媒的に産生する方法であって、
電気化学システムを提供することであって、該電気化学システムは、
電解質と、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは本質的に白金から成っていない、第１の電極と、
該第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極と
を含む、ことと、
該電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させることと
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う触媒反応に関与する、方法。
【請求項２０７】
水から酸素ガスを触媒的に産生する方法であって、
電気化学システムを提供することであって、該電気化学システムは、
電解質と、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極と、
該第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極と
を含む、ことと、
該電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させることと
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う触媒反応に関与する、方法。
【請求項２０８】
水から酸素ガスを触媒的に産生する方法であって、
電気化学システムを提供することであって、該電気化学システムは、
電解質と、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、第１の電極と、
該第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極と
を含む、ことと、
該電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させることと
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う触媒反応に関与する、方法。
【請求項２０９】
水から酸素ガスを触媒的に産生する方法であって、
電気化学システムを提供することであって、該電気化学システムは、
電解質と、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極と、
該第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極と
を含む、ことと、
該電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させることと
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う触媒反応に関与し、それにより、該電流コレクタと結合し、該電流コレクタから解離し、該システムは、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、該水から酸素ガスを産生することを触媒することが可能である、方法。
【請求項２１０】
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該金属イオン種および陰イオン種は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、方法。
【請求項２１１】
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該金属イオン種および陰イオン種は、約５．５乃至約９．５のｐＨにおいて水の電気分解を触媒することができる、方法。
【請求項２１２】
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することであって、該電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、ことと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、該電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる、方法。
【請求項２１３】
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することであって、該電流コレクタは０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、ことと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、
該電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる、方法。
【請求項２１４】
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、
該電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる、方法。
【請求項２１５】
約５．５乃至約８．５のｐＨの水において、水から酸素ガスを産生することを含む、請求項１〜２１４のいずれかに記載の方法。
【請求項２１６】
約７．０以下のｐＨの水において、水から酸素ガスを産生することを含む、請求項１〜２１５のいずれかに記載の方法。
【請求項２１７】
前記金属イオン種および陰イオン種は、前記電流コレクタと結合した組成物を形成する、請求項１〜２１６のいずれかに記載の方法。
【請求項２１８】
酸素ガスの触媒産生を本質的に引き起こさせないレベルの電圧の印加によって、前記電流コレクタと結合した前記組成物を形成することを含む、請求項１〜２１７のいずれかに記載の方法。
【請求項２１９】
周期的に酸化および還元される金属イオン種の少なくとも一部分は、それぞれ、前記電極と結合され、該電極から解離される、請求項１〜２１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２２０】
前記第２の電極において、水から水素ガスを産生することをさらに含む、請求項１〜２１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２２１】
前記酸素ガスは、前記第１の電極において産生される、請求項１〜２２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２２】
熱を産生するために前記水素ガスまたは酸素ガスを使用することをさらに含む、請求項１〜２２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２２３】
デバイスに電力供給するために前記水素ガスを使用することをさらに含む、請求項２２０に記載の方法。
【請求項２２４】
化学物質の産生のために前記水素ガスを使用することをさらに含む、請求項２２０に記載の方法。
【請求項２２５】
前記金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項１〜２２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２２６】
前記金属イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の金属イオン種を含む、請求項１〜２２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２２７】
前記第１の種類の金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項１〜２２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２２８】
前記陰イオン種は、リンを含む、請求項１〜２２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２２９】
リンを含む前記陰イオン種は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じかまたは異なることができ、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り、全てが選択的に置換されるか、または選択的に欠けている、請求項１〜２２８のいずれかに記載の方法。
【請求項２３０】
リンを含む前記陰イオン種は、ＰＯ３Ｍｅ−２である、請求項１〜２２９のいずれかに記載の方法。
【請求項２３１】
前記陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物ではない、請求項１〜２３０のいずれかに記載の方法。
【請求項２３２】
前記陰イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の陰イオン種を含む、請求項１〜２３１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３３】
前記第１の種類の陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物を含む、請求項２３２に記載の方法。
【請求項２３４】
前記第２の種類の陰イオン種は、リンを含む、請求項２３２に記載の方法。
【請求項２３５】
前記組成物は、実質的に非晶質である、請求項１〜２３４のいずれかに記載の方法。
【請求項２３６】
前記動的平衡は、前記金属イオン種の前記酸化状態の変化を含む、請求項１〜２３５のいずれかに記載の方法。
【請求項２３７】
前記金属イオン種の前記酸化状態の変化は、（ｎ）から（ｎ＋ｘ）までであり、ｘは、任意の整数である、請求項２３６に記載の方法。
【請求項２３８】
前記組成物は、実質的に金属酸化物および／または金属水酸化物から成っていない、請求項１〜２３７のいずれかに記載の方法。
【請求項２３９】
前記電解質は、陰イオン種を含む、請求項１〜２３８のいずれかに記載の方法。
【請求項２４０】
前記電圧は、約８時間にわたって前記電流コレクタに印加される、請求項１〜２３９のいずれかに記載の方法。
【請求項２４１】
前記電圧は、約１分乃至約２４時間の間にわたって前記電流コレクタに印加される、請求項１〜２４０のいずれかに記載の方法。
【請求項２４２】
前記組成物は、前記電流コレクタと結合した材料の層を形成する、請求項１〜２４１のいずれかに記載の方法。
【請求項２４３】
前記層は、複数の突出粒子を含む、請求項２４２に記載の方法。
【請求項２４４】
前記層の厚さは、前記電圧が前記電流コレクタに印加される時間の長さに依存する、請求項２４２に記載の方法。
【請求項２４５】
前記層は、前記電流コレクタと結合した複数の粒子の合体から形成する、請求項２４２に記載の方法。
【請求項２４６】
前記層は、実質的に一様な厚さを有する、請求項２４２に記載の方法。
【請求項２４７】
前記層は、一様な厚さを有しない、請求項２４２に記載の方法。
【請求項２４８】
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、酸素ガスを触媒的に産生することができる、請求項１〜２４７のいずれかに記載の方法。
【請求項２４９】
前記触媒作用は、ほぼ周囲温度において遂行される、請求項１〜２４８のいずれかに記載の方法。
【請求項２５０】
前記触媒作用は、約３０℃を上回る温度において遂行される、請求項１〜２４９のいずれかに記載の方法。
【請求項２５１】
前記水は、少なくとも１つの不純物を含有する、請求項１〜２５０のいずれかに記載の方法。
【請求項２５２】
前記少なくとも１つの不純物は、ハロゲン化物イオンを含む、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２５３】
前記ハロゲン化物イオンは、塩化物イオンである、請求項２５２に記載の方法。
【請求項２５４】
前記少なくとも１つの不純物は、金属を含む、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２５５】
前記金属は、金属元素、金属イオン、金属元素を含む化合物、または金属イオンを含む陰イオン種である、請求項２５４に記載の方法。
【請求項２５６】
前記金属は、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、カルシウム、水銀、鉛、またはバリウムである、請求項２５４に記載の方法。
【請求項２５７】
前記少なくとも１つの不純物は、有機物質、有機小分子、細菌、医薬品、除草剤、殺虫剤、タンパク質、または無機化合物である、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２５８】
前記無機化合物は、ホウ素、シリコン、硫黄、窒素、シアン化物、リン、またはヒ素を含む、請求項２５７に記載の方法。
【請求項２５９】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、ほぼ同じ活動レベルで動作することが可能である、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６０】
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、前記少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６１】
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６２】
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６３】
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６４】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０００ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６５】
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６６】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６７】
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６８】
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２６９】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２７０】
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２７１】
前記少なくとも１つの不純物は、ガスである、請求項２５１に記載の方法。
【請求項２７２】
前記ガスは、水中で溶解させられる、請求項２７１に記載の方法。
【請求項２７３】
前記ガスは、一酸化炭素である、請求項２７１に記載の方法。
【請求項２７４】
前記ガスは、二酸化炭素である、請求項２７１に記載の方法。
【請求項２７５】
電流コレクタは、金属、金属酸化物、または金属合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜２７４のいずれかに記載の方法。
【請求項２７６】
前記金属、前記金属酸化物、または前記金属合金は、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、またはパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項２７５に記載の方法。
【請求項２７７】
前記電流コレクタは、セラミック、無機伝導性材料、または有機伝導性材料を含む、請求項１〜２７６のいずれかに記載の方法。
【請求項２７８】
前記電流コレクタは、約５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２７７のいずれかに記載の方法。
【請求項２７９】
前記電流コレクタは、約１０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２７８のいずれかに記載の方法。
【請求項２８０】
前記電流コレクタは、約１５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２７９のいずれかに記載の方法。
【請求項２８１】
前記電流コレクタは、約２５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２８０のいずれかに記載の方法。
【請求項２８２】
前記電流コレクタは、約５０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２８１のいずれかに記載の方法。
【請求項２８３】
前記電流コレクタは、約７０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２８２のいずれかに記載の方法。
【請求項２８４】
前記電流コレクタは、約８０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２８３のいずれかに記載の方法。
【請求項２８５】
前記電流コレクタは、約９０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２８４のいずれかに記載の方法。
【請求項２８６】
前記電流コレクタは、約９５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２８５のいずれかに記載の方法。
【請求項２８７】
前記電流コレクタは、約９９重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜２８６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８８】
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズ、酸化フッ素スズ、アンチモンでドープした酸化スズ、アルミニウムでドープした酸化亜鉛、ガラス状炭素、炭素メッシュ、リチウム含有化合物、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜２８７のいずれかに記載の方法。
【請求項２８９】
前記電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間の表面積を有する、請求項１〜２８８のいずれかに記載の方法。
【請求項２９０】
前記電流コレクタは、約１０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜２８９のいずれかに記載の方法。
【請求項２９１】
電流コレクタは、約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜２９０のいずれかに記載の方法。
【請求項２９２】
前記電流コレクタは、約１５０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜２９１のいずれかに記載の方法。
【請求項２９３】
前記電流コレクタは、約２００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜２９２のいずれかに記載の方法。
【請求項２９４】
前記酸素は、ガス状の水から触媒的に産生される、請求項１〜２９３のいずれかに記載の方法。
【請求項２９５】
前記酸素は、液体の水から触媒的に産生される、請求項１〜２９４のいずれかに記載の方法。
【請求項２９６】
前記層は、約１００μｍ未満の厚さを有する、請求項２４５に記載の方法。
【請求項２９７】
前記層は、約１０μｍ未満の厚さを有する、請求項２４５に記載の方法。
【請求項２９８】
前記層は、約１μｍ未満の厚さを有する、請求項２４５に記載の方法。
【請求項２９９】
前記層は、約１００ｎｍ未満の厚さを有する、請求項２４５に記載の方法。
【請求項３００】
前記層は、約１０ｎｍ未満の厚さを有する、請求項２４５に記載の方法。
【請求項３０１】
前記層は、約１ｎｍ未満の厚さを有する、請求項２４５に記載の方法。
【請求項３０２】
前記酸素ガスは、１時間当たり、電極１ｃｍ２当たり１０ｍｍｏｌの酸素の割合で産生される、請求項１〜３０１のいずれかに記載の方法。
【請求項３０３】
前記電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項１〜３０２のいずれかに記載の方法。
【請求項３０４】
前記電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３５ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項１〜３０３のいずれかに記載の方法。
【請求項３０５】
前記電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３２５ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項１〜３０４のいずれかに記載の方法。
【請求項３０６】
前記電極は、約１００％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜３０５のいずれかに記載の方法。
【請求項３０７】
前記電極は、少なくとも約９９％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜３０６のいずれかに記載の方法。
【請求項３０８】
前記電極は、少なくとも約９５％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜３０７のいずれかに記載の方法。
【請求項３０９】
前記電極は、少なくとも約９０％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１〜３０８のいずれかに記載の方法。
【請求項３１０】
前記過電圧は、標準条件下において決定される、請求項１〜３０９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１１】
前記標準条件は、中性ｐＨを伴う電解質、周囲温度、周囲圧力、非多孔質で平面的である電流コレクタ、および約１ｍＡ／ｍ２の幾何学的電流密度を含む、請求項３１０に記載の方法。
【請求項３１２】
前記水素ガスおよび前記酸素ガスから水素を形成することをさらに含む、請求項１〜３１１のいずれかに記載の方法。
【請求項３１３】
前記電極はまた、酸素ガスから水を触媒的に形成することも可能である、請求項１〜３１２のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦支援研究開発に関する記述）
本発明は、次の国立衛生研究所によって与えられた政府契約Ｆ３２ＧＭ０７７８２９０３および全米科学財団によって与えられたＣＨＥ−０５３３１５０の支援下でなされた。政府は、本発明に権利を有する。
【０００２】
（関連出願）
本願は、Ｎｏｃｅｒａらによる米国仮特許出願第６１／０７３，７０１号（名称「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２００８年６月１８日出願）、Ｎｏｃｅｒａらによる米国仮特許出願第６１／０８４，９４８号（名称「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２００８年７月３０日出願）、Ｎｏｃｅｒａらによる米国仮特許出願第６１／１０３，８７９号（名称「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２００８年１０月８日出願）、Ｎｏｃｅｒａらによる米国仮特許出願第６１／１４６，４８４号（名称「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２００９年１月２２日出願）、およびＮｏｃｅｒａらによる米国仮特許出願第６１／１７９，５８１号（名称「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、２００９年５月１９日出願）の優先権を主張し、各出願は、本明細書に参考として援用される
（発明の分野）
本発明は、水の電気分解において使用することができる触媒物質に関し、それは、エネルギー貯蔵、エネルギー変換、酸素および／または水素の産生、および同等のものに使用することができる。本発明はまた、触媒物質、そのような触媒物質と結合した電極、関係する電気化学およびエネルギー貯蔵および送達システム、および生成物送達システムを作製し、使用するための組成物および方法に関する。本発明は、概して、太陽エネルギー、風力エネルギー、および他の再生可能エネルギー源を含むエネルギーの貯蔵および／または転換に大きく影響を及ぼす。
【背景技術】
【０００３】
水の電気分解、つまり、水をその構成元素である酸素ガスと水素ガスとに分解することは、酸素および／または水素ガスの産生のためだけでなく、エネルギー貯蔵のための非常に重要なプロセスである。エネルギーは、水を水素ガスと酸素ガスとに分解する際に消費され、水素ガスと酸素ガスとが水を形成するように再結合させられるとき、エネルギーが放出される。
【０００４】
電気分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「水分解」反応を再編成する結合を効率的に仲介する触媒が必要とされる。Ｏ２／Ｈ２ＯおよびＨ２Ｏ／Ｈ２半電池の標準的な還元電位は、式１および式２によって求められる。
【０００５】
【化１】
2011525217.tif 000003
触媒がこの変換に対して効率的となるためには、触媒は半電池電位Ｅ０によって規定される各半反応の熱力学的に限定的な値の付近で動作しなければならない。所与の触媒活性に達することが要求されるＥ０に加わる電圧は、過電圧と呼ばれ、変換効率を制限するが、この反応における過電圧を低減しようとして、相当な努力が多くの研究者によって尽くされてきた。２つの反応のうち、アノード水の酸化は、より複雑かつ困難と見なされ得る。低い過電圧における良性条件下での水からの酸素ガス産生は、水の電気分解に最大の課題を提示すると考えられ得る。酸素ガスを産生するための水の酸化は、極度の高エネルギー中間体を回避するために、４つの陽子の除去と結びついた４つの電子を除去することを必要とする。多重陽子連結電子転移反応に加えて、場合によっては、触媒はまた、酸化条件への長期暴露に耐えることもできなければならない。
【０００６】
多くの研究者が、水の電気分解を探求してきた。一例として、Ｖ．Ｖ．Ｓｔｒｅｌｅｔｓらは、ほぼアルカリ条件（例えば、８〜１４のｐＨ）下の水中において、回転円盤白金電極、コバルト塩、およびいくつかの実験ではリン酸・ホウ酸緩衝剤を使用して、回転白金円盤に印加された電位を変動させ、ｐＨの関数として触媒波の半電池電位を決定した。Ｓｔｒｅｌｅｔｓは、酸素、および場合によっては過酸化水素の産生を報告している。Ｓｔｒｅｌｅｔｓは、溶液中の触媒作用と、酸性形態での触媒的活性粒子、例えば、水酸化コバルトの形成とを報告している。非特許文献１を参照されたい。Ｓｔｒｅｌｅｔｓは、いくつかの研究で、例えば、光化学オキシダントを使用して、溶液の本体内へ反応を移動させるように努めた。非特許文献２を参照されたい。加えて、Ｓｔｒｅｌｅｔｓは、いくつかの論文で、「水の酸化のための金属錯体触媒を作成するという問題は、依然として解決からは程遠い」と記述している。非特許文献３を参照されたい。
【０００７】
別の例として、Ｓｕｚｕｋｉらに対する特許文献１は、電気分解で使用するために電極上に電析させられる結晶性酸化コバルトを説明している。Ｓｕｚｕｋｉらは、水、塩化ナトリウム、塩素酸塩、または同等物の電気分解で使用するための電極を説明し、とりわけ、電極の塩素発生および酸素発生電位を測定している。
【０００８】
電気分解および他の電気化学反応のための材料および電極を伴う重要な研究がある一方で、改良の有意な余地が残っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第３，３９９，９６６号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｓｔｒｅｌｅｔｓ  ｅｔ  ａｌ．，Ｕｎｉｏｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｐｏｌａｒｏｇｒａｐｈｙ，Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９７８，  ２５６−２５８；およびＳｈａｆｉｒｏｖｉｃｈ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎｏｕｖｅａｕ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｄｅ  Ｃｈｉｍｉｅ，２（３），１９７８，１９９−２０１
【非特許文献２】Ｓｈａｆｉｒｏｖｉｃｈ  ｅｔ  ａｌ．，Ｄｏｋｌａｄｙ  Ａｋａｄｅｍｉｉ  Ｎａｕｋ  ＳＳＳＲ，２５０（５），１９８０，１１９７−１２００；Ｓｈａｆｉｒｏｖｉｃｈ  ｅｔ．ａｌ．，Ｎｏｕｖｅａｕ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｄｅ  Ｃｈｉｍｉｅ，４（２），８１−８４；およびＳｈａｆｉｒｏｖｉｃｈ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎｏｕｖｅａｕ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｄｅ  Ｃｈｉｍｉｅ，６（４），１９８２，１８３−１８６
【非特許文献３】Ｅｆｉｍｏｖ  ｅｔ  ａｌ．，Ｕｓｐｅｋｈｉ  Ｋｈｉｍｉｉ，５７（２），１９８８，２２８−２５３；Ｅｆｉｍｏｖ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｒｅｖｉｅｗｓ，９９，１９９０，１５−５３；およびＳｔｒｅｌｅｔｓ  ｅｔ  ａｌ．，Ｂｕｌｌｅｔｉｎ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，７（４）  １９９１，１７５−１８５
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、水の電気分解のための触媒物質、関連電極、および電気分解のためのシステムに関する。本発明は、驚くべき低い過電圧、有意な効率、中性または中性に近いｐＨで動作することができる、高度に純粋な水源を必ずしも必要としない、または上記のうちの１つ以上の任意の組み合わせである、システムを提供する。本発明の種々の側面の組み合わせは、有意に改善したエネルギー貯蔵、エネルギー使用、ならびに水素および／または酸素の選択的な商業産生において有用である。システムは、再生可能な方法で確実に動作し、低いまたは中程度の費用で作製することができる。本発明の主題は、場合によっては、相関製品、特定の問題の代替解決法、および／または、１つ以上のシステムおよび／または部品の複数の異なる使用法を伴う。
【００１２】
いくつかの実施形態では、本発明は、電極を対象とする。第１の一式の実施形態では、電極は、コバルトイオンと、リンを含む陰イオン種とを含む触媒物質を含む。別の一式の実施形態では、電極は、電流コレクタと、触媒物質にインターフェースする電流コレクタの１ｃｍ２当たり少なくとも約０．０１ｍｇの触媒物質の量で、電流コレクタと結合した触媒物質とを含み、電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である。
【００１３】
いくつかの実施形態では、電極は、触媒物質によって触媒される反応の少なくとも何らかの時点の間に、電極上に吸収または電析される触媒物質を含み、電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である。
【００１４】
別の一式の実施形態では、水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極は、電流コレクタであって、電流コレクタは本質的に白金から成らない、電流コレクタと、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含み、金属イオン種および陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも、少なくとも１０３分の１倍のＫｓｐ値を有する。
【００１５】
さらに別の一式の実施形態では、水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極は、電流コレクタであって、電流コレクタは約０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、電流コレクタと、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含み、金属イオン種および陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも、少なくとも１０３分の１倍のＫｓｐ値を有する。
【００１６】
場合によっては、水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極は、電流コレクタと、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含み、金属イオン種および陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも、少なくとも１０３分の１倍のＫｓｐ値を有し、電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である。
【００１７】
いくつかの実施形態では、本発明は、システムを対象とする。一式の実施形態では、水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムは、電極であって、コバルトイオンと、リンを含む陰イオン種とを含む触媒物質を含む電極を備える。別の一式の実施形態では、水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムは、水と、コバルトイオンと、リンを含む陰イオン種とを含む溶液と、溶液に浸漬された電流コレクタとを備え、システムの使用中に、コバルトイオンの少なくとも一部分、およびリンを含む陰イオン種は、電流コレクタと結合し、電流コレクタから解離する。さらに別の一式の実施形態では、水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムは、電流コレクタと、金属イオン種と、陰イオン種とを含む第１の電極であって、電流コレクタは本質的に白金から成っていない、第１の電極と、第２の電極であって、第２の電極は第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、水を含む溶液とを備え、金属イオン種および陰イオン種は、溶液と動的平衡にある。
【００１８】
場合によっては、水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムは、電流コレクタと、金属イオン種と、陰イオン種とを含む第１の電極であって、電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、第１の電極と、第２の電極であって、第２の電極は第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、水を含む溶液とを備え、金属イオン種および陰イオン種は、溶液と動的平衡にある。他の場合においては、水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムは、電流コレクタと、金属イオン種と、陰イオン種とを含む第１の電極と、第２の電極であって、第２の電極は第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、水を含む溶液とを備え、金属イオン種および陰イオン種は、溶液と動的平衡にあり、第１の電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である。さらに他の場合においては、水の電気分解のためのシステムは、太陽電池と、太陽電池に電気的に接続可能であり、太陽電池によって駆動されることが可能である、水の電気分解のためのデバイスであって、デバイスは、ほぼ周囲条件で水を酸素ガスに触媒的に変換することが可能な電極を備え、電極は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っていない触媒物質を含む、デバイスとを備える。なおもさらに他の場合においては、水の電気分解のためのシステムは、容器と、容器の中の電解質と、容器の中に載置され、かつ電解質と接触している第１の電極であって、第１の電極は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含み、金属イオン種および陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、組成物は、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも、少なくとも１０３分の１倍のＫｓｐ値を有する、第１の電極と、容器の中に載置され、電解質と接触している第２の電極であって、第２の電極は第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、第１の電極および第２の電極を接続するための手段とを備え、電圧が第１の電極と第２の電極との間に印加されると、ガス状の水素が第２の電極において発生し、ガス状の酸素が第１の電極において産生される。
【００１９】
いくつかの実施形態では、本発明は、組成物を対象とする。第１の一式の実施形態では、電極用の組成物は、コバルトイオンと、リンを含む陰イオン種とを含み、リンを含む陰イオン種に対するコバルトイオンの比は、約１０：１乃至約１：１０の間であり、組成物は、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である。別の一式の実施形態では、水からの酸素ガスの形成を触媒することが可能な組成物は、コバルトイオンおよびリンを含む陰イオン種の供給源に電流コレクタの少なくとも１つの表面を暴露するステップと、ある期間にわたって、電流コレクタの表面に近接して、コバルトイオンの少なくとも一部分と、リンを含む陰イオン種とを含む組成物を蓄積させるように、電流コレクタに電圧を印加するステップとを含む、プロセスによって取得可能である。さらに別の一式の実施形態では、水からの酸素ガスの形成を触媒することが可能な組成物は、コバルトイオンおよびリンを含む陰イオン種の供給源に電流コレクタの少なくとも１つの表面を暴露するステップと、ある期間にわたって、電流コレクタの表面に近接して、コバルトイオンの少なくとも一部分と、リンを含む陰イオン種とを含む組成物を蓄積させるために、電流コレクタに電圧を印加するステップとを含む、プロセスによって作製される。
【００２０】
いくつかの実施形態では、本発明は、方法を対象とする。第１の一式の実施形態では、方法は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを産生するステップを含み、水は、不純水源から取得され、電気分解で使用する前であって水源から引き出された後に、その抵抗率を２５％より大きい倍率だけ変化させる方式では浄化されない。別の一式の実施形態では、方法は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを産生するステップを含み、水は、水中で少なくとも１００万分の１倍の量で存在する、触媒反応に実質的に関与しない少なくとも１つの不純物を含む。さらに別の一式の実施形態では、方法は、電気分解で使用する前であって水源から引き出された後に、その抵抗率を２５％より大きい倍率だけ変化させる方式では浄化されない、１６ＭΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する水源からの水を使用して、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを産生するステップを含む。
【００２１】
場合によっては、水から酸素ガスを触媒的に産生する方法は、電解質と、電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む、第１の電極であって、電流コレクタは、本質的に白金から成らない、第１の電極と、第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極とを備える、電気化学システムを提供するステップと、電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させるステップとを含み、金属イオン種および陰イオン種は、金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う、触媒反応に関与する。他の場合においては、水から酸素ガスを触媒的に産生する方法は、電解質と、電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む、第１の電極と、第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極とを備える、電気化学システムを提供するステップと、電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させるステップとを含み、金属イオン種および陰イオン種は、金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う、触媒反応に関与する。さらに他の場合においては、水から酸素ガスを触媒的に産生する方法は、電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む、第１の電極であって、電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、第１の電極と、第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極とを備える、電気化学システムを提供するステップと、電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させるステップとを含み、金属イオン種および陰イオン種は、金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う、触媒反応に関与する。なおもさらに他の場合においては、水から酸素ガスを触媒的に産生する方法は、電解質と、電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む、第１の電極と、第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極とを備える、電気化学システムを提供するステップと、電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させるステップとを含み、金属イオン種および陰イオン種は、金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う、触媒反応に関与し、それにより、電流コレクタと結合し、かつ電流コレクタから解離し、システムは、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを産生するステップを触媒することが可能である。
【００２２】
第１の一式の実施形態では、電極を作製するための方法は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む、溶液を提供するステップと、電流コレクタを提供するステップと、金属イオン種および陰イオン種に、電流コレクタへの電圧の印加によって電流コレクタと結合した組成物を形成させるステップと、金属イオン種および陰イオン種は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である。別の一式の実施形態では、電極を作製するための方法は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む、溶液を提供するステップと、電流コレクタを提供するステップと、金属イオン種および陰イオン種に、電流コレクタへの電圧の印加によって電流コレクタと結合した組成物を形成させるステップと、金属イオン種および陰イオン種は、約５．５乃至約９．５のｐＨで水の電気分解を触媒することができる。
【００２３】
場合によっては、電極を作製するための方法は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む溶液を提供するステップと、電流コレクタを提供するステップであって、電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、ステップと、金属イオン種および陰イオン種に、電流コレクタへの電圧の印加によって電流コレクタと結合した組成物を形成させるステップとを含み、組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる。他の場合においては、電極を作製するための方法は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む溶液を提供するステップと、電流コレクタを提供するステップであって、電流コレクタは０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、ステップと、金属イオン種および陰イオン種に、電流コレクタへの電圧の印加によって電流コレクタと結合した組成物を形成させるステップとを含み、組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる。さらに他の場合においては、電極を作製するための方法は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む溶液を提供するステップと、電流コレクタを提供するステップと、金属イオン種および陰イオン種に、電流コレクタへの電圧の印加によって電流コレクタと結合した組成物を形成させるステップとを含み、組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、電極は少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
概略的であり、一定の縮尺で描かれることを目的としていない添付図面を参照して、本発明の非限定的実施形態を一例として説明する。従来技術を表すものとして示されない限り、図は本発明の側面を表す。図中、図示されたそれぞれの同一またはほぼ同一の構成要素は、典型的には単一の数字によって表される。明確にする目的で、全ての構成要素が全ての図で標識されるわけではなく、また、当業者が本発明を理解することを可能にするために図示が必要ではない場合に、示された本発明の各実施形態の全ての構成要素が標識されるわけでもない。
【図１】図１Ａ−１Ｂは、一実施形態による、電極の形成を図示する。
【図２】図２Ａ−２Ｅは、一実施形態による、電流コレクタ上の触媒物質の形成を図示する。
【図３】図３Ａ−３Ｃは、一実施形態による、触媒物質の動的平衡の非限定的実施形態を図示する。
【図４】図４Ａ−４Ｃは、使用中に、一実施形態による電極の動的平衡中の単一金属イオン種に発生し得る、酸化状態の変化の例の例示的実施例を表す。
【図５】図５は、一実施形態による、ＫＨＣＯ３電解質から成長させられたフィルムのＳＥＭ画像を示す。
【図６】図６は、電解デバイスの非限定的実施例を示す。
【図７】図７は、本発明の電気化学デバイスの非限定的実施例を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、再生燃料電池デバイスの非限定的実施例を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、気体状態の水を採用する電解デバイスの非限定的実施例を図示する。
【図９−１】図９Ａは、一実施形態による、（ｉ）Ｃｏ＋２の非存在下および（ｉｉ）Ｃｏ＋２の存在下での中性リン酸緩剤のサイクリックボルタモグラムを示す。図９Ｂは、図９Ａに示されたボルタモグラムの拡大域を示す。
【図９−２】図９Ｃは、一実施形態において、Ｃｏ２＋を含有する中性リン酸塩電解質におけるバルク電気分解の電流密度プロファイルを示す。図９Ｄは、図９Ｃにおけるのと同様であるが、Ｃｏ＋２の非存在下での電流密度プロファイルを示す。
【図１０】図１０Ａは、非限定的実施形態での触媒物質のＳＥＭ画像を示す。図１０Ｂは、一実施形態による、触媒物質の粉末Ｘ線回折パターンを示す。
【図１１】図１１は、いくつかの実施形態による、触媒物質の厚さと対比した過電圧のグラフを示す。
【図１２】図１２は、非限定的実施例における触媒物質のＸ線光電子分光法を示す。
【図１３−１】図１３Ａは、一実施形態による、１４．５％１８ＯＨ２を含有する中性リン酸塩電解質の中で電極を使用した電気分解中の、同位体で標識された（ｉ）１６，１６Ｏ２、（ｉｉ）１６，１８Ｏ２、および（ｉｉｉ）１８，１８Ｏ２の質量分析検出を示す。図１３Ｂは、図１３Ａからの１８，１８Ｏ２信号の展開を示す。
【図１３−２】図１３Ｃは、実験の間の各同位体の存在率を示す。図１３Ｄは、一実施形態による、（ｉ）蛍光センサによって測定されたＯ２産生、および（ｉｉ）１００％のファラデー効率を仮定して産生されるＯ２の理論量を示す。
【図１４】図１４Ａは、一実施形態による、リン酸緩衝液中の本発明の電極のターフェルプロットを示す。図１４Ｂは、一実施形態による、リン酸塩を含む電解質におけるpHへの電流密度依存を示す。
【図１５】図１５は、（ｉ）ｐＨ８．０の０．１Ｍ  ＭｅＰＯ３中の活性化電極、および（ｉｉ）ｐＨ８．０の０．１Ｍ  ＭｅＰＯ３および０．５Ｍ  ＮａＣｌ中の活性化電極について、時間と対比した、一実施形態における電極の電流密度のグラフを示す。
【図１６】図１６は、一実施形態における、水の電気分解中の（ｉ）Ｏ２、（ｉｉ）ＣＯ２、および（ｉｉｉ）３５Ｃｌの検出の質量分析結果を示す。
【図１７】図１７は、いくつかの実施形態による、２Ｃ／ｃｍ２（上）および６Ｃ／ｃｍ２（下）を通過する時のＭｅＰｉ電解質から成長させられたフィルムのＳＥＭ画像を示す。
【図１８】図１８は、ｐＨ（線）の関数として、Ｈ３ＢＯ３のスペシエーション図の最上部に重ねられた、Ｈ３ＢＯ３／ＫＨ２ＢＯ３電解質のｐＨ（丸）を伴う溶液抵抗の依存度のグラフを示す。
【図１９】図１９は、いくつかの実施形態による、２Ｃ／ｃｍ２（上）および６Ｃ／ｃｍ２（下）を通過する時のＢｉ電解質から成長させられたフィルムのＳＥＭ画像を示す。
【図２０】図２０は、（ｉ）Ｐｉ、（ｉｉ）ＭｅＰｉ、および（ｉｉｉ）Ｂｉから電析させられた触媒物質の粉末Ｘ線回折パターンを示す。
【図２１】図２１は、Ｃｏ−Ｐｉフィルムから着脱された小粒子の縁の（Ａ）明視野および（Ｂ）暗視野ＴＥＭ画像を示す。図２１Ｃは、非限定的実施形態による、触媒物質の非晶質性を示す、回折点がない電子回折像を示す。
【図２２】図２２は、いくつかの実施形態による、ｐＨ７．０の０．１Ｍ  Ｐｉ電解質（●）、ｐＨ８．０の０．１Ｍ  ＭｅＰｉ電解質（■）、およびｐＨ９．２の０．１Ｍ  Ｂｉ電解質（▲）から電析され、かつその中で操作された触媒物質のターフェルプロットを示す。
【図２３】図２３は、作用チャンバ中の０．５Ｍ  Ｃｏ（ＳＯ４）および補助チャンバ中のｐＨ７．０の０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４から開始した、長期電気分解（８時間）後の二区画電池の補助チャンバの写真を示す。
【図２４】図２４は、いくつかの実施形態による、指定された時にオンおよびオフにされた、ＮＨＥと対比した１．３Ｖの電位バイアスを伴う（■）、および印加された電位バイアスを伴わない（●）、電極上のＣｏ−Ｐｉ触媒物質のフィルムから浸出した５７Ｃｏの割合のグラフを示す。
【図２５】図２５は、いくつかの実施形態による、ＮＨＥと対比した１．３Ｖの印加された電位バイアスを伴う電極（■、破線のブロック）上、およびバイアスされていない電極（●、実線のブロック）上の、（Ａ）Ｃｏ−Ｐｉ触媒物質から浸出する３２Ｐ、およびＣｏ−Ｐｉ触媒物質によって取り込まれた３２Ｐを監視する、プロットを示す。
【図２６】図２６は、（Ａ）２つ、（Ｂ）４つ、および（Ｃ）８つの電極アレイの写真を示す。
【図２７】図２７は、いくつかの実施形態による、ＮＨＥと対比した１．３Ｖ（●）、および１．５Ｖ（■）の電位バイアス下の電極、およびバイアスされていない電極（▲）上のＣｏ−Ｘフィルムから浸出した５７Ｃｏの割合のグラフを示す。
【図２８】図２８は、電位バイアスなしで操作されたＣｏ−Ｘフィルムから浸出した５７Ｃｏを監視するグラフを示し、（Ａ）電極は実験の全体を通して溶液の中に残留し、（Ｂ）電極はリン酸塩の添加の前に溶液から除去された。
【図２９】図２９は、ＮＨＥと対比した１．３Ｖの電位バイアスを伴う（■）、およびバイアスを伴わない（●）、１Ｍ  ＫＰｉ（ｐＨ７．０）電解質中で操作されたＣｏ−Ｐｉフィルムから浸出した３２Ｐを監視するグラフを示す。
【図３０】図３０Ａは、（ｉ）開回路電位におけるＣｏ−Ｐｉおよび（ｉｉ）Ｃｏ３Ｏ４の拡張Ｘ線吸収微細構造のフーリエ変換を示す。図３０Ｂは、（ｉ）開電流電位における、および（ｉｉ）１．２５ＶにおけるＣｏ−ＰｉのＸ線吸収端近傍構造スペクトルを示す。
【図３１】図３１Ａは、（ｉ）純水源および（ｉｉ）不純水源を使用して操作された、触媒物質のターフェルプロットを示す。図３１Ｂは、一実施形態による、不純水源を使用して操作された触媒物質について、時間と対比した電流密度のプロットを示す。
【図３２】図３２は、コバルトイオンと、マンガンイオンと、リンを含む陰イオン種とを含む、フィルムのＳＥＭ画像を示す。
【図３３−１】図３３Ａは、ニッケル陰イオンと、ホウ素を含む陰イオン種とを含む、溶液中の電流コレクタの（ｉ）第１および（ｉｉ）第２のＣＶトレース、ならびに（ｉｉｉ）Ｎｉ２＋の非存在下でのＣＶトレースを示す。差し込み図は、この図の拡大図を示す。図３３Ｂは、一実施形態による、ｐＨ９．２の０．１Ｍ  Ｂｉから電析され、かつその中で操作された触媒物質のターフェルプロットを示す。
【図３３−２】図３３Ｃ−Ｅは、種々の倍率における、ニッケル陰イオンと、ホウ素を含む陰イオン種とを含む、触媒物質のＳＥＭ画像を示す。図３３Ｆは、（ｉ）ＩＴＯアノードに対する、および（ｉｉ）ＩＴＯ基板上に電析された、ニッケル陰イオンと、ホウ素を含む陰イオン種とを含む、触媒物質に対する、粉末Ｘ線回折パターンを示す。
【図３３−３】図３３Ｇは、ニッケル陰イオンと、ホウ素を含む陰イオン種とを含む、触媒物質の吸光度スペクトルを示す。図３３Ｈは、一実施形態による、（ｉ）蛍光センサによって測定されたＯ２産生、および（ｉｉ）１００％のファラデー効率を仮定して産生されるＯ２の理論量を示す。
【００２５】
本発明の他の測定、実施形態、および特徴は、添付図面と併せて考慮されると、以下の発明を実施するための形態から明白となるであろう。添付図面は概略的であり、一定の縮尺で描かれることを目的としていない。明確にする目的で、全ての構成要素が全ての図で標識されるわけではなく、また、当業者が本発明を理解することを可能にするために図示が必要ではない場合に、示された本発明の各実施形態の全ての構成要素が標識されるわけでもない。参照することにより本明細書に組み込まれる全ての出願および特許は、それらの全体で参照することにより組み込まれる。矛盾する場合は、規定を含む本明細書が優先する。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、低エネルギー入力（低「過電圧」）で水からの酸素および／または水素の産生（上記の式１、２）を促進する一種の触媒物を提供することによる水の電気分解の画期的飛躍に関する。本発明の効果は多大であり、本発明によって促進される水の電気分解は、エネルギーの貯蔵を含む、多種多様な分野で有用である。本発明は、水素ガスおよび／または酸素ガスへの水の手軽な低エネルギー変換を可能にし、その場合、このプロセスは、標準ソーラーパネル（例えば、太陽電池）、風力発電機、または電気出力を提供する任意の他の電源によって、容易に駆動することができる。ソーラーパネルまたは他の電源は、エネルギーをユーザに直接提供するために使用することができ、および／または、エネルギーは、酸素ガスおよび／または水素ガスの形態で、本発明の材料によって触媒される反応を介して貯蔵することができる。場合によっては、水素および酸素ガスは、例えば、燃料電池を使用して、いつでも再結合させられ得、それにより、それらは水を形成し、機械エネルギー、電気、または同等物の形態で捕捉することができる有意なエネルギーを放出する。他の場合においては、水素および／または酸素ガスは、別のプロセスで、一緒にまたは別個に使用されてもよい。
【００２７】
本発明は、新規の触媒物質および組成物だけでなく、関連電極、デバイス、システム、キット、プロセス等をも提供する。本発明によって提供される電気化学デバイスの非限定的な実施例は、電解デバイスと、燃料電池とを含む。エネルギーは、太陽電池、風力発電機、または他のエネルギー源によって、電解デバイスに供給することができる。これらのデバイスおよび他のデバイスを本明細書で説明する。
【００２８】
本発明によって提供される多くの触媒物質は、容易に入手可能な低費用材料でできており、作製することが容易である。したがって、本発明は、エネルギー捕捉、貯蔵、および使用の分野、ならびに、酸素および／または水素産生、および／または本明細書で説明されるシステムおよび方法を介して取得可能な他の酸素および／または水素含有生成物の産生を劇的に変化させる可能性がある。コバルト等の金属イオン種、およびリンを含む陰イオン種を含む触媒物質の例を以下で説明する。
【００２９】
本明細書の触媒作用のための水の使用の全ての説明においては、水が液体および／または気体状態で提供されてもよいことを理解されたい。使用される水は、比較的純粋であってもよいが、そうである必要はなく、比較的不純な水を使用できることが本発明の１つの利点である。提供される水は、例えば、少なくとも１つの不純物（例えば、塩化物イオン等のハロゲン化物イオン）を含有することができる。場合によっては、デバイスは、水の脱塩に使用されてもよい。本願の大部分は、水からの酸素ガスの触媒形成に焦点を当てているが、これは決して限定的ではなく、本明細書で説明される組成物、電極、方法、および／またはシステムは、本明細書で説明されるように、他の触媒目的で使用されてもよいことを理解されたい。例えば、組成物、電極、方法、および／またはシステムは、酸素ガスからの水の触媒形成に使用されてもよい。
【００３０】
既述のように、本発明のいくつかの実施形態では、水から酸素ガスおよび／または水素ガスを産生し得る触媒物質および電極が提供される。式１で示されるように、水は、酸素ガス、電子、および水素イオンを形成するように分解され得る。必要ではないが、電極および／またはデバイスは、良性条件（例えば、中性または中性に近いｐＨ、周囲温度、周囲圧力等）で操作されてもよい。場合によっては、本明細書で説明される電極は、触媒的に動作する。つまり、電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能であり得るが、電極は、任意の感知可能な程度まで消費されるように、必ずしも関連化学反応に関与しない場合がある。当業者であれば、この文脈での「触媒的に」の意味を理解するであろう。電極はまた、他のガスおよび／または物質の触媒産生に使用されてもよい。
【００３１】
いくつかの実施形態では、本発明の電極は、電流コレクタと、電流コレクタと結合した触媒物質とを備える。本明細書で使用されるような「触媒物質」は、化学電気分解反応の速度に関与し、かつそれを増加させ、それ自体が電気分解の一部として反応するが、大部分は反応自体によって消費されず、複数の化学転換に関与してもよい物質を意味する。触媒物質はまた、触媒および／または触媒組成物と呼ばれ得る。触媒物質は、電気分解反応からの電子を提供および／または受容するバルク電流コレクタ物質であるだけでなく、触媒プロセス中に少なくとも１つのイオンの化学状態の変化を受ける物質でもある。例えば、触媒物質は、触媒プロセス中に１つの酸化状態から別の酸化状態への変化を受ける、金属中心を伴う場合がある。したがって、触媒物質には、本発明に結合した分野では、その通常の意味が与えられる。本明細書の他の説明から理解されるように、本発明の触媒物質は、いくつかの使用中にわずかな量で消費されてもよく、多くの実施形態では、その元の化学状態に再生されてもよい。
【００３２】
いくつかの実施形態では、本発明の電極は、電流コレクタと、電流コレクタと結合した触媒物質とを備える。本明細書で使用されるような「電流コレクタ」には、２つの代替定義が与えられる。本発明の典型的な配設では、触媒物質は、電源または同等物によって産生される電子の形態で電力を受容するために、電流コレクタに電圧および／または電流を印加するための外部回路に接続される電流コレクタと結合した。当業者であれば、この文脈での電流コレクタの意味を理解するであろう。より具体的には、電流コレクタとは、触媒物質と、本発明の反応中または電極の形成中に電流が通って流れる外部回路との間の物質を指す。アノードおよびカソードの両方と、カソードおよび／またはアノードと結合した１つ以上の触媒物質と含む、材料の積層が一緒に提供され、電流コレクタが膜または他の材料によって分離されてもよい場合、各電極（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、それを通って、電流コレクタに接続された触媒物質および外部回路へと、またはそこから電流が流れる材料である。ここまで説明された電流コレクタの場合、電流コレクタは、典型的には、外部回路とは別の物体となり、そのようなものとして、当業者によって容易に識別可能である。電流コレクタは、本明細書で説明されるように、２つ以上の物質を含んでもよい。別の配設では、外部回路に接続されるワイヤは、それ自体で電流コレクタを画定してもよい。例えば、外部回路に接続されるワイヤは、電気分解のための溶液または物質と接触するための触媒物質がその上で吸収される、端部分を有し得る。そのような場合において、電流コレクタは、その上で触媒物質が吸収される、そのワイヤの部分として規定される。
【００３３】
本明細書で使用されるような「触媒電極」は、それに吸収されるか、あるいは（本明細書で規定されるように）電流コレクタと電気的に連通して提供される任意の触媒物質に加えた、電流コレクタである。触媒物質は、金属イオン種と、陰イオン種（および／または他の種）とを含んでもよく、金属イオン種および陰イオン種は、電流コレクタと結合した。金属イオン種および陰イオン種は、水溶液（例えば、電解質または水源）に暴露された時に、本明細書で説明されるように、金属イオン種および陰イオン種が、金属イオン種の酸化状態の変化を通して、および／または水溶液との動的平衡を通して、電流コレクタと結合してもよいように、選択されてもよい。当業者が「触媒電極」と理解するものを説明するために、本明細書で「電極」が使用される場合、上記で規定されるような触媒電極が意図されると理解されたい。
【００３４】
本明細書で使用されるような「電気分解」は、そうでなければ非自発的な化学反応を駆動するための電流の使用を指す。例えば、場合によっては、電気分解は、電流の印加による、少なくとも１つの種のレドックス状態の変化、および／または、少なくとも１つの化学結合の形成および／または破壊を伴ってもよい。本発明によって規定されるような水の電気分解は、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含有種、または水素ガスおよび別の酸素含有種、または組み合わせに分解するステップを伴うことができる。いくつかの実施形態では、本発明のデバイスは、逆反応を触媒することが可能である。つまり、デバイスは、水を産生するように水素および酸素ガス（または他の燃料）を組み合わせることからエネルギーを産生するために使用され得る。
【００３５】
本発明の電極組成物と、電極および組成物を産生するための規定された方法とには、多くの便益がある。例えば、電極は、貴金属（例えば、白金）の使用を低減および／または回避し得、したがって、生産する費用が低くなり得る。電極を形成するための方法は、容易に適合することができ、本明細書で説明されるように、様々なサイズおよび形状の電極を産生するために使用され得る。加えて、規定された方法によって産生される電極は、ロバストおよび超寿命であり得、かつ酸性、塩基性、および／または環境条件（例えば、一酸化炭素の存在）による被毒作用に耐性があり得る。電極被毒は、電気化学デバイスにおける電極の使用を悪化および／または制限する、および／または誤った測定につながる場合がある、電極状態のなんらかの化学的または物理的変化として表され得る。電極被毒は、電極と結合した不要な被覆および／または沈殿物の発生として扱われ得る。例えば、白金触媒はしばしば、一酸化炭素の存在によって被毒される。本発明の電極によって呈される被毒作用への耐性は、本明細書で説明されるようにいくつかの実施形態に従って呈される再生特性によって促進され得る。
【００３６】
図１は、電極の非限定的実施例を図示し、また、本発明の一実施形態による、電極の形成の非限定的実施例も図示する。図１Ａは、電流コレクタ１２と、金属イオン種１６および陰イオン種１８が懸濁されるが、より典型的には溶解させられる、供給源（例えば、水溶液）１４とを備える容器１０を示す。電流コレクタ１２は、太陽電池、風力発電機、配電網、または同等物等の電源（図示せず）を含む回路と電気的に連通２０している。しかしながら、電流コレクタと結合した触媒物質は、本明細書で説明されるように、追加構成要素（例えば、第２の種類の陰イオン種）を含んでもよいことを理解されたい。図１Ｂは、電流コレクタへの触媒物質の結合を引き起こす条件下で、電流コレクタに十分な電圧を印加した時の図１Ａの配設を示す。示されるように、金属イオン種２２および陰イオン種２４は、これらの条件下で電析触媒物質２８を形成するように、電流コレクタ２６と結合する。場合によっては、電流コレクタと結合する時に、金属イオン種は、本明細書で説明されるように、溶液中の金属イオン種と比較して酸化または還元されてもよい。場合によっては、電流コレクタとの金属イオン種の結合は、（ｎ）から（ｎ＋ｘ）への金属イオン種の酸化状態の変化を含んでもよく、ｘは、１、２、３、および同等であってもよい。
【００３７】
触媒物質が、本発明によるこの方法で電流コレクタと結合した場合、それは、典型的には、本明細書で説明されるような適切な条件下で前駆体溶液に暴露し、電圧を印加すると、電流コレクタ表面で固体または固体に近い形態で蓄積する。これらの条件のうちのいくつかは、閾値量の触媒物質が電流コレクタと結合するように、ある期間にわたって、かつある電圧で、電流コレクタを形成条件に暴露することを伴う。本発明の種々の実施形態は、本明細書の他の部分で説明されるように、種々の量のそのような物質を伴う。
【００３８】
本明細書で説明されるような電極は、機能デバイス（例えば、電気分解デバイス、燃料電池、または同等物）に組み込む前に形成されてもよく、または、そのようなデバイスの動作中に形成されてもよい。例えば、場合によっては、電極は、本明細書で説明される方法を使用して形成されてもよい（例えば、電流コレクタを、金属イオン種および陰イオン種を含む溶液に暴露し、それに続いて、電流コレクタに電圧を印加し、金属イオン種および陰イオン種を含む触媒物質を電流コレクタと結合させる）。次いで、電極は、デバイス（例えば、燃料電池）に組み込まれてもよい。別の実施例として、場合によっては、デバイスは、電流コレクタと、金属イオン種および陰イオン種を含む溶液（例えば、電解質）とを備えてもよい。デバイスの動作（例えば、電流コレクタと第２の電極との間の電位の印加）時に、触媒物質（例えば、溶液からの金属イオン種および陰イオン種を含む）が、電流コレクタと結合されてもよく、それにより、デバイスにおける電極を形成する。電極の形成後、電極は、当業者にとって明白となる、所望の媒体の形成および／または使用に応じて、環境の変化（例えば、電極が暴露される溶液または他の媒体の変化）の有無を問わず、本明細書で説明される目的で使用することができる。
【００３９】
理論に制約されることを希望することなく、電流コレクタ上の触媒物質の形成は、以下の実施例に従って続行してもよい。電流コレクタは、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種（Ｍ）（例えば、Ｍｎ）と、陰イオン種（例えば、Ａ−ｙ）とを含む溶液に浸漬されてもよい。電圧が電流コレクタに印加されると、電流コレクタの付近の金属イオン種は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態（例えば、Ｍ（ｎ＋ｘ））まで酸化され得る。酸化金属イオン種は、電極の付近の陰イオン種と相互作用して、実質的に不溶性の錯体を形成し、それにより、触媒物質を形成する。場合によっては、触媒物質は、電流コレクタと電気的に連通していてもよい。このプロセスの非限定的実施例が図２に図示されている。図２Ａは、溶液４２中の（ｎ）の酸化状態を伴う単一の金属イオン種４０を示す。金属イオン種４４は、図２Ｂに図示されるように、電流コレクタ４６の付近にあってもよい。図２Ｃで示されるように、金属イオン種は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う酸化金属イオン種４８に酸化され得、（ｘ）電子５０は、電流コレクタ５２に、または、金属イオン種および／または電流コレクタの付近にあるか、またはそれと結合された別の種に移動させられ得る。図２Ｄは、酸化金属イオン種５６の付近にある単一の陰イオン種５４を図示する。場合によっては、図２Ｅで図示されるように、陰イオン種５８および酸化金属イオン種６０は、電流コレクタ６２と結合して触媒物質を形成してもよい。場合によっては、酸化金属イオン種および陰イオン種は、電極と結合する前に、相互作用して錯体（例えば、塩）を形成してもよい。他の場合においては、金属イオン種および陰イオン種は、金属イオン種の酸化の前に、相互と結合してもよい。他の場合においては、酸化金属イオン種および／または陰イオン種は、電流コレクタと直接、および／または、電流コレクタとすでに結合されている別の種と結合してもよい。これらの場合において、金属イオン種および／または陰イオン種は、（直接、または錯体の形成を介して）電流コレクタと結合し、触媒物質（例えば、電流コレクタと結合した組成物）を形成してもよい。
【００４０】
場合によっては、イオン種（例えば、リン酸塩）を含む溶液に、金属イオン種および／または陰イオン種を含む電流コレクタを浸漬することによって、電極が形成されてもよい（例えば、コバルトイオンを含む電極、コバルトイオンおよび陰イオン種を含む電極、および／または、電流コレクタおよび触媒物質を含む電極であって、触媒物質は、電流コレクタと結合され、コバルトイオンと、水酸化物および／または酸化物イオンとを含む）。金属イオン種（例えば、Ｍｎの酸化状態である）は、酸化されてもよく、および／または、電流コレクタから溶液の中へ解離してもよい。酸化されるか、および／または電流コレクタから解離される金属イオン種は、陰イオン種および／または他の種と相互作用してもよく、かつ電流コレクタと再結合し、それにより触媒物質を再形成してもよい。
【００４１】
上述のように、本発明の一側面は、主に均一溶液ベースの触媒物質として機能するよりもむしろ、主に電流コレクタに結合される、水の電気分解（および／または他の電気化学反応）のための効率的かつロバストな触媒物質を伴う。ここで、本発明の触媒物質を規定することができる金属イオン種および／または陰イオン種を参照して、電流コレクタ「と結合した」、そのような触媒物質を説明する。場合によっては、陰イオン種および金属イオン種は、電流コレクタとの種の結合の前に、同時に、および／または後に、相互と相互作用し、電流コレクタ上に存在するか、あるいは電流コレクタに対して固定化される高度の固体分を伴う触媒物質をもたらしてもよい。この配設では、触媒物質は、種々の程度の電解質または溶液（例えば、材料を種々の量の水で水和することができる）、および／または他の種、充填剤、または同等物を含む、固体となり得るが、電流コレクタと結合した、そのような触媒物質の間の統一的特徴としては、電解質溶液の中で、または溶液からの電流コレクタの除去後に、主に電流コレクタ上に存在するか、または電流コレクタに対して固定化されるものとして、視覚的に、または以下さらに十分に説明される他の技法を通して、それらを観察することができる。
【００４２】
場合によっては、触媒物質は、イオン結合、共有結合（例えば、炭素・炭素、炭素・酸素、酸素・シリコン、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）、水素結合（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／または同様の官能基の間)、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、および同等物等の結合の形成を介して電流コレクタと結合してもよい。電流コレクタとの組成物（例えば、触媒物質）の「結合」は、この説明に基づいて、当業者によって理解されるであろう。いくつかの実施形態では、金属イオン種と陰イオン種との間の相互作用は、イオン相互作用を含んでもよく、金属イオン種は、他の種に直接結合され、陰イオン種は、金属イオン種に直接結合されない対イオンである。具体的実施例では、陰イオン種および金属イオン種がイオン結合を形成し、形成される錯体は塩である。
【００４３】
電流コレクタと結合した触媒物質は、最も頻繁には、本明細書で説明されるような本発明の方法を実行するように電流コレクタと十分に電気的に連通しているように、電流コレクタに対して配設される。本明細書で使用されるような「電気的連通」には、当業者によって理解されるような、その通常の意味が与えられ、それにより、電極が本明細書で説明されるように動作するために十分手軽な方式で、電子が電流コレクタと触媒物質との間を流れることができる。つまり、電荷が電流コレクタと触媒物質（例えば、触媒物質に存在する金属イオン種および／または陰イオン種）との間で移動させられてもよい。
【００４４】
いくつかの実施形態では、触媒物質および電流コレクタは、一体化して接続されてもよい。「一体化して接続される」という用語は、１つ以上の物体または材料を指す時に、通常の使用のプロセス中に相互から分離されない物体および／または材料を意味し、例えば、分離は、少なくとも、道具の使用、および／または、例えば、破壊、剥離、溶解等によって、構成要素のうちの少なくとも１つに損傷を引き起こすことを必要とする。触媒物質の一部分が電流コレクタから解離されてもよい場合（例えば、触媒物質が繰り返し電流コレクタから除去され、電流コレクタと再結合される、動的平衡を伴う触媒プロセスに関与する時）でも、触媒物質は、触媒物質および電流コレクタを備える電極の動作中に、電流コレクタと結合しているか、あるいは電流コレクタと直接電気的に連通していると見なされてもよい。
【００４５】
本発明の一側面は、再生触媒電極の開発を伴う。本明細書で使用されるような、「再生電極」とは、触媒プロセスで、および／または触媒使用設定間の変化のプロセスにわたって使用されるにつれて、組成的に再生されることが可能である電極を指す。したがって、本発明の再生触媒電極は、ある条件下で電極から解離する、電極と結合した（例えば、電極上で吸収される）１つ以上の種を含む電極であり、次いで、これらの種の大部分または実質的に全ては、電極の寿命または使用サイクルの後期時点で、電極と再結合する。例えば、触媒物質の少なくとも一部分は、電極から解離し、電極が暴露される流体中に溶媒和または懸濁され、次いで、電極において再結合（例えば、吸収）されてもよい。解離／再結合は、触媒種が流体中で多かれ少なかれ可溶性である種々の状態（例えば、酸化状態）間で触媒種が循環するにつれて、触媒プロセス自体の一部として発生し得る。電極の使用中、例えば、ほぼまたは本質的に定常状態の使用中の、この現象は、動的平衡として規定することができる。本明細書で使用されるような「動的平衡」とは、金属イオン種および陰イオン種を含む平衡を指し、金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される（本明細書の他の部分で論議されるように）。触媒使用設定間の変化のプロセスにわたる再生は、その周期的性質において有意な遅延を経験する、動的平衡によって規定することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、触媒物質の少なくとも部分が、電極から解離し、有意な反応設定変化の結果として、流体（または溶液および／または他の媒体）中に溶媒和または懸濁され、次いで、後に再結合されてもよい。この文脈での有意な反応設定変化は、電極に印加される電位の有意な変化、電極における有意に異なる電流密度、電極が暴露される流体の有意に異なる特性（または流体の除去および／または変更）、または同等物となり得る。一実施形態では、触媒物質が反応を触媒する触媒条件に電極が暴露され、次いで、触媒反応が有意に減速されるか、または本質的に中断さえされる（例えば、プロセスがオフにされる）ように、電極がその一部である回路が変更され、次いで、システムを元の触媒条件（または触媒作用を推進する同様の条件）に戻すことができ、触媒物質の少なくとも一部分または本質的に全てが、電極と再結合することができる。電極との触媒物質の一部または本質的に全ての再結合は、使用中に、および／または上述のような条件の変化時に生じることができ、および／または、再生電位、電流、温度、電磁放射、または同等物等の再生刺激への触媒物質、電極、または両方の暴露時に生じることができる。場合によっては、再生は、本明細書の他の部分で説明されるような、酸化および／または還元プロセスを伴う動的平衡機構を含んでもよい。
【００４７】
本発明の再生電極は、種々のレベルで触媒種の解離および再結合を呈することができる。一式の実施形態では、電極と結合された少なくとも重量０．１％の触媒物質が、本明細書で説明されるように解離し、他の実施形態では、約０．２５％、約０．５％、約０．６％、約０．８％、約１．０％、約１．２５％、約１．５％、約１．７５％、約２．０％、約２．５％、約３％、約４％、約５％、またはそれ以上もの触媒物質が解離し、一部または全てが、論議されるように再結合する。種々の実施形態では、解離する物質の量のうち、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、少なくとも約９９％、または本質的に全ての物質が再結合する。当業者であれば、この点で物質の解離および再結合の意味を理解し、これらの倍率を測定するための技法（例えば、走査型電子顕微鏡、および／または電極の元素分析、流体の化学分析、電極性能、または任意の組み合わせ）について知っているであろう。さらに、当業者であれば、溶解度および／または触媒反応スクリーニング、または組み合わせを知った上で、これらのパラメータを満たす触媒物質を迅速に選択することができるであろう。具体的実施例として、場合によっては、コバルトイオンと、リンを含む陰イオン種とを含む触媒物質の使用中に、コバルトイオンの少なくとも一部分、およびリンを含む陰イオン種は、周期的に電極に結合し、電極から解離する。
【００４８】
本発明の触媒物質はまた、一般的技術と比べて有意な改良である方法で、様々な使用レベルを通して有意な頑健性を呈し得る。本明細書で説明されるような再生に関係付けられ得る機構を介して、本発明の触媒物質を採用するシステムおよび／または電極は、変化する電源、変化し得る風力、日々のサイクルおよび天候パターンにわたって概して変化する太陽エネルギーによって駆動されるに起因し、頑健性を伴って完全オン／オフサイクルを通過することを含む、印加されたエネルギーの様々な割合で操作されてもよい。具体的には、本発明のシステムおよび／または電極は、システムおよび／または電極に供給される電位および／または電流が、少なくとも約２分の期間から、少なくとも約５分、少なくとも約１０分、少なくとも約２０分、少なくとも約３０分、少なくとも約１時間、少なくとも約２時間、少なくとも約３時間、少なくとも約５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２４時間、またはそれ以上にわたって、ピーク使用電流から、少なくとも約２０％、少なくとも約４０％、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％、または本質的に１００％低減されるように、循環され、少なくとも約５回、少なくとも約１０回、少なくとも約２０回、少なくとも約５０回、またはそれ以上循環されてもよい一方で、システムおよび／または電極の全体的性能（例えば、選択された電流密度での過電圧、酸素ガスの産生、水の産生等）は、わずか約２０％、わずか約１０％、わずか約８％、わずか約６％、わずか約４％、わずか約３％、わずか約２％、わずか約１％、または同等の割合だけ減少する。場合によっては、性能測定は、電極／システムへの電圧／電流の再印加後（例えば、約１分、約５分、約１０分、約３０分、約６０分等にわたって、電圧／電流が電極／システムに再印加された後）に、ほぼ同じ期間に採取されてもよい。
【００４９】
しかしながら、いくつかの実施形態では、酸化状態の変化を呈する全ての金属イオン種および／または陰イオン種が、電流コレクタと解離および再結合するわけではないことを理解されたい。場合によっては、酸化／還元金属イオン種のほんの一部（例えば、約２０％未満、約１５％未満、約１０％未満、約５％未満、約２％未満、約１％未満、またはそれ以下）が、動作中または使用と使用との間に、電流コレクタと解離／結合し得る。
【００５０】
また、当業者であれば、当技術分野への本発明のこの側面（例えば、再生機構）の貢献の重要性を迅速に認識するであろう。特に、標準触媒プロセスに必要であると以前に仮定された条件、および／または本発明による触媒作用に従って説明される条件に暴露される、金属有機、無機、および／または有機金属触媒物質（例えば、高ｐＨにおけるプロセスで使用される金属酸化物および／または水酸化物あるいは他の触媒物質）の場合に、触媒物質および電極の分解は、使用中に、または、特に使用と使用との間に電源を断たれた時に問題となり得ることが知られている。いずれの理論にも制約されることを希望することなく、本発明者らは、再生触媒電極の開発が、本明細書で説明される触媒条件下で十分高い安定性を伴う種の選択、および／または、物質浄化プロセスを伴うと考えられる、電極との物質の再結合がその後に続く、電極からのいくらかの量の触媒物質の損失のプロセスと、この特徴を組み合わせることに関すると考える。再生機構はまた、触媒プロセスにおいて役割を果たさず、触媒作用および／または他の性能特性を阻害する場合がある、補助種の不要な被覆または他の蓄積を阻害してもよい。
【００５１】
本発明の再生電極はまた、それらの再生特性と関連する強力かつ驚異的な性能も呈する。したがって、種々の実施形態では、本発明の再生触媒電極は、良好な長期頑健性を有するだけでなく、その使用の有意な変化時にさえも、驚くほど良好な安定性を示す。有意な使用変化は、電極およびその対応する触媒作用システムがオン状態からオフ状態に切り替えられること、または使用プロファイルの他の有意な変化を伴うことができる。これは、風力または太陽エネルギー、潮力捕捉等のエネルギー源によって駆動されるプロセスで電極が使用され、エネルギー源（例えば、風の強度または日光の強度）の変化が劇的に異なり得る場合に、特に重要となり得る。そのような状況では、本発明の電極は時折、本質的に全能力をあげて動作し、時折、電源を切られてもよい（例えば、電極が存在する電気回路が「開」位置にある場合）。本発明の電極は、触媒作用に対する最高能力で、またはその近くで、すなわち、最高触媒作用率で操作され、次いで、電源が切られ（「開回路」）、これが少なくとも１０回繰り返されると、電極が、性能の約１０％未満、約５％未満、約４％未満、約３％未満、約２％未満、約１％未満、約０．５％未満、または約０．２５％の損失を呈するように、頑健性を呈する。この場合、全ての他の条件が全ての試験の間で本質的に同一である状態で、特定の設定過電圧における電流密度として性能を測定することができる。当然ながら、電極は、必ずしも本質的全能力とオフとの間で切り替えられる必要はないが、本発明の電極は、このように扱われる時に、あるレベルの頑健性を呈することができる。
【００５２】
場合によっては、電極は、閉鎖システムにおいて、本明細書で説明されるような再生が可能であり得る。つまり、電極は、電極の再生を補助および／または支援する任意の物質の除去および／または添加を伴わずに、再生が可能であり得る。代替として、そのような物質の除去および／または添加は、種々の実施形態では、例えば、そのような物質のわずか約１ｗ％、またはわずか約２ｗ％、４ｗ％、６ｗ％、１０ｗ％、またはそれ以上等の、少量でしかない。例えば、電極が再生触媒物質を含む場合において、触媒物質は、そのような閉鎖システムにおいて触媒物質に含まれる構成要素（例えば、触媒物質がこれらの物質から成る場合は、金属イオン種および／または陰イオン種）のうちのいずれかの添加、または種々の実施形態において上記で説明される量にすぎない量での１つのまたはそのような構成要素の添加を伴わずに、再生が可能であってもよい。しかしながら、本明細書で使用されるような「閉鎖システム」は、触媒物質を規定しないか、または触媒物質を規定するようにシステム内で反応することができない種の添加または除去を除外しないことを理解されたい。例えば、追加燃料および／または水が、そのようなシステムに提供されてもよい。
【００５３】
多くの場合において、触媒物質には、一般に、不安定性という問題がある。理想的には、水の電気分解、アンモニア産生、重合、炭化水素クラッキング、または他のプロセスに使用される多くの触媒物質、具体的には、金属中心レドックス触媒物質である触媒物質は、レドックスプロセス自体によって不安定となり得る。例えば、触媒物質に含有される金属中心が、レドックス状態（金属中心の変化の異なる状態）を介して転換される場合、触媒プロセスに固有のこれらのレドックス状態のうちの１つ以上で、金属中心および周辺原子は、不安定であり得、かつ様々な程度で分解し得る。この特徴は、種々の目的で安定した触媒物質を開発するために重要な研究を後押ししてきた。しかしながら、触媒作用の多くの分野において、不安定性は重要な課題のままである。
【００５４】
本発明の原理は、少なくとも１つのレドックス状態において、触媒物質が、触媒作用の特定の条件下で所望されるよりも安定していない本質的に任意のレドックス活性触媒物質に結合した安定性を増加させるために使用することができる。例えば、電極または他の基板と結合した、本質的に固定形態で望ましくは使用される触媒物質の場合、触媒サイクル中に、金属中心レドックス状態のうちの１つ以上における触媒物質が、それが暴露される媒体中で感知可能に可溶性であると、触媒物質は、触媒物質から移動し、多くの場合においては、欠失し得る。本発明に関連して、陰イオン種等の種は、触媒物質に含まれる金属イオン種のＫｓｐ特性に基づいて選択することができ、その場合、陰イオン種は、溶解よりもむしろ触媒物質の電析を推進する。陰イオン種は、経路を確立するように選択することができ、それを通して、そのレドックス状態のうちの１つの間に可溶化される触媒物質（例えば、金属イオン種）は、溶解度が低く、触媒物質を電極または他の基板で維持させるか、またはそこへ戻す形態への転換により、添加された陰イオン種によって捕捉される。このように、サイクルを確立することができ、金属イオン種は、触媒的に効果的であるが、そのレドックス状態のうちの１つにおいて可溶化されることによって、周辺媒体に失われるよりもむしろ、さらなる触媒活性のために電極に戻されるサイクルに関与する。本明細書の教示に基づいて、当業者であれば、このような再生のための特定の触媒物質に対する好適な陰イオン種または他の添加物を選択できるであろう。
【００５５】
いくつかの実施形態では、動的平衡は、周期的に酸化および還元されている金属イオン種の少なくとも一部分を含んでもよく、それにより、金属イオン種は、それぞれ、電流コレクタと結合され、および電流コレクタから解離される。本発明に従って発生することができるが、かならずしも発生する必要はない動的平衡（または再生機構）の実施例が、図３に図示されている。図３Ａは、電流コレクタ８０と、金属イオン種８４および陰イオン種８６を含む触媒物質８２とを備える電極を図示する。動的平衡が図３Ｂ―３Ｃに図示されている。図３Ｂは、同じ電極を示し、金属イオン種８８および陰イオン種９０の一部分が電流コレクタ９２から解離している。図３Ｃは、電流コレクタから解離した金属イオン種および陰イオン種（例えば、９４）の一部分が電流コレクタ９６と再結合している、ある後期時点での同じ電極を示す。加えて、異なる金属イオン種および陰イオン種（例えば、９８）が、電流コレクタから解離している。金属イオン種および陰イオン種は、繰り返し電流コレクタと解離および結合することができる。例えば、同じ金属イオン種および陰イオン種が、電流コレクタと解離および結合してもよい。他の場合においては、金属イオン種および／または陰イオン種は、一度だけ電流コレクタと解離および／または結合してもよい。第２の単一金属イオン種が電極から解離するのと同時に、単一金属イオン種が電流コレクタと結合してもよい。同時に、および／または電極の寿命以内に、解離および／または結合してもよい単一金属イオン種および／または単一陰イオン種の数には、数値の限定がない。
【００５６】
金属イオン種および／または陰イオン種が可溶化され得る溶液が、過渡的に存在してもよい（例えば、溶液は、電極の動作および／または形成全体の間に、必ずしも電流コレクタと接触していない場合がある）ことを理解されたい。例えば、水が気体状態で電極に提供される場合において、いくつかの実施形態では、溶液は、電極および／または電解質の表面上の過渡的に形成された水分子および／または水滴から成ってもよい。電解質が固体である他の場合においては、電解質に加えて（例えば、電極および／または固体電解質の表面上の水滴）、または燃料と組み合わせて（例えば、水）、溶液が存在してもよい。電極は、固体電解質／気体燃料、流体電解質／気体燃料、固体電解質／流体燃料、流体電解質／流体燃料、またはそれらの任意の組み合わせを併用して操作されてもよい。
【００５７】
いくつかの実施形態では、溶液中の金属イオン種が、（ｎ）の酸化状態を有してもよい一方で、電流コレクタと結合した金属イオン種は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を有してもよく、ｘは任意の整数である。酸化状態の変化は、電流コレクタ上の金属イオン種の結合を促進し得る。それはまた、酸素ガスを形成する水の酸化、または他の電気化学反応を促進し得る。動的平衡にある単一金属イオン種の周期的に酸化および還元された酸化状態は、式３に従って表され得る。
【００５８】
Ｍｎ≪Ｍ（ｎ＋ｘ）＋ｘ（ｅ−）                                      （３）
式中、Ｍは、金属イオン種であり、ｎは、金属イオン種の酸化状態であり、ｘは、酸化状態の変化であり、ｘ（ｅ−）は、電子の数であり、ｘは、任意の整数であってもよい。場合によっては、金属イオン種は、さらに酸化および／または還元され得る（例えば、金属イオン種は、Ｍ（ｎ＋１）、Ｍ（ｎ＋２）等の酸化状態を得てもよい）。
【００５９】
動的平衡中に単一金属イオン種に発生し得る酸化状態の変化の例示的実施例が、図４に示されている。図４Ａは、電流コレクタ１００、および（ｎ）の酸化状態の単一金属イオン種１０２（例えば、Ｍｎ）を図示する。金属イオン種１０２は、図４Ｂに示されるように、（ｎ＋１）の酸化状態を伴う金属イオン種１０４（例えば、Ｍ（ｎ＋１））に酸化され、電流コレクタ１０６と結合し得る。この時点で、金属イオン種（例えば、Ｍ（ｎ＋１））は、電流コレクタ１０６から解離し得、および／または、酸化状態のさらなる変化を受け得る。場合によっては、図４Ｃに示されるように、金属イオン種は、（ｎ＋２）の酸化状態を伴う単一金属イオン種１０８（例えば、Ｍ（ｎ＋２））にさらに酸化され得、かつ電流コレクタと結合されたままであり得る（または電流コレクタから解離し得る）。この時点で、金属イオン種１０８（例えば、Ｍ（ｎ＋２））は、（例えば、水または別の反応構成要素）から電子を受け取ってもよく、かつ（ｎ）または（ｎ＋１）の還元した酸化状態を伴う金属イオン種（例えば、Ｍ（ｎ＋１）、１０６、またはＭｎ、１０２）を形成するように還元されてもよい。他の場合において、金属イオン種１０６（例えば、Ｍ（ｎ＋１））は、還元され、酸化状態（ｎ）の金属イオン種（例えば、Ｍｎ、１０２）を再形成してもよい。酸化状態（ｎ）の金属イオン種は、電流コレクタと結合されたままであってもよく、または電流コレクタから解離してもよい（例えば、溶液の中へ解離する）。
【００６０】
当業者であれば、金属イオン種および／または陰イオン種が動的平衡にあるか否か、および／または電極が再生式であるか否かを決定するために、好適なスクリーニング検査を使用できるであろう。例えば、場合によっては、動的平衡は、金属イオン種および／または陰イオン種の放射性同位体を使用して決定されてもよい。そのような場合において、電流コレクタと、放射性同位体を含む触媒物質とを備える電極が作成されてもよい。電極は、非放射性種を含む電解質の中に配置されてもよい。触媒物質は、電流コレクタから解離してもよく、したがって、溶液は、陰イオン種および／または金属イオン種の放射性同位体を含んでもよい。これは、放射性同位体に対する電解質のアリコートを分析することによって決定されてもよい。電流コレクタに電圧を印加すると、金属イオン種および陰イオン種が動的平衡にある場合において、金属イオン種の放射性同位体は、電流コレクタと再結合し得る。電解質のアリコートは、電圧の印加後の種々の時点で電解質の中に存在する、放射性同位体の量を決定するように分析され得る。金属イオン種および陰イオン種が動的平衡にある場合、溶液中の放射性同位体の割合は、放射性同位体が電流コレクタと再結合するにつれて、時間とともに減少し得る。非限定的な実施例については、実施例１８を参照されたい。このスクリーニング技法は、触媒物質がどのように機能し得るかを決定するため、および本発明に好適な触媒物質として使用することができる物質を選択するための両方に使用することができる。
【００６１】
好適な触媒物質を選択するために有用であるさらなる技法が続く。理論に制約されることを希望することなく、陰イオン種および酸化金属イオン種を含む物質の溶解度は、電流コレクタとの金属イオン種および／または陰イオン種の結合に影響を及ぼし得る。例えば、（ｃ）陰イオン種の数および（ｂ）酸化金属イオン種の数によって形成される物質が、溶液中で実質的に不溶性である場合、物質は、電流コレクタと結合するように影響を及ぼされ得る。
【００６２】
この非限定的実施例は、式４に従って表され得る。
【００６３】
ｂ（Ｍ（ｎ＋ｘ））＋ｃ（Ａ−ｙ）≪｛［Ｍ］ｂ［Ａ］ｃ｝（ｂ＋（ｎ＋ｘ）−Ｃ（ｙ））（ｓ）        
（４）
式中、Ｍ（ｎ＋ｘ）は、酸化金属イオン種であり、Ａ−ｙは、陰イオン種であり、｛［Ｍ］ｂ［Ａ］ｃ｝（ｂ＋（ｎ＋ｘ）−Ｃ（ｙ））は、形成された触媒物質の少なくとも一部分であり、ｂおよびｃは、それぞれ、金属イオン種および陰イオン種の数である。したがって、平衡は、増加した量の陰イオン種の存在によって、触媒物質の形成に向かって駆動され得る。場合によっては、電流コレクタを包囲する溶液は、電流コレクタと結合した触媒物質の形成に向かって平衡を駆動するように、本明細書で説明されるような過度の陰イオン種を含んでもよい。しかしながら、ほとんどの場合、追加構成要素が触媒物質に存在し得る（例えば、第２の種類の陰イオン種）ので、触媒物質は、必ずしも式｛［Ｍ］ｂ［Ａ］ｃ｝（ｎ＋ｘ−ｙ）によって規定される物質から成るわけではないことを理解されたい。しかしながら、（例えば、Ｋｓｐに関して）本明細書で説明されるガイドラインは、触媒物質の形成および／または安定化に役立ち得る相補的陰イオン種および金属イオン種を選択するための情報を提供する。場合によっては、触媒物質は、金属イオン種と陰イオン種との間の少なくとも１つの結合（例えば、コバルトイオンとリンを含む陰イオン種との間の結合）を含んでもよい。
【００６４】
ここで、本発明で使用するための金属イオン種および陰イオン種の選択をさらに詳細に説明する。本明細書で説明される基準を満たす多種多様なそのような種のうちのいずれかを使用することができ、本明細書で説明される触媒反応に関与する限り、それらは、酸化／還元反応、電流コレクタからの周期的結合／解離等に関して、必ずしも本願で説明される態様で挙動する必要があるわけではないことを理解されたい。しかし多くの場合において、本明細書で説明されるように選択される金属イオンおよび陰イオン種は、本明細書で説明される酸化／還元および溶解度理論のうちの１つ以上に従って挙動する。いくつかの実施形態では、金属イオン種（Ｍｎ）および陰イオン種（Ａ−ｙ）は、以下の特性を呈するように選択されてもよい。ほとんどの場合、金属イオン種および陰イオン種は、水溶液中で可溶性となる。加えて、金属イオン種は、例えば、（ｎ）の酸化状態を伴う酸化形態で提供されてもよく、（ｎ）は、１、２、３、またはそれより大きく、すなわち、場合によっては、金属イオン種は、（ｎ）よりも大きい少なくとも１つの酸化状態、例えば、（ｎ＋１）および／または（ｎ＋２）を得ることができる。
【００６５】
当業者に公知となるような溶解度積定数Ｋｓｐは、種を含む組成物と溶液中のそれらの各イオンとの間の平衡のために規定される簡易平衡定数であり、式５に示される平衡に基づいて、式６に従って規定され得る。
【００６６】
｛ＭｙＡｎ｝（ｓ）≪ｙ（Ｍ）ｎ（ａｑ）＋ｎ（Ａ）−ｙ（ａｑ）            （５）
Ｋｓｐ＝［Ｍ］ｙ［Ａ］ｎ                                        （６）
式５および６では、Ｍは、（ｎ）の電荷を伴う金属イオン種であり、Ａは、（−ｙ）の電荷を伴う陰イオン種である。固体錯体ＭｙＡｎは、可溶化金属イオン種および陰イオン種に解離し得る。式６は、溶解度積定数の式を示す。当業者に公知となるように、溶解度積定数値は、水溶液の温度に応じて変化し得る。したがって、電極の形成のために金属イオン種および陰イオン種を選択する時、溶解度積定数は、電極が形成および／または操作される温度において決定されるべきである。加えて、固体錯体の溶解度は、ｐＨに応じて変化してもよい。この効果は、金属イオン種および陰イオン種の選択に溶解度積定数を適用する時に、考慮されるべきである。
【００６７】
多くの場合、金属イオン種および陰イオン種は、一緒に選択される。例えば、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む組成物が、水溶液中で可溶性であるように、該組成物は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む、組成物の溶解度積定数よりも大きい、溶解度積定数を有する。つまり、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む、組成物は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む、組成物に対するＫｓｐよりも実質的に大きい、Ｋｓｐ値を有してもよい。例えば、陰イオン種と、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種（例えば、Ｍｎ）とを含む組成物のＫｓｐ値が、陰イオン種と、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種（例えば、Ｍ（ｎ＋ｘ））とを含む組成物のＫｓｐ値よりも、少なくとも約１０、少なくとも約１０２、少なくとも約１０３、少なくとも約１０４、少なくとも約１０５、少なくとも約１０６、少なくとも約１０８、少なくとも約１０１０、少なくとも約１０１５、少なくとも約１０２０、少なくとも約１０３０、少なくとも約１０４０、少なくとも約１０５０、および同等倍だけ大きいように、金属イオン種および陰イオン種が選択されてもよい。これらのＫｓｐ値が実現されると、触媒物質は、電極または電流コレクタ結合物質としての機能を果たす可能性が高くてもよい。
【００６８】
場合によっては、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む、組成物等の触媒物質は、約１０−３から約１０−５０の間のＫｓｐを有してもよい。場合によっては、この組成物の溶解度定数は、約１０−４乃至約１０−５０の間、約１０−５乃至約１０−４０の間、約１０−６乃至約１０−３０の間、約１０−３乃至約１０−３０の間、約１０−３乃至約１０−２０の間、および同等であってもよい。場合によっては、溶解度定数は、約１０−３未満、約１０−４未満、約１０−６未満、約１０−８未満、約１０−１０未満、約１０−１５未満、約１０−２０未満、約１０−２５未満、約１０−３０未満、約１０−４０未満、約１０−５０未満、および同等であってもよい。場合によっては、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む組成物は、約１０−３よりも大きい、約１０−４よりも大きい、約１０−５よりも大きい、約１０−６よりも大きい、約１０−８よりも大きい、約１０−１２よりも大きい、約１０−１５よりも大きい、約１０−１８よりも大きい、約１０−２０よりも大きい、および同等の溶解度積定数を有してもよい。特定の実施形態では、（ｎ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む組成物が、約１０−３乃至約１０−１０の間のＫｓｐ値を有し、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含む組成物が、約１０−１０未満のＫｓｐ値を有するように、金属イオン種および陰イオン種を含む組成物が選択されてもよい。水溶液中で可溶性となり、好適な範囲のＫｓｐ値を有することができる、金属イオン種および陰イオン種の非限定的実施例は、Ｃｏ（ＩＩ）／ＨＰＯ４−２、Ｃｏ（ＩＩ）／Ｈ２ＢＯ３−、Ｃｏ（ＩＩ）／ＨＡｓＯ４−２、Ｆｅ（ＩＩ）／ＣＯ３−２、Ｍｎ（ＩＩ）／ＣＯ３−２、およびＮｉ（ＩＩ）／Ｈ２ＢＯ３−を含む。場合によっては、これらの組み合わせは、加えて、少なくとも第２の種類の陰イオン種、例えば、酸化物および／または水酸化物イオンを含んでもよい。電流コレクタを形成する組成物は、選択された金属イオン種および陰イオン種、ならびに追加構成要素（例えば、酸素、水、水酸化物、対カチオン、対アニオン等）を含んでもよい。
【００６９】
既述のように、電極は、溶液からの触媒物質の電析によって形成することができる。電流コレクタとの触媒物質の適正な結合により、電極が適正に形成されているか否かは、適正な金属イオン種および／または陰イオン種を選択するためと、当然ながら、適切な電極が形成されているか否かを決定するためとの両方で、監視するために重要であり得る。電極は、種々の手順を使用して形成されていると決定されてもよい。場合によっては、電流コレクタ上の触媒物質の形成が観察されてもよい。物質の形成は、人間の目によって、顕微鏡等の拡大装置の使用によって、または他の器具を介して観察されてもよい。１つの場合において、適切な対極および他の構成要素（例えば、回路、電源、電解質）と併せた、電極への電圧の印加は、電極が水に暴露された時に、システムが電極において酸素ガスを産生するかどうかを決定するように実行されてもよい。場合によっては、電極において酸素ガスを形成させる、電極に印加される最小電圧は、電流コレクタのみからガスを形成するために必要とされる電圧とは異なってもよい。場合によっては、電極に必要とされる最小電圧は、電流コレクタのみに必要とされる電圧より小さくなる（すなわち、過電圧は、電流コレクタのみに対するよりも、電流コレクタおよび触媒物質の両方を含む電極に対して小さくなる）。
【００７０】
触媒物質（および／または触媒物質を含む電極）はまた、性能に関して特徴付けられ得る。多数の中でも、これを行う１つの方法は、電流コレクタのみと対比して、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、以下でさらに十分に説明され、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）および同等物を含むことができる。電流コレクタは、水の電気分解において、それ自体が触媒電極として機能することが可能であってもよく、そうするために過去に使用されてきた場合がある。よって、電流コレクタおよび触媒物質の両方を含む電極を使用した本質的に同一の条件（同じ対極、同じ解質、同じ外部回路、同じ水源等を伴う）と比較した、電流コレクタを使用した水の触媒電気分解（電極が水から酸素ガスを触媒的に産生する）中の電流密度を比較することができる。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も大きくなり、その場合、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、および同等の倍率だけ電流コレクタの電流密度を超えてもよい。特定の場合において、電流密度の違いは、少なくとも約１０５である。いくつかの実施形態では、電極の電流密度は、約１０４乃至約１０１０の間、約１０５乃至約１０９の間、または約１０４乃至約１０８、および同等の倍率だけ電流コレクタの電流密度を超えてもよい。電流密度は、本明細書で説明されるように、幾何学的電流密度または総電流密度であってもよい。
【００７１】
この特徴、すなわち、電流コレクタのみと比較した、電極（電流コレクタと、電流コレクタと結合された触媒物質とを備える）の有意に増加した触媒活性は、触媒電極の形成を監視するために使用されてもよい。つまり、電流コレクタ上の触媒物質の形成も、ある期間にわたって電流密度を監視することによって観察され得る。電流密度は、ほとんどの場合、電流コレクタへの電圧の印加中に増加する。場合によっては、電流密度は、ある期間（例えば、約２時間、約４時間、約６時間、約８時間、約１０時間、約１２時間、約２４時間、および同等）後に停滞状態に達し得る。
【００７２】
本発明の触媒物質の一部分として有用な金属イオン種は、本明細書で説明されるガイドラインに従って選択される任意の金属イオンであってもよい。ほとんどの実施形態では、金属イオン種は、少なくとも（ｎ）および（ｎ＋ｘ）の酸化状態を得ることができる。場合によっては、金属イオン種は、（ｎ）、（ｎ＋１）、および（ｎ＋２）の酸化状態を得ることができる。（ｎ）は、任意の整数であってもよく、０、１、２、３、４、５、６、７、８、および同等を含むが、それらに限定されない。場合によっては、（ｎ）は、ゼロではない。特定の実施形態では、（ｎ）は、１、２、３、または４である。（ｘ）は、任意の整数であってもよく、０、１、２、３、４、および同等を含むが、それらに限定されない。特定の実施形態では、（ｘ）は、１、２、または３である。金属イオン種の非限定的実施例は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｈｇ、および同等物を含む。場合によっては、金属イオン種は、ランタニドまたはアクチニド（例えば、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ等）であってもよい。特定の実施形態では、金属イオン種は、Ｃｏ（ＩＩ）、Ｃｏ（ＩＩＩ）、または同等物の形態の触媒物質として提供されてもよい、コバルトイオンを含む。いくつかの実施形態では、金属イオン種は、Ｍｎではない。金属イオン種は、金属化合物として（例えば、溶液に）提供されてもよく、金属化合物は、金属イオン種および対アニオンを含んでもよい。例えば、金属化合物は、酸化物、硝酸塩、水酸化物、炭酸塩、亜リン酸塩、リン酸塩、亜硫酸塩、硫酸塩、トリフラート、および同等物であってもよい。
【００７３】
本発明の触媒物質として使用するために選択される陰イオン種は、本明細書で説明されるような金属イオン種と相互作用すること、および説明されるような閾値触媒要件を満たすことができる任意の陰イオン種であってもよい。場合によっては、陰イオン化合物は、水素イオン、例えば、Ｈ２ＰＯ４−またはＨＰＯ４−２を受け取るか、および／または提供することが可能であってもよい。陰イオン種の非限定的実施例は、リン酸塩の形態（Ｈ３ＰＯ４またはＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２またはＰＯ４−３）、硫酸塩の形態（Ｈ２ＳＯ４またはＨＳＯ４−、ＳＯ４−２）、炭酸塩の形態（Ｈ２ＣＯ３またはＨＣＯ３−、ＣＯ３−２）、ヒ酸塩の形態（Ｈ３ＡｓＯ４またはＨＡｓＯ４−２、Ｈ２ＡｓＯ４−２またはＡｓＯ４−３）、亜リン酸塩の形態（Ｈ３ＰＯ３またはＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２またはＰＯ３−３）、亜硫酸塩の形態（Ｈ２ＳＯ３またはＨＳＯ３−、ＳＯ３−２）、ケイ酸塩の形態、ホウ酸塩の形態（例えば、Ｈ３ＢＯ３、Ｈ２ＢＯ３−、ＨＢＯ３−２等）、硝酸塩の形態、亜硝酸塩の形態、および同等物を含む。
【００７４】
場合によっては、陰イオン種は、ホスホン酸塩の形態であってもよい。ホスホン酸塩は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含む化合物であり、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じまたは異なることができ、全て選択的に置換される、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るか、または選択的に欠けている（例えば、化合物が陰イオンまたは２価陰イオン等であるように）。特定の実施形態では、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じまたは異なることができ、全て選択的に置換される、Ｈ、アルキル、またはアリールである。ホスホン酸塩の非限定的実施例は、ＰＯ（ＯＨ）２Ｒ１の形態（例えば、ＰＯ２（ＯＨ）（Ｒ１）−、ＰＯ３（Ｒ１）−２）であり、Ｒ１は、上記で規定される通りである（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）。特定の実施形態では、ホスホン酸塩は、ホスホン酸メチル（ＰＯ（ＯＨ）２Ｍｅ）またはホスホン酸フェニル（ＰＯ（ＯＨ）２Ｐｈ）の形態であってもよい。リン含有陰イオン種の他の非限定的実施例は、ホスフィン酸塩（例えば、Ｐ（ＯＲ１）Ｒ２Ｒ３）および亜ホスホン酸塩（例えば、Ｐ（ＯＲ１）（ＯＲ２）Ｒ３）の形態を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、上記で説明される通りである。他の場合において、陰イオン種は、Ｒ１ＳＯ２（ＯＲ２））、ＳＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）、ＣＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）、ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）、ＡｓＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）といった化合物のうちのいずれか１つの形態を含んでもよく、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、上記で説明される通りである。上記で論議される陰イオン種に関して、当業者であれば、陰イオン種に対する適切な置換基を決定することができるであろう。置換基は、触媒物質の特性および触媒物質と関連する反応を調節するように選択されてもよい。例えば、置換基は、陰イオン種および金属イオン種を含む組成物の溶解度定数を改変するように選択されてもよい。
【００７５】
いくつかの実施形態では、陰イオン種は、良好な陽子受容種であり得る。本明細書で使用されるような、「良好な陽子受容種」とは、特定ｐＨレベルで良好な塩基の役割を果たす種である。例えば、種は、第１のｐＨでは良好な陽子受容種、第２のｐＨでは不良な陽子受容種であってもよい。当業者であれば、この文脈で良好な塩基を識別することができるであろう。場合によっては、良好な塩基は、共役酸のｐＫａが溶液中の陽子供与体のｐＫａよりも大きい化合物であってもよい。具体的実施例として、ＳＯ４−２は、約ｐＨ２．０では良好な陽子受容種、約ｐＨ７．０では不良な陽子受容種であってもよい。種は、共役酸のｐＫａ値に関する良好な塩基の役割を果たしてもよい。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、約ｐＨ７．２に関する良好な塩基の役割を果たしてもよい。場合によっては、種は、共役酸のｐＫａ値を上回るか、および／または下回るか、少なくとも約４ｐＨ単位、約３ｐＨ単位、約２ｐＨ単位、または約１ｐＨ単位のｐＨレベルを伴う溶液中の良好な塩基の役割を果たしてもよい。当業者であれば、陰イオン種が良好な陽子受容種であるｐＨレベルを決定することができるであろう。
【００７６】
陰イオン種は、陰イオン種および対カチオンを含む陰イオン化合物として提供されてもよい。対カチオンは、任意の陽イオン種、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＋、および同等物であってもよい。具体的実施形態では、採用される陰イオン化合物は、Ｋ２ＨＰＯ４であってもよい。
【００７７】
触媒物質は、種々の比（相互に対する量）で金属イオン種および陰イオン種を含んでもよい。場合によっては、触媒物質は、約２０：１未満、約１５：１未満、約１０：１未満、約７：１未満、約６：１未満、約５：１未満、約４：１未満、約３：１未満、約２：１未満、約１：１より大きい、約１：２より大きい、約１：３より大きい、約１：４より大きい、約１：５より大きい、約１：１０より大きい、および同等の比で、金属イオン種および陰イオン種を含んでもよい。場合によっては、触媒物質は、溶液に提供される金属化合物および／または陰イオン化合物からの対カチオンおよび／または対アニオン等の追加構成要素を含んでもよい。例えば、場合によっては、触媒物質は、約２：１：１、約３：１：１、約３：２：１、約２：２：１、約２：１：２、約１：１：１、および同等の比で、金属イオン種と、陰イオン種と、対カチオンおよび／またはアニオンとを含んでもよい。触媒物質中の種の比は、選択される種に依存する。場合によっては、対カチオンがごく少量存在し、例えば、物質の伝導度または他の特性を改善するように、ドーパントとしての機能を果たしてもよい。これらの場合において、比は、約Ｘ：１：０．１、約Ｘ：１：０．００５、約Ｘ：１：０．００１、約Ｘ：１：０．０００５等であってもよく、Ｘは、１、１．５、２、２．５、３、および同等である。場合によっては、触媒物質は、加えて、水、酸素ガス、水素ガス、酸素イオン（例えば、Ｏ−２）、過酸化物、水素イオン（例えば、Ｈ＋）、および／または同等物のうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【００７８】
いくつかの実施形態では、本発明の触媒物質は、２種類以上の金属イオン種および／または陰イオン種（例えば、少なくとも約２種類、少なくとも約３種類、少なくとも約４種類、少なくとも約５種類、またはそれ以上の金属イオン種および／または陰イオン種）を含んでもよい。例えば、２種類以上の金属イオン種および／または陰イオン種は、電流コレクタが浸漬される溶液に提供されてもよい。そのような場合において、触媒物質は、２種類以上の金属イオン種および／または陰イオン種を含んでもよい。理論に制約されることを希望することなく、２種類以上の金属イオン種および／または陰イオン種の存在は、異なる比での種の組み合わせを使用することによって、電極の性能が改変され得るように、電極の特性が調節されることを可能にしてもよい。特定の実施形態では、触媒物質が、第１の種類の金属イオン種および第２の種類の金属イオン種（例えば、Ｃｏ（ＩＩ）およびＮｉ（ＩＩ））を含むように、第１の種類の金属イオン種（例えば、Ｃｏ（ＩＩ））および第２の種類の金属イオン種（例えば、Ｎｉ（ＩＩ））は、電流コレクタが浸漬される溶液中に提供されてもよい。第１および第２の種類の金属イオン種が一緒に使用される場合、本明細書で使用するために好適であるものとして説明される金属イオン種の中から、それぞれを選択することができる。
【００７９】
第１の種類および第２の種類の金属イオンおよび／または陰イオン種の両方が使用される場合、第１および第２の種の両方が触媒的に活性である必要はなく、または、両方が触媒的に活性である場合、それらは同じレベルまたは同程度に活性である必要はない。第１の種類の金属イオンおよび／または陰イオン種対第２の種類の金属イオンおよび／または陰イオン種の比は、多様であってもよく、約１：１、約１：２、約１：３、約１：４、約１：５、約１：６、約１：７、約１：８、約１：９、約１：１０、約１：２０、またはそれより大きくてもよい。場合によっては、第２の種類の種がごく少量存在し、例えば、物質の伝導度または他の特性を改善するように、ドーパントとしての機能を果たしてもよい。これらの場合において、第１の種類の種対第２の種類の金属イオン種は、約１：０．１、約１：０．００５、約１：０．００１、約１：０．０００５等であってもよい。いくつかの実施形態では、２つ以上の金属イオン種および／または陰イオン種を含む触媒物質は、第１の種類の金属イオン種および第１の種類の陰イオン種を含む触媒物質を最初に形成し、それに続いて、第２の種類の金属イオン種および／または第２の種類の陰イオン種を含む溶液に、触媒物質を含む電極を暴露させ、電極に電圧を印加することによって形成されてもよい。このことは、第２の種類の金属イオン種および／または第２の種類の陰イオン種を触媒物質に含ませてもよい。他の実施形態では、触媒物質は、構成要素（例えば、第１および第２の種類の金属イオン種および陰イオン種）を含む溶液に電流コレクタを暴露し、電流コレクタに電圧を印加することによって形成されてもよく、それにより、構成要素を含む触媒物質を形成する。
【００８０】
場合によっては、第１の種類の陰イオン種および第２の種類の陰イオン種（例えば、ホウ酸塩の形態およびリン酸塩の形態）が溶液に提供され、および／または、本発明の触媒物質と組み合わせて別様に使用されてもよい。第１および第２の触媒活性陰イオン種の両方が使用される場合、本明細書で使用するために好適であるものとして説明される陰イオン種の中から、それらを選択することができる。
【００８１】
場合によっては、触媒物質は、金属イオン種、第１の種類の陰イオン種、および第２の種類の陰イオン種を含んでもよい。場合によっては、第１の種類の陰イオン種は、水酸化物および／または酸化物イオンであり、第２の種類の陰イオン種は、水酸化物および／または酸化物イオンではない。したがって、少なくとも第１の種類の陰イオン種または第２の種類の陰イオン種は、水酸化物および／または酸化物イオンではない。しかしながら、少なくとも１種類の陰イオン種が酸化物または水酸化物であるとき、種が溶液に提供されない場合があるが、代わりに、種が提供されている水または溶液中に存在してもよく、および／または（例えば、第１の種類の陰イオン種と金属イオン種との間の）反応中に形成されてもよいことを理解されたい。
【００８２】
いくつかの実施形態では、触媒金属イオン種／陰イオン種は、本質的に金属イオン種／Ｏ−２および／または金属イオン種／ＯＨ−から成らない。物質はある種からできており、純粋形態での元の種と比較して、本発明の目的で物質の特徴を有意に改変する他の種からできていない場合に、その種から「本質的に成る」。したがって、触媒物質が本質的に金属イオン種／Ｏ−２および／または金属イオン種／ＯＨ−から成らない場合、触媒物質は、純粋な金属イオン種／Ｏ−２および／または金属イオン種／ＯＨ−、または混合物とは有意に異なる特徴を有する。場合によっては、本質的に金属イオン種／Ｏ−２および／または金属イオン種／ＯＨ−から成らない組成物は、約９０ｗ％未満、約８０ｗ％未満、約７０ｗ％未満、約６０ｗ％未満、約５０ｗ％未満、約４０ｗ％未満、約３０ｗ％未満、約２０ｗ％未満、約１０ｗ％未満、約５ｗ％未満、約１ｗ％未満、および同等物のＯ−２および／またはＯＨ−イオン／分子を含む。場合によっては、本質的に金属イオン種／Ｏ−２および／または金属イオン種／ＯＨ−から成らない組成物は、約１ｗ％乃至約９９ｗ％の間、約１ｗ％乃至約９０ｗ％の間、約１ｗ％乃至約８０ｗ％の間、約１ｗ％乃至約７０ｗ％の間、約１ｗ％乃至約６０ｗ％の間、約１ｗ％乃至約５０ｗ％の間、約１ｗ％乃至約２５ｗ％の間等のＯ−２および／またはＯＨ−イオン／分子を含む。Ｏ−２および／またはＯＨ−イオン／分子の重量パーセントは、当業者に公知の方法を使用して決定されてもよい。例えば、重量パーセントは、組成物に含まれる物質の近似構造を決定することによって決定されてもよい。Ｏ−２および／またはＯＨ−イオン／分子の重量パーセントは、１００％を乗じた組成物の総重量でＯ−２および／またはＯＨ−イオン／分子の重量を割ることによって決定されてもよい。別の実施例として、場合によっては、重量パーセントは、組成物中の金属イオン種対陰イオン種の比、および金属イオン種の一般配位化学に関する知識に基づいて、近似的に決定されてもよい。
【００８３】
具体的実施形態では、電流コレクタと結合した組成物（例えば、触媒物質）は、コバルトイオンと、リンを含む陰イオン種（例えば、ＨＰＯ４−２）とを含んでもよい。場合によっては、組成物は、加えて、陽イオン種（例えば、Ｋ＋）を含んでもよい。場合によっては、組成物が結合される電流コレクタは、本質的に白金から成らない。リンを含む陰イオン種は、リンを含み、負電荷と結合した任意の分子であってもよい。コバルトイオン／リンを含む陰イオン種／陽イオン種の比は、約２：１：１、約３：１：１、約４：１：１、約２：２：１、約２：１：２、約２：３：１、約２：１：３、および同等であってもよい。リンを含む陰イオン種の非限定的実施例は、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＰＯ４−、ＨＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、Ｈ２ＰＯ３−、ＨＰＯ３−２、ＰＯ３−３、Ｒ１ＰＯ（ＯＨ）２、Ｒ１ＰＯ２（ＯＨ）−、Ｒ１ＰＯ３−２、または同等物を含み、Ｒ１は、全て選択的に置換される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る。
【００８４】
いくつかの実施形態では、本発明の触媒物質は、特に電流コレクタと結合すると、実質的に非晶質であり得る。理論に制約されることを希望することなく、実質的に非晶質の物質は、陽子および／または電子の輸送に役立ち得、それは、ある電気化学デバイスにおける電極の機能を改善し得る。例えば、電気分解中の陽子の改善した輸送（例えば、増加した陽子流束）は、本明細書で説明されるような電極を備える電解デバイスの全体的有効性を改善し得る。実質的に非晶質の触媒物質を含む電極は、少なくとも約１０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約２０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約３０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約４０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約５０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約６０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約８０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約１００−１Ｓｃｍ−１、および同等の陽子の伝導度を可能にし得る。他の実施形態では、触媒物質は、非結晶質、実質的に結晶質、または結晶質であってもよい。実質的に非晶質の物質が使用される場合、これは、当業者によって容易に理解され、種々の分光技法を使用して容易に決定されるであろう。
【００８５】
金属イオン種および陰イオン種の上記および他の特徴は、特定の用途に有用な特定の金属イオンおよび陰イオン種の識別のための選択的スクリーニング検査としての機能を果たしてもよい。当業者であれば、必要以上の実験がなくても、簡単な卓上試験、科学文献の参照、簡単な回折器具類、簡単な電気化学試験、および同等物を通して、本開示に基づいて金属イオン種および陰イオン種を選択することができるであろう。
【００８６】
触媒物質は、多孔質、実質的に多孔質、無孔質、および／または実質的に無孔質であってもよい。細孔は、一連のサイズを備え、および／またはサイズが実質的に均一であってもよい。場合によっては、細孔は、撮像技法（例えば、走査型電子顕微鏡）を使用して可視的であってもなくてもよい。細孔は、開放および／または閉鎖細孔であってもよい。場合によっては、細孔は、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してもよい。
【００８７】
場合によっては、触媒物質は水和され得る。つまり、触媒物質は、水および／または他の液体および／または気体成分を含み得る。溶液から触媒物質を含む電流コレクタを除去すると、触媒物質は脱水状態になり得る（例えば、水および／または他の液体および／または気体成分が触媒物質から除去され得る）。場合によっては、触媒物質は、溶液から物質を除去し、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２４時間、少なくとも約２日、少なくとも約１週間、またはそれ以上にわたって物質を周囲条件（例えば、室温、空気等）下で放置することによって脱水状態になってもよい。場合によっては、触媒物質は、非周囲条件下で脱水状態になってもよい。例えば、触媒物質は、高温で、および／または真空下で脱水状態になってもよい。場合によっては、触媒物質は、脱水時に組成および／または形態を変化させてもよい。例えば、触媒物質がフィルムを形成する場合において、フィルムは、脱水時にひび割れてもよい。
【００８８】
理論に制約されることを希望することなく、場合によっては、触媒物質は、触媒物質の厚さに基づいて最大性能（例えば、Ｏ２産生率、特定の電流密度における過電圧、ファラデー効率等）に達してもよい。多孔質電流コレクタが使用される場合、電析した触媒物質の厚さ、および電流コレクタの細孔サイズは、細孔が触媒物質で実質的に充填されないような組み合わせで有利に選択されてもよい。例えば、細孔の表面は、細孔の平均半径よりも薄い触媒物質の層を備え得、それにより、多孔質電流コレクタによって提供される大きい表面積が実質的に維持されるように、触媒物質が電析された後でさえも、十分な多孔性が残存することを可能にする。場合によっては、触媒物質の平均的厚さは、電流コレクタの細孔の平均半径の約９０％未満、約８０％未満、約７０％未満、約６０％未満、約５０％未満、約４０％未満、約３０％未満、約２０％未満、約１０％未満、またはそれ以下であってもよい。場合によっては、触媒物質の平均的厚さは、電流コレクタの細孔の平均半径の約４０％乃至約６０％の間、約３０％乃至約７０％の間、約２０％乃至約８０％の間等であってもよい。他の実施形態では、触媒物質の性能は、触媒物質の厚さに基づいて最大性能に達しない場合がある。場合によっては、触媒物質の性能（例えば、ある電流密度における過電圧が減少してもよい）は、触媒物質の厚さが増加するとともに増加してもよい。理論に制約されることを希望することなく、これは、触媒物質の外層を超えるものが触媒的に活性であることを示してもよい。
【００８９】
触媒物質の物理的構造は変化し得る。例えば、触媒物質は、溶液中に浸漬されている電流コレクタの少なくとも一部分（例えば、表面および／または細孔）と結合したフィルムおよび／または粒子であってもよい。いくつかの実施形態では、触媒物質は、電流コレクタと結合したフィルムを形成しない場合がある。代替として、または加えて、触媒物質は、パッチ、島、または何らかの他のパターン（例えば、線、点、長方形）として、電流コレクタ上に電析されてもよく、または、デンドリマー、ナノ粒子、ナノロッド、または同等の形態を成してもよい。パターンは、場合によっては、電流コレクタ上への触媒物質の電析時に自発的に形成することができ、および／または、当業者に公知の種々の技法によって（リソグラフィで、ミクロ接触プリンティングを介して等）、電流コレクタ上にパターン化することができる。さらに、電流コレクタは、ある領域が触媒物質の結合を促進する一方で、他の領域が促進しないか、またはあまり促進しないように、それ自体がパターン化されてもよく、それにより、電極が作成される際に、電流コレクタ上で触媒物質のパターン化配設を作成する。触媒物質が電極上にパターン化される場合、パターンは、触媒物質の領域、および触媒物質を全く含まない領域、または特定量の触媒物質を伴う領域、および異なる量の触媒物質を伴う他の領域を画定する場合がある。触媒物質は、平滑および／または起伏のある外観を有してもよい。場合によっては、触媒物質は、物質が脱水状態である時に起こり得るように、亀裂を備えてもよい。
【００９０】
場合によっては、触媒物質の厚さは、物質の全体にわたって実質的に同じであってもよい。他の場合においては、触媒物質の厚さは、物質の全体にわたって変化してもよい（例えば、フィルムが必ずしも一様な厚さを有するわけではない）。触媒物質の厚さは、複数の領域(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、またはそれ以上の領域）における物質の厚さを決定し、平均的厚さを計算することによって決定されてもよい。触媒物質の厚さが、複数の領域における探査を介して決定される場合、領域は、パターンに基づいて存在する、より多いかまたは少ない触媒物質の領域を特異的に表さないように、選択されてもよい。当業者であれば、表面上の触媒物質の不均一性またはパターン形成に対処する、厚さ決定プロトコルを容易に確立することができるであろう。例えば、技法は、全体の平均的厚さを提供するように、無作為に選択される十分に多数の領域決定を含む場合がある。触媒物質の平均的厚さは、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、および同等であってもよい。場合によっては、触媒物質の平均的厚さは、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、または同等であってもよい。場合によっては、触媒物質の平均的厚さは、約１ｍｍ乃至約０．１ｎｍの間、約５００μｍ乃至約１ｎｍの間、約１００μｍ乃至約１ｎｍの間、約１００μｍ乃至約０．１ｎｍの間、約０．２μｍ乃至約２μｍの間、約２００μｍ乃至約０．１μｍの間、または同等であってもよい。特定の実施形態では、触媒物質は、約０．２μｍ未満の平均的厚さを有してもよい。別の実施形態では、触媒物質は、約０．２μｍ乃至約２μｍの間の平均的厚さを有してもよい。触媒物質の平均的厚さは、電圧が電流コレクタに印加される時間量および長さ、溶液中の金属イオン種および陰イオン種の濃度、電流コレクタの表面積、電流コレクタの表面積密度、および同等物を改変することによって変化させられ得る。
【００９１】
場合によっては、触媒物質の平均的厚さは、以下の方法に従って決定されてもよい。電流コレクタと、触媒物質とを備える電極が、溶液（例えば、その中で電極が形成される溶液および／または電解質）から除去されてもよい。電極は、約１時間、約２時間、約４時間、約６時間、約８時間、約１２時間、約２４時間、またはそれ以上にわたって乾燥させられてもよい。場合によっては、電極は、周囲条件下（例えば、室温で空気中）で乾燥させられてもよい。いくつかの実施形態では、乾燥中に、触媒物質がひび割れてもよい。触媒物質の厚さは、亀裂の深さ（例えば、脱水状態の触媒物質の厚さ）を決定するために、当業者に公知の技法（例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ））を使用して決定されてもよい。
【００９２】
他の実施形態では、触媒物質の厚さは、当業者に公知の技法、例えば、ＳＥＭを使用して、脱水状態を伴わずに（例えば、現状で）決定されてもよい。そのような実施形態では、下層の基板（例えば、電流コレクタ）の少なくとも一部分を露出させるように、マーク（例えば、スクラッチ、穴）が触媒物質に作製されてもよい。触媒物質の厚さは、マークの深さを測定することによって決定されてもよい。
【００９３】
いくつかの実施形態では、電流コレクタ上に形成される複数の粒子の合体によって、触媒物質のフィルムが形成されてもよい。場合によっては、物質は、複数の突出粒子群を含む物質の基層の物理的外観を有することが観察されてもよい。例えば、図５に示されるように、基層４００は、突出粒子４０２を含む多数の領域を含む。フィルムの厚さは、基層（例えば、４００）の厚さを決定することによって決定されてもよいが、厚さは、突出粒子（例えば、４０２）を含む領域の厚さを決定することによって測定された場合に、大幅に大きくなることを理解されたい。
【００９４】
理論に制約されることを希望することなく、フィルムの表面上の突出粒子群の形成は、表面積を増加させることに役立ち、したがって、酸素ガスの産生を増加させ得る。つまり、複数の突出粒子群を含む触媒物質の表面積は、複数の突出粒子群を含まない触媒物質の表面積よりも大幅に大きくあり得る。
【００９５】
いくつかの実施形態では、触媒物質は、電流コレクタの単位面積当たりの触媒物質の質量の関数として表され得る。場合によっては、電流コレクタの面積当たりの触媒物質の質量は、約０．０１ｍｇ／ｃｍ２、約０．０５ｍｇ／ｃｍ２、約０．１ｍｇ／ｃｍ２、約０．５ｍｇ／ｃｍ２、約１．０ｍｇ／ｃｍ２、約１．５ｍｇ／ｃｍ２、約２．５ｍｇ／ｃｍ２、約３．０ｍｇ／ｃｍ２、約４．０ｍｇ／ｃｍ２、約５．０ｍｇ／ｃｍ２、または同等であってもよい。場合によっては、電流コレクタの単位面積当たりの触媒物質の質量は、約０．１ｍｇ／ｃｍ２乃至約５．０ｍｇ／ｃｍ２の間、約０．５ｍｇ／ｃｍ２乃至約３．０ｍｇ／ｃｍ２の間、約１．０ｍｇ／ｃｍ２乃至約２．０ｍｇ／ｃｍ２の間、および同等であってもよい。電流コレクタと結合した触媒物質の量が、単位面積当たりの質量に関して規定または調査され、物質が、電流コレクタの表面に対して不均一に存在する（表面にわたるパターン形成を通すか、または量の自然な変化を通すかを問わず）場合、面積当たりの質量は、その内側に触媒物質が見出される表面積全体（例えば、幾何学的表面積）にわたって平均化されてもよい。場合によっては、単位面積当たりの触媒物質の質量は、触媒物質の厚さの関数であってもよい。
【００９６】
触媒物質の形成は、電流コレクタに印加される電位（例えば、電圧）がオフにされるまで、限定的な量の物質（例えば、金属イオン種および／または陰イオン種）が存在するまで、および／または触媒物質がそれを超えて追加フィルム形成が生じないか、または非常に遅い、臨界厚さに達するまで、続行する。電圧は、最低約１分、約５分、約１０分、約２０分、約３０分、約６０分、約２時間、約４時間、約８時間、約１２時間、約２４時間、および同等にわたって、電流コレクタに印加されてもよい。場合によっては、電位は、２４時間乃至約３０秒の間、約１２時間乃至約１分の間、約８時間乃至約５分の間、約４時間乃至約１０分の間、および同等で電流コレクタに印加されてもよい。本明細書で規定される電圧は、場合によっては、標準水素電極（ＮＨＥ）に関して供給される。当業者であれば、特定の基準電極とＮＨＥとの間の電圧差を知ることによって、または適切なテキストまたは参考文献を参照することによって、代替の基準電極に対して対応する電圧を決定することができるであろう。触媒物質の形成は、最初に溶液に添加された金属イオン種および／または陰イオン種の約０．１％、約１％、約５％、約１０％、約２０％、約３０％、約４０％、約５０％、約６０％、約７０％、約８０％、約９０％、約９９％、または約１００％が、触媒物質を形成するように電流コレクタと結合するまで、続行してもよい。
【００９７】
電流コレクタに印加される電圧は、定常に保たれてもよく、または直線的に増加あるいは減少させられてもよく、および／または、直線的に増加および減少させられてもよい（例えば、周期的）。場合によっては、電流コレクタに印加される電圧は、電圧の印加の全体を通して、実質的に同様であってもよい。つまり、電流コレクタに印加される電圧は、電圧が電流コレクタに印加される時間の間に、有意に変化させられない場合がある。そのような場合において、電流コレクタに印加される電圧は、少なくとも約０．１Ｖ、少なくとも約０．２Ｖ、少なくとも約０．４Ｖ、少なくとも約０．５Ｖ、少なくとも約０．７Ｖ、少なくとも約０．８Ｖ、少なくとも約０．９Ｖ、少なくとも約１．０Ｖ、少なくとも約１．２Ｖ、少なくとも約１．４Ｖ、少なくとも約１．６Ｖ、少なくとも約１．８Ｖ、少なくとも約２．０Ｖ、少なくとも約３Ｖ、少なくとも約４Ｖ、少なくとも約５Ｖ、少なくとも約１０Ｖ、および同等であってもよい。場合によっては、印加される電圧は、約１．０Ｖ乃至約１．５Ｖの間、約１．１Ｖ乃至約１．４Ｖの間、または約１．１Ｖである。場合によっては、電流コレクタに印加される電圧は、線形範囲の電圧、および／または周期的範囲の電圧であってもよい。線形電圧の印加とは、電極（および／または電流コレクタ）に印加される電圧が、第１の電圧と第２の電圧との間で、時間的に直線的に掃引される場合を指す。周期的電圧の印加とは、掃引方向が逆転される線形電圧の第２の印加が後に続く、線形電圧の印加を指す。例えば、周期的電圧の印加は、サイクリックボルタンメトリ研究で一般的に使用されている。場合によっては、第１の電圧および第２の電圧は、約０．１Ｖ、約０．２Ｖ、約０．３Ｖ、約０．５Ｖ、約０．８Ｖ、約１．０Ｖ、約１．５Ｖ、約２．０Ｖ、または同等だけ異なってもよい。場合によっては、電圧は、約０．１ｍＶ／秒、約０．２ｍＶ／秒、約０．３ｍＶ／秒、約０．４ｍＶ／秒、約０．５ｍＶ／秒、約１．０ｍＶ／秒、約１０ｍＶ／秒、約１００ｍＶ／秒、約１Ｖ／秒、または同等の速度で、第１の電圧と第２の電圧との間で掃引されてもよい。印加される電位は、電極の形成中に酸素ガスが形成されているようなものであってもなくてもよい。場合によっては、触媒物質の形態は、電極の形成中に電流コレクタに印加される電位に応じて異なってもよい。
【００９８】
触媒物質が再生物質であるいくつかの実施形態では、電圧の印加の合間に（例えば、電圧が使用されていない期間中に）、少なくとも約１ｗ％、少なくとも約２ｗ％、少なくとも約５ｗ％、少なくとも約１０ｗ％、少なくとも約２０ｗ％、またはそれ以上の触媒物質が、約１０分、約３０分、約１時間、約２時間、約６時間、約１２時間、約２４時間、またはそれ以上の期間にわたって、電流コレクタから解離してもよい。電圧の印加時に、少なくとも約５０ｗ％、少なくとも約６０ｗ％、少なくとも約７０ｗ％、少なくとも約８０ｗ％、少なくとも約９０ｗ％、少なくとも約９５ｗ％、少なくとも約９９ｗ％、またはそれ以上の解離物質が、電極と再結合してもよい。場合によっては、金属イオン種の実質的に全てが電極と再結合してもよく、陰イオン種の一部分のみが、電極と再結合してもよい（例えば、電解質が陰イオン種を含み、解離する陰イオン種および再結合する陰イオン種の交換があってもよい場合において）。
【００９９】
別の実施形態では、触媒物質を含むシステムの電極は、以下のように作成されてもよい。触媒物質は、本明細書で説明される任意の方式で、上記で説明されるような電流コレクタと結合されてもよい。例えば、酸素ガスが発生しない比較的低い電位において、および／または、酸素ガスが発生し、電極上に、より高い物質の電析率が発生する、より高い電位において、および／または、任意の他の速度で、または電流コレクタと結合した触媒物質の産生のために好適な任意の条件下である。触媒物質は、電流コレクタから除去することができ（および、選択的に、プロセスは、電極と結合した追加触媒物質で周期的に繰り返し、除去すること等ができる）、触媒物質は、選択的に、乾燥させ、貯蔵し、および／または添加物（例えば、結合剤）または同等物と混合することができる。触媒物質は、流通のために包装され、触媒物質として使用されてもよい。場合によっては、触媒物質は、後に電流コレクタに適用することができ、単に水溶液に添加することができ、例えば、最終用途設定で、上記で説明されるような異なる電流コレクタと結合し、または、当業者によって認識されるように、別様に使用することができる。当業者であれば、そのような触媒物質に添加するために有用となる結合剤、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＴｅｆｌｏｎＴＭ（登録商標））、ＮａｆｉｏｎＴＭ、または同等物を容易に選択することができるであろう。電解槽または他の電気分解システムでの最終的な使用のために、非伝導性結合剤が最も好適であってもよい。伝導性結合剤は、電解槽条件に対して安定している場合に使用されてもよい。
【０１００】
いくつかの実施形態では、電圧の印加、および電流コレクタと、金属イオン種と、陰イオン種とを含む電極の形成の後に、電極は、溶液から除去され、保管されてもよい。電極は、本明細書で論議される用途のうちの１つにおいて、任意の期間にわたって保管されるか、または即時に使用されてもよい。場合によっては、電流コレクタと結合した触媒物質は、保管中に脱水状態になってもよい。電極は、少なくとも約１日、少なくとも約２日、少なくとも約５日、少なくとも約１０日、少なくとも約１ヶ月、少なくとも約３ヶ月、少なくとも約６ヶ月、または少なくとも約１年間保管されてもよく、１ヶ月の保管につきわずか１０％の電極性能の損失、またはわずか５％、あるいは１ヶ月の保管につき２％さえ性能の損失を伴う。本明細書で説明される電極は、様々な条件下で保管されてもよい。場合によっては、電極は、周囲条件で、および／または空気雰囲気下で保管されてもよい。他の場合においては、電極は、真空下で保管されてもよい。さらに他の場合においては、電極は、溶液中で保管されてもよい。この場合、触媒物質は、ある期間（例えば、１日、１週間、１ヶ月、および同等）にわたって電流コレクタから解離して、溶液中で金属イオン種および陰イオン種を形成してもよい。電流コレクタへの電圧の印加は、ほとんどの場合、金属イオン種および陰イオン種を電流コレクタと再結合させて、触媒物質を再形成し得る。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、電流コレクタと、触媒物質とを備える電極が、本質的に同一の条件下で、電流コレクタのみと比較して、長期間にわたって使用されてもよい。理論に制約されることを希望することなく、触媒物質の動的平衡は、電極をロバストにさせてもよく、自己修復機構を提供する。場合によっては、少なくとも約１ヶ月、少なくとも約２ヶ月、少なくとも約３ヶ月、少なくとも約６ヶ月、少なくとも約１年、少なくとも約１８ヶ月、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、またはそれ以上にわたって、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、特定の電流密度における過電圧、酸素の産生率等）の変化を伴って、水から酸素ガスを触媒的に産生するために、電極が使用されてもよい。
【０１０２】
場合によっては、保管後の電流コレクタと結合された触媒物質は、形成直後の触媒物質と実質的に同様であってもよい。他の場合においては、保管後の電流コレクタと結合された触媒物質は、形成直後の触媒物質とは実質的に異なってもよい。場合によっては、触媒物質中の金属イオン種は、溶液中の金属イオン種と比較して酸化されてもよい。例えば、電析直後の金属イオン種には、（ｎ＋ｘ）の酸化状態があってもよく、保管後、金属イオン種の少なくとも一部分には、（ｎ）の酸化状態があってもよい。保管後の触媒物質中の金属イオン種対陰イオン種の比は、形成直後に存在する比と実質的に同様であってもなくてもよい。
【０１０３】
電流コレクタは、単一の材料を含んでもよく、または、材料のうちの少なくとも１つが実質的に導電性であれば、複数の材料を含んでもよい。場合によっては、電流コレクタは、単一の材料、例えば、ＩＴＯ、白金、ＦＴＯ、炭素メッシュ、または同等物を含んでもよい。他の場合においては、電流コレクタは、少なくとも２つの材料を含んでもよい。場合によっては、電流コレクタは、１つのコア材料を含んでもよく、少なくとも１つの材料がコア材料を実質的に覆う。他の場合においては、電流コレクタは、２つの材料を含んでもよく、第２の材料は、第１の材料の一部分と関連付けられてもよい（例えば、第１の材料と触媒物質との間に位置してもよい）。材料は、実質的に非伝導性（例えば、絶縁性）および／または実質的に伝導性であってもよい。非限定的実施例として、電流コレクタは、実質的に非伝導性のコア材料と、実質的に伝導性の材料の外層とを備えてもよい（例えば、コア材料はｖｉｃｏｒガラスを含んでもよく、ｖｉｃｏｒガラスは実質的に伝導性の材料（例えば、ＩＴＯ、ＦＴＯ等）で実質的に覆われてもよい（例えば、層で被覆されてもよい）。非伝導性コア材料の非限定的実施例は、無機基質（例えば、石英、ガラス等）、およびポリマー基質（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。別の実施例として、電流コレクタは、実質的に伝導性のコア材料と、実質的に伝導性または実質的に非伝導性の材料とを含んでもよい。場合によっては、材料のうちの少なくとも１つは、当業者に公知となるような膜材料である。例えば、膜材料は、場合によっては、陽子の伝導度を可能にしてもよい。
【０１０４】
電流コレクタが含んでもよい、実質的に伝導性の材料の非限定的実施例は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化フッ素スズ（ＦＴＯ）、アンチモンでドープした酸化スズ（ＡＴＯ）、アルミニウムでドープした酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガラス状炭素、炭素メッシュ、金属、金属合金、リチウム含有化合物、金属酸化物（例えば、酸化白金、酸化ニッケル、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化バナジウム、酸化亜鉛スズ、酸化インジウム、酸化インジウム亜鉛）、黒鉛、ゼオライト、および同等物を含んでもよい。電流コレクタが含んでもよい、好適な金属（金属合金および金属酸化物に含まれる金属を含む）の非限定的実施例は、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、または同等物、およびそれらの組み合わせ（例えば、パラジウム銀等の合金）を含む。
【０１０５】
電流コレクタはまた、伝導性として当業者に公知である他の金属および／または非金属（例えば、セラミック、伝導性ポリマー）を含んでもよい。場合によっては、電流コレクタは、無機伝導性材料（例えば、ヨウ化銅、硫化銅、窒化チタン等）、有機伝導性材料（例えば、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール等の伝導性ポリマー）、および積層板、および／またはそれらの組み合わせを含んでもよい。場合によっては、電流コレクタは、半導体材料を含んでもよい。
【０１０６】
場合によっては、電流コレクタは、ニッケル（例えば、ニッケルフォームまたはニッケルメッシュ）を含んでもよい。ニッケルフォームまたはニッケルメッシュ材料は、当業者に公知となり、商業的供給源から購入されてもよい。ニッケルメッシュとは、通常、織物状のニッケル繊維を指す。ニッケルフォームとは、概して、複数の穴および／または細孔を備える、非自明な厚さ（例えば、約２ｍｍ）の材料を指す。場合によっては、ニッケルフォームは、開放気泡ポリマーフォームの構造に基づく、開放気泡金属構造であってもよく、ニッケル金属は、ポリマーフォーム上に被覆される。
【０１０７】
電流コレクタは、透明、半透明、半不透明、および／または不透明であってもよい。電流コレクタは、中実、半多孔質、および／または多孔質であってもよい。電流コレクタは、実質的に結晶質、実質的に非晶質、および／または均質または不均質であってもよい。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、電流コレクタおよび／または電極は、本質的に白金から成っていない。つまり、電流コレクタおよび／または電極は、この実施形態では、純白金とは有意に異なる電気化学特性を有する。これは決して、いくらかの量の白金を含有することから形成される電流コレクタおよび／または電極を制限しない。電流コレクタおよび／または電極（すなわち、電流コレクタおよび触媒物質）は、本質的に白金から成る電流コレクタおよび／または電極と比較して異なる特徴を有することができる。いくつかの実施形態では、電流コレクタおよび／または電極は、約５重量パーセント未満、約１０重量パーセント未満、約２０重量パーセント未満、約２５重量パーセント未満、約５０重量パーセント未満、約６０重量パーセント未満、約７０重量パーセント未満、約７５重量パーセント未満、約８０重量パーセント未満、約８５重量パーセント未満、約９０重量パーセント未満、約９５重量パーセント未満、約９６重量パーセント未満、約９７重量パーセント未満、約９８重量パーセント未満、約９９重量パーセント未満、約９９．５重量パーセント未満、または約９９．９重量パーセント未満の白金を含む。場合によっては、電流コレクタおよび／または電極は、白金、別の貴金属（例えば、ロジウム、イリジウム、ルテニウム等）、貴金属酸化物（例えば、酸化ロジウム、酸化イリジウム等）、および／またはそれらの組み合わせから成らない。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、電流コレクタ（任意の触媒物質の添加前）は、大きい表面積を有してもよい。場合によっては、電流コレクタの表面積は、約０．０１ｍ２／ｇよりも大きい、約０．０５ｍ２／ｇよりも大きい、約０．１ｍ２／ｇよりも大きい、約０．５ｍ２／ｇよりも大きい、約１ｍ２／ｇよりも大きい、約５ｍ２／ｇよりも大きい、約１０ｍ２／ｇよりも大きい、約２０ｍ２／ｇよりも大きい、約３０ｍ２／ｇよりも大きい、約５０ｍ２／ｇよりも大きい、約１００ｍ２／ｇよりも大きい、約１５０ｍ２／ｇよりも大きい、約２００ｍ２／ｇよりも大きい、約２５０ｍ２／ｇよりも大きい、約３００ｍ２／ｇよりも大きい、または同等であってもよい。他の場合においては、電流コレクタの表面積は、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間、約０．１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間、約１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間、約１０ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間、約０．１ｍ２／ｇ乃至約２５０ｍ２／ｇの間、約５０ｍ２／ｇ乃至約２５０ｍ２／ｇの間、または同等であってもよい。場合によっては、電流コレクタの表面積は、高度に多孔質の材料を含む電流コレクタによるものであってもよい。電流コレクタの表面積は、当業者にとって公知とであるように、種々の技法、例えば、光学的技法（例えば、光学プロファイリング、光散乱等）、電子ビーム技法、機械的技法（例えば、原子間力顕微鏡法、表面プロファイリング等）、電気化学的技法（例えば、サイクリックボルタンメトリ等）等を使用して測定されてもよい。
【０１１０】
電流コレクタ（または他の構成要素、例えば、電極）の多孔性は、電流コレクタの空隙の割合または率として測定されてもよい。電流コレクタの多孔率は、当業者に公知の技法を使用して、例えば、体積／密度法、水飽和法、水蒸発法、水銀侵入ポロシメータ法、および窒素ガス吸着法を使用して測定されてもよい。いくつかの実施形態では、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ってもよい。細孔は、開放細孔（例えば、電極の外面および／または別の細孔に開口している細孔の少なくとも一部を有する）および／または閉鎖細孔（例えば、細孔が電極の外面または別の細孔への開口部を備えない）であってもよい。場合によっては、電流コレクタの細孔は、本質的に開放細孔から成ってもよい（例えば、電流コレクタの細孔は、少なくとも７０％より多く、少なくとも８０％より多く、少なくとも９０％より多く、少なくとも９５％より多く、またはそれ以上が開放細孔である）。場合によっては、電流コレクタの一部分のみが、実質的に多孔質であってもよい。例えば、場合によっては、電流コレクタの単一表面のみが実質的に多孔質であってもよい。別の実施例として、場合によっては、電流コレクタの外面は、実質的に多孔質であってもよく、電流コレクタの内部コアは、実質的に無孔質であってもよい。特定の実施形態では、電流コレクタ全体が実質的に多孔質である。
【０１１１】
電流コレクタは、極めて多孔質にされてもよく、および／または、当業者に公知の技法を使用して大きい表面積を備えてもよい。例えば、ＩＴＯ電流コレクタは、エッチング技法を使用して、極めて多孔質にされ得る。別の実施例として、ｖｉｃｏｒガラスが、エッチング技法を使用して、極めて多孔質にされ得、その後に続いて、ｖｉｃｏｒガラスの表面の実質的に全体が実質的に伝導性の材料（例えば、ＩＴＯ、ＦＴＯ等）で実質的に被覆される。場合によっては、非伝導性コアを実質的に被覆する材料は、（例えば、コア材料を実質的に覆う層を形成するように）フィルムまたは複数の粒子を含んでもよい。
【０１１２】
場合によっては、電流コレクタは、コア材料を含んでもよく、コア材料の少なくとも一部分は、少なくとも１つの異なる材料と関連付けられる。コア材料は、少なくとも１つの異なる材料で実質的または部分的に被覆されてもよい。非限定的実施例として、場合によっては、外側材料が、コア材料を実質的に覆ってもよく、触媒物質が、外側材料と関連付けられてもよい。外側材料は、電子がコア材料と触媒物質との間で流れることを可能にしてもよく、電子は、例えば、水からの酸素ガスの産生のために、触媒物質によって使用される。理論に制約されることを希望することなく、外側材料は、膜の役割を果たし、コア材料において生成される電子が触媒物質に伝達されることを可能にしてもよい。膜はまた、触媒物質において形成される酸素ガスが物質を通って横断することを低減および／または防止することによって機能してもよい。この配設は、水の酸化から形成される酸素ガスおよび水素ガスの分離が重要であるデバイスにおいて、有利であり得る。場合によっては、膜は、膜の中の／膜における酸素ガスの産生が制限されるように選択されてもよい。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、電流コレクタは、第０種、第１種、第２種、または第３電極として分類される、少なくとも１つの材料を含んでもよい。第０種電流コレクタは、電子を電解質構成要素と可逆的に交換し、それ自体が本質的に酸化（例えば、酸化物の形成）または腐食を受けない、不活性金属を含んでもよい。第１種電流コレクタは、可逆性金属／金属イオン、つまり、Ａｇ／Ａｇ＋等の独自のイオンを含有する電解質に浸されたイオン交換金属を含んでもよい。第２種電流コレクタは、金属イオンの飽和塩、および過剰陰イオンＸ−、例えば、Ａｇ／ＡｇＸ／Ｘ−を伴う、可逆性金属／金属イオンを含んでもよい。第３種電流コレクタは、可逆性金属／金属塩、または可溶性錯体／第２の金属塩または錯体と、過剰な第２の陽イオン、例えば、Ｐｂ／シュウ酸Ｐｂ／シュウ酸Ｃａ／Ｃａ２＋またはＨｇ／Ｈｇ−ＥＤＴＡ２−／Ｃａ−ＥＤＴＡ２−／Ｃａ２＋を含んでもよい。
【０１１４】
電流コレクタは、任意のサイズまたは形状であってもよい。形状の非限定的実施例は、シート、立方体、円柱、中空管、球体、および同等物であってもよい。電流コレクタは、電流コレクタの少なくとも一部分が、金属イオン種および陰イオン種を含む溶液中に浸漬されてもよいならば、任意のサイズであってもよい。本明細書で説明される方法は、任意の形状および／またはサイズの電流コレクタ上に触媒物質を形成することの影響を特に受けやすい。場合によっては、１つの寸法における電流コレクタの最大寸法は、少なくとも約１ｍｍ、少なくとも約１ｃｍ、少なくとも約５ｃｍ、少なくとも約１０ｃｍ、少なくとも約１ｍ、少なくとも約２ｍ、またはそれ以上であってもよい。場合によっては、１つの寸法における電流コレクタの最小寸法は、約５０ｃｍ未満、約１０ｃｍ未満、約５ｃｍ未満、約１ｃｍ未満、約１０ｍｍ未満、約１ｍｍ未満、約１μｍ未満、約１００ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、約１ｎｍ未満、またはそれ以下であってもよい。加えて、電流コレクタは、電流コレクタを、電源および／または他の電気デバイスに接続する手段を備えてもよい。場合によっては、電流コレクタは、溶液中に少なくとも約１０％、少なくとも約３０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約１００％浸漬されてもよい。
【０１１５】
電流コレクタは、実質的に平面的であってもなくてもよい。例えば、電流コレクタは、波紋、波状曲線、デンドリマー、球体（例えば、ナノ粒子）、ロッド（例えば、ナノロッド）、粉末、沈殿物、複数の粒子、および同等物を含んでもよい。いくつかの実施形態では、電流コレクタの表面は起伏があってもよく、起伏間の距離および／または起伏の高さは、ナノメートル、マイクロメートル、ミリメートル、センチメートル、または同等の規模である。場合によっては、電流コレクタの平面性は、電流コレクタの粗度を決定することによって決定されてもよい。本明細書で使用されるような、「粗度」という用語は、当業者にとって公知であるように、表面（例えば、電流コレクタ）の質感の尺度を指す。電流コレクタの粗度は、例えば、平面からの電流コレクタの表面の垂直偏差を決定することによって定量化され得る。粗度は、接触法（例えば、表面形状測定装置等の測定針を表面にわたって引きずる）または非接触法（例えば、干渉法、共焦点顕微鏡法、電気容量、電子顕微鏡法等）を使用して測定されてもよい。場合によっては、表面粗度Ｒａが決定されてもよく、Ｒａは、マイクロメートルで表される、表面の谷間および頂点の数学的平均偏差である。非平面のＲａは、約０．１μｍより大きい、約１μｍより大きい、約５μｍより大きい、約１０μｍより大きい、約５０μｍより大きい、約１００μｍより大きい、約５００μｍより大きい、約１０００μｍより大きい、または同等であってもよい。
【０１１６】
溶液は、任意の好適な物質から形成されてもよい。ほとんどの場合、溶液は、液体であってもよく、水を含んでもよい。いくつかの実施形態では、溶液は、本質的に水から成り、または水で構成され、すなわち、本質的に、純水、または本質的に純水と同一に挙動する水溶液であり、それぞれの場合において、電気化学デバイスが機能するために必要な最小電気伝導度を伴う。いくつかの実施形態では、溶液は、金属イオン種および陰イオン種が実質的に可溶性であるように選択される。場合によっては、電極が形成直後にデバイスで使用される時には、溶液は、本明細書で説明されるようなデバイスおよび／または方法によって酸化される水（または他の燃料）を含むように選択されてもよい。例えば、酸素ガスが水から触媒的に産生されるものである場合において、溶液は、水（例えば、水源から提供される）を含んでもよい。
【０１１７】
金属イオン種および陰イオン種は、金属イオン種および陰イオン種を含む化合物を実質的に溶解させることによって、溶液に提供されてもよい。場合によっては、このことは、金属イオン種を含む金属化合物、および陰イオン種を含む陰イオン化合物を実質的に溶解させるステップを含んでもよい。他の場合においては、金属イオン種および陰イオン種の両方を含む、単一の化合物が溶解させられてもよい。金属化合物および／または陰イオン化合物は、固体、液体、気体、ゲル、結晶性物質、および同等物等の任意の組成物であってもよい。金属化合物および陰イオン化合物の溶解は、溶液の撹拌（例えば、かき混ぜる）および／または溶液の加熱によって促進されてもよい。場合によっては、溶液は、超音波で分解されてもよい。金属種および／または陰イオン種は、金属イオン種および／または陰イオン種の濃度が、少なくとも約０．１ｍＭ、少なくとも約０．５ｍＭ、少なくとも約１ｍＭ、少なくとも約１０ｍＭ、少なくとも約０．１Ｍ、少なくとも約０．５Ｍ、少なくとも約１Ｍ、少なくとも約２Ｍ、少なくとも約５Ｍ、および同等であるような量で提供されてもよい。場合によっては、陰イオン種の濃度は、本明細書で説明されるように、触媒物質の形成を促進するために金属イオン種の濃度よりも大きくてもよい。非限定的実施例として、陰イオン種の濃度は、金属イオン種の濃度よりも、約２倍大きい、約５倍大きい、約１０倍大きい、約２５倍大きい、約５０倍大きい、約１００倍大きい、約５００倍大きい、約１０００倍大きい、および同等であってもよい。場合によっては、金属イオン種の濃度は、陰イオン種の濃度よりも大きい。
【０１１８】
場合によっては、溶液のｐＨは、ほぼ中性であってもよい。つまり、溶液のｐＨは、約６．０乃至約８．０の間、約６．５乃至約７．５の間であってもよく、および／または、ｐＨは約７．０である。他の場合においては、溶液のｐＨは、ほぼ中性または酸性である。これらの場合において、ｐＨは、約０乃至約８の間、約１乃至約８の間、約２乃至約８の間、約３乃至約８の間、約４乃至約８の間、約５乃至約８の間、約０乃至約７．５の間、約１乃至約７．５の間、約２乃至約７．５の間、約３乃至約７．５の間、約４乃至約７．５の間、または約５乃至約７．５の間であってもよい。さらに他の場合において、ｐＨは、約６乃至約１０の間、約６乃至約１１の間、約７乃至約１４の間、約２乃至約１２の間、および同等であってもよい。いくつかの実施形態では、溶液のｐＨは、ほぼ中性および／または塩基性、例えば、約７乃至約１４の間、約８乃至約１４の間、約８乃至約１３の間、約１０乃至約１４の間、１４を上回る、または同等であってもよい。溶液のｐＨは、陰イオン種および金属イオン種が所望の状態であるように選択され得る。例えば、いくつかの陰イオン種、例えば、リン酸塩は、ｐＨレベルの変化の影響を受け得る。溶液が塩基性である（約ｐＨ１２を上回る）場合、リン酸塩の大部分は、ＰＯ４−３の形態である。溶液がほぼ中性である場合、リン酸塩は、ほぼ等量のＨＰＯ４−２の形態およびＨ２ＰＯ４−１の形態である。溶液がわずかに酸性である（約ｐＨ６未満）場合、リン酸塩は、大抵はＨ２ＰＯ４−の形態である。ｐＨレベルはまた、陰イオン種および金属イオン種の溶解度定数にも影響を及ぼし得る。
【０１１９】
一実施形態では、本明細書で説明されるような電極は、電流コレクタと、電流コレクタと電気的に連通している金属イオン種および陰イオン種を含む組成物とを含んでもよい。組成物は、場合によっては、電流コレクタ上の金属イオン種および陰イオン種の自己集合によって形成されてもよく、かつ組成物が陽子の伝導を可能にするように十分に非晶質であってもよい。いくつかの実施形態では、電極は、少なくとも１０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約２０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約３０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約４０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約５０−１Ｓ−１ｃｍ−１、少なくとも約６０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約８０−１Ｓｃｍ−１、少なくとも約１００−１Ｓｃｍ−１、および同等の陽子の伝導度を可能にしてもよい。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、本明細書で説明されるような電極は、低過電圧で水から酸素ガスを産生することが可能であり得る。所用の触媒活性を獲得するために必要とされる、熱力学的に決定される還元または酸化電位に加わる電圧は、本明細書では「過電圧」と呼ばれ、電解デバイスの効率を制限し得る。したがって、過電圧には、当技術分野でのその通常の意味が与えられ、つまり、反応のために必要とされる熱力学的電位を引いた電気化学反応（例えば、水からの酸素ガスの形成）を引き起こすように、システム、または電極等のシステムの構成要素に印加されなければならない電位である。当業者であれば、反応を駆動するために特定のシステムに印加されなければならない全電位は、典型的には、システムの種々の構成要素に印加されなければならない電位の合計となり得ることを理解するであろう。例えば、システム全体に対する電位は、典型的には、例えば、酸素ガスが水の電気分解から産生される、電極において測定されるような電位よりも高くなり得る。当業者であれば、水の電気分解からの酸素産生のための過電圧が本明細書で論議され、これは、酸素自体への水の変換のために必要とされる電圧に該当し、対極における電圧降下を含まないことを認識するであろう。
【０１２１】
水からの酸素ガスの産生のための熱力学的電位は、反応の条件（例えば、ｐＨ、温度、圧力等）に応じて変化する。当業者であれば、実験条件に応じて、水からの酸素ガスの産生のための必要な熱力学的電位を決定することができるであろう。例えば、水の酸化のｐＨ依存性は、式７を生じるネルンストの式の簡易式から決定されてもよい。
【０１２２】
ＥｐＨ＝Ｅｏ−０．０５９Ｖ×（ｐＨ）                              （７）
式中、ＥＰＨは、所与のｐＨにおける電位であり、Ｅｏは、標準条件（例えば、１ａｔｍ、約２５℃）下での電位であり、ｐＨは、溶液のｐＨである。例えば、ｐＨ０でＥ＝１．２２９Ｖ、ｐＨ７でＥ＝０．８１６Ｖ、ｐＨ１４でＥ＝０．４０３Ｖ．である。
【０１２３】
特定の温度（ＥＴ）における水からの酸素ガスの産生のための熱力学的電位は、式８を使用して決定され得る。
【０１２４】
ＥＴ＝［１．５１８４−（１．５４２１×１０−３）（Ｔ）］＋［（９．５２３×１０−５）（Ｔ）（Ｉｎ（Ｔ））］＋［（９．８４×１０−８）Ｔ２］            （８）
式中、Ｔは、所与のケルビンである。例えば、２５℃においてＥＴ＝１．２２９Ｖ、８０℃においてＥＴ＝１．１８Ｖ．である。
【０１２５】
特定の圧力（Ｅｐ）における水からの酸素ガスの産生のための熱力学的電位は、式９を使用して決定され得る。
【０１２６】
【数１】
2011525217.tif 000004
式中、Ｔは、所与のケルビンであり、Ｆは、ファラデー定数であり、Ｒは、一般気体定数であり、Ｐは、電解槽の作用圧力であり、Ｐｗは、選択された電解質に対する水蒸気の分圧であり、Ｐｗｏは、純水に対する水蒸気の分圧である。この式によって、２５℃において、Ｅｐは、圧力の１０倍増加に対して４３ｍＶだけ増加する。
【０１２７】
場合によっては、本明細書で説明されるような電極は、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０．１ボルト未満、または同等の過電圧によって、水（例えば、ガス状の水および／または液体の水）から酸素ガスを触媒的に産生することが可能であり得る。いくつかの実施形態では、過電圧は、約０．１ボルト乃至約０．４ボルトの間、約０．２ボルト乃至約０．４ボルトの間、約０．２５ボルト乃至約０．４ボルトの間、約０．３ボルト乃至約０．４ボルトの間、約０．２５ボルト乃至約０．３５ボルトの間、または同物である。別の実施形態では、過電圧は、約０．３２５ボルトである。場合によっては、電極の過電圧は、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１ａｔｍ）、無孔質かつ平面的である電流コレクタ（例えば、ＩＴＯ板）、および約１ｍＡ／ｃｍ２の幾何学的電流密度（本明細書で説明されるような）を伴う電解質の標準条件下で決定される。本発明のシステムは、直上で説明される条件以外の条件下で使用できることが理解され、実際に、当業者であれば、多種多様な条件が本発明の使用法に存在し得ることを認識するであろう。しかし、上述の条件は、本発明を明確にする目的で、過電圧、産生される酸素および／または水素の量、および本明細書で規定される他の性能特性等の特徴が、どのように測定されるかを特定する目的で提供されるにすぎない。具体的実施形態では、触媒物質は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを産生し得る。本明細書で説明されるように、酸化される水は、少なくとも１つの不純物（例えば、ＮａＣｌ）を含有するか、または不純水源から提供されてもよい。
【０１２８】
いくつかの実施形態では、電極は、約１００％、約９９．８％を上回る、約９９．５％を上回る、約９９％を上回る、約９８％を上回る、約９７％を上回る、約９６％を上回る、約９５％を上回る、約９０％を上回る、約８５％を上回る、約８０％を上回る、約７０％を上回る、約６０％を上回る、約５０％を上回る等のファラデー効率で、水（例えば、ガス状の水および／または液体の水）から酸素ガスを触媒的に産生することが可能であってもよい。本明細書で使用されるような「ファラデー効率」という用語には、当技術分野でのその通常の意味が与えられ、電荷（例えば、電子）がシステムにおいて伝達され、電気化学反応を促進する効率を指す。システムのファラデー効率の損失は、例えば、非生産的反応、生成物再結合、システムの短絡、および電子の他の移転に関与し得る、電子の誤指図によって引き起こされる場合があり、熱および／または化学副産物の産生をもたらす場合がある。
【０１２９】
ファラデー効率は、場合によっては、既知量の試薬が、通過した電流によって測定されるような生成物に化学量論的に変換されるバルク電気分解を介して決定されてもよく、この量は、別の分析方法を介して測定される生成物の観察された量と比較されてもよい。例えば、デバイスまたは電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生するために使用されてもよい。産生される酸素の総量は、当業者に公知の技法を使用して（例えば、酸素センサ、ジルコニアセンサ、電気化学的方法等を使用して）測定されてもよい。産生されることが見込まれる酸素の総量は、簡単な計算を使用して決定されてもよい。ファラデー効率は、産生される酸素ガスの期待量と対比した、産生される酸素ガスの割合を決定することによって決定されてもよい。非限定的実施例については、実施例３、１０、および１１を参照されたい。場合によっては、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ヶ月、約２ヶ月、約３ヶ月、約６ヶ月、約１２ヶ月、約１８ヶ月、約２年等の電極の動作期間にわたって、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％未満等だけ変化する。
【０１３０】
当業者に公知であるように、水からの酸素ガスの触媒形成中に発生する場合がある副反応の例は、過酸化水素の産生である。過酸化水素の産生は、電極のファラデー効率を減少させる場合がある。場合によっては、電極は、使用中に、約０．０１％未満、約０．０５％未満、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０．６％未満、約０．７％未満、約０．８％未満、約０．９％未満、約１％未満、約１．５％未満、約２％未満、約３％未満、約４％未満、約５％未満、約１０％未満等の過酸化水素の形態である酸素を産生し得る。つまり、この割合未満の産生される酸素の分子は、過酸化水素の形態である。当業者であれば、電極における過酸化水素の産生を決定するための方法、および／または産生される過酸化水素の割合を決定する方法を認識するであろう。例えば、過酸化水素は、回転リングディスク電極を使用して決定されてもよい。ディスク電極において生成される任意の生成物は、リング電極を越えて掃引される。リング電極の電位は、リングにおいて生成されているような過酸化水素を検出するように置かれ得る。
【０１３１】
場合によっては、電極の性能はまた、いくつかの実施形態では、ターンオーバー頻度として表されてもよい。ターンオーバー頻度とは、触媒部位につき１秒で産生される酸素分子の数を指す。場合によっては、触媒部位は、金属イオン種（例えば、コバルトイオン）であってもよい。電極（例えば、電流コレクタおよび触媒物質を含む）のターンオーバー頻度は、触媒部位につき１秒当たり約０．０１未満、約０．００５未満、約０．００１未満、約０．０００７未満、約０．０００５未満、約０．００００１未満、約０．０００００５、またはそれ以下のモルの酸素ガスであってもよい。場合によっては、ターンオーバー頻度は、標準条件（例えば、周囲温度および圧力、１ｍＡ／ｃｍ２、平面電流コレクタ等）下で決定されてもよい。当業者であれば、ターンオーバー頻度を決定する方法を認識するであろう。
【０１３２】
一式の実施形態では、本発明は、電気分解（または他の電気化学反応）を促進することができる触媒電極および／または触媒システムを提供し、電気分解を受ける溶液または物質に提供されるか、またはそこから引き出される電子の大部分または本質的に全ては、触媒物質の反応を通して提供される。例えば、電気分解を受けるシステムに提供されるか、またはそこから引き出される電子の本質的に全ては、触媒反応に関与し、本質的に、添加されるか、または引き出される各電子は、触媒物質の少なくとも１つの元素の化学状態の変化を伴う反応に関与する。他の実施形態では、本発明は、電気分解（例えば、水が分解される）を受けるシステムに添加されるか、またはそこから引き出される、全ての電子の少なくとも約９８％、少なくとも約９５％、少なくとも約９０％、少なくとも約８０％、少なくとも約７０％、少なくとも約６０％、少なくとも約５０％、少なくとも約４０％、または少なくとも約３０％が触媒反応に関与するシステムを提供する。添加されるか、またはそこから引き出される、本質的に全てよりも少ない電子が触媒反応に関与する場合、触媒反応に関与する電流コレクタを直接往復する電気分解溶液または物質（例えば、水）に、単純にいくつかの電子を提供し、かつそこから引き出すことができる。
【０１３３】
いくつかの実施形態では、上記で説明される電極および／または上記の方法を使用して作成される電極を備えるシステムおよび／またはデバイスが提供され得る。具体的には、デバイスは、電気化学デバイス（例えば、エネルギー変換デバイス）であってもよい。電気化学デバイスの非限定的実施例は、本明細書で説明されるような電解デバイス、燃料電池、および再生燃料電池を含む。いくつかの実施形態では、デバイスは、電解デバイスである。電解デバイスは、水（例えば、液体および／またはガス状の水）を電解で分解して酸素および／または水素ガスを産生することによって、酸素ガスおよび／または水素ガス発生器として機能してもよい。燃料電池は、水素ガス（または別の燃料）を酸素ガスと電気化学的に反応させ、水（または別の生成物）および電気を生成することによって、機能し得る。ある配設では、電気化学デバイスは、必要に応じて、電気および水を水素および酸素ガスに変換するためと、水素および酸素ガスを電気および水に逆変換するためとの両方に採用されてもよい。そのようなシステムは、一般的に、再生燃料電池システムと呼ばれる。燃料は、固体、液体、ゲル、および／または気体状態で、デバイスに提供されてもよい。電解デバイスおよび燃料電池は、構造的に同様であるが、異なる半電池反応を達成するために利用される。エネルギー変換デバイスは、いくつかの実施形態では、自動車、住宅、村、冷却デバイス（例えば、冷蔵庫）等を操作するために必要とされるエネルギーの少なくとも一部分を提供するために使用され得る。場合によっては、２つ以上のデバイスが、エネルギーを提供するために採用されてもよい。デバイス用途の他の非限定的実施例は、Ｏ２産生（例えば、ガス状酸素）、Ｈ２産生（例えば、ガス状水素）、Ｈ２Ｏ２産生、アンモニア酸化、炭化水素（例えば、メタノール、メタン、エタノール、および同等物）酸化、排気処理等を含む。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、デバイスは、Ｏ２および／またはＨ２を産生するために使用され得る。Ｏ２および／またはＨ２は、例えば、燃料電池等のデバイスを使用して、電気および水に逆変換され得る。しかしながら、場合によっては、Ｏ２および／またはＨ２は、他の目的で使用されてもよい。例えば、Ｏ２および／またはＨ２は、熱源を提供するように燃焼されてもよい。場合によっては、Ｏ２は、住宅を暖めるために、自動車に電力供給するために、ロケット燃料等として使用され得る燃焼プロセス（例えば、石油、石炭、ガソリン、天然ガス等の炭化水素燃料の燃焼）において使用されてもよい。場合によっては、Ｏ２は、化学物質の産生および／または精製（例えば、エチレンオキシドの産生、ポリマーの産生、溶融した鉱石の精製）のために、化学プラントで使用されてもよい。場合によっては、Ｈ２は、（例えば、水素燃料電池において）デバイスに電力供給するために使用されてもよく、Ｏ２は、大気中に放出され、および／または別の目的で使用されてもよい。他の場合においては、Ｈ２は、化学物質の産生のために、または化学プラントで（例えば、（例えば、脂肪、油等の）水素化分解法、水素化脱アルキル化、水素化脱硫化、水素化等のため、メタノール、酸（例えば、塩酸）、アンモニア等の産生のために）使用されてもよい。Ｈ２およびＯ２はまた、医療、工業、および／または化学プロセスに使用されてもよい（例えば、医療グレード酸素、金属を溶接および切断するための酸素アセチレントーチにおけるアセチレンによる燃焼等）。当業者であれば、Ｏ２および／またはＨ２の用途を認識するであろう。
【０１３５】
いくつかの実施形態では、水から酸素および水素ガスを電気化学的に産生するための電解デバイス、および同デバイスと関連するシステムおよび方法が提供されてもよい。１つの構成では、デバイスは、チャンバと、第１の電極と、第２の電極であって、第１の電極は、第２の電極に対して正にバイアスされる、第２の電極と、電解質であって、各電極が電解質と流体接触している、電解質と、第１および第２の電極と電気的に連通している電源とを備える。場合によっては、電解質は、陰イオン種（電極の触媒物質に含まれる）を含んでもよい。第１の電極は、第２の電極に対して負または正にバイアスされると見なされてもよく、第１の電極の第１の電圧電位が、第２の電極の第２の電圧電位に対して、それぞれ、負または正であることを意味する。第２の電極は、約１．２３Ｖ未満（例えば、水を酸素および水素ガスに転換する熱力学によって規定される最小値）、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、および同等だけ、第２の電極に対して負または正にバイアスされてもよい。場合によっては、バイアスは、約１．５Ｖ乃至約２．０Ｖの間、約１．６Ｖ乃至約１．９Ｖの間であってもよく、または約１．６Ｖである。
【０１３６】
陽子は、当技術分野で公知であるように、任意の好適な陽子源を使用して、本明細書に説明されるデバイスに提供されてもよい。陽子源は、陽子、例えば、Ｈ＋、Ｈ３Ｏ＋、ＮＨ４＋等を供給することが可能である任意の分子または化学物質であってもよい。（例えば、燃料電池において燃料として使用するための）水素源は、例えば、水素ガス、水素が豊富なガス、天然ガス等の、水素を含む任意の物質、化合物、または溶液であってもよい。デバイスに提供される酸素ガスは、実質的に純粋であってもなくてもよい。例えば、場合によっては、酸素が豊富なガス、空気等の、酸素を含む任意の物質、化合物、または溶液が提供されてもよい。
【０１３７】
電解デバイスの実施例が、図６に図示されている。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、第１および／または第２の電極は、本明細書で説明されるような電極である。第１の電極１２２および第２の電極１２４は、電解質１６２と接触している。この実施例では、電解質１２６は水を含む。しかしながら、場合によっては、物理的障壁（例えば、アスベストから成る多孔質隔膜、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の微孔性セパレータ）および同等物が、依然としてイオンが片側から別の側へ流れることを可能にしながら、第２の電極と接触している電解質溶液から、第１の電極と接触している電解質溶液を分離してもよい。そのような場合において、任意の好適な水源を使用して、水がデバイスに提供されてもよい。
【０１３８】
この非限定的実施形態では、電解デバイスは、以下のように操作されてもよい。電源がオンにされてもよく、電子正孔対が生成されてもよい。正孔１２８が第１の電極１２２に注入され、電子１３０が第２の電極１２４に注入される。第１の電極において、半反応１３２に示されるように、酸素ガス、４つの陽子、および４つの電子を形成するように水が酸化される。第２の電極において、半反応１３４で示されるように、電子は、水素を産生するように（例えば、陽子源からの）陽子と組み合わせられる。第１の電極から第２の電極への正味の電子流がある。産生される酸素および水素ガスは、燃料電池を含む他のデバイスで貯蔵および／または使用されるか、または、商業用途あるいは他の用途で使用されてもよい。
【０１３９】
いくつかの実施形態では、電解デバイスは、第２の電気化学電池と電気的に連通している第１の電気化学電池を備えてもよい。第１の電気化学電池は、本明細書で説明されるような電極を備えてもよく、かつ水から酸素ガスを産生してもよい。酸素ガスの形成中に電極において形成される電子は、第２の電気化学電池に移動させられてもよい（例えば、回路を通して）。電子は、（例えば、水素イオンからの水素ガスの産生のための）第２の反応において、第２の電気化学電池で使用されてもよい。いくつかの実施形態では、第２の電気化学電池への第１の電気化学電池で産生された水素イオンの輸送を可能にする、材料が提供されてもよい。当業者であれば、そのようなデバイスに好適な構成および材料を認識するであろう。
【０１４０】
場合によっては、デバイスは、第１の物質および第２の物質を含む、電流コレクタと結合した触媒物質を含む電極を備えてもよい。例えば、図７に示されるように、デバイスは、筐体２９８、水の酸化中に産生される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と、第１の電極３０２と、第２の電極３０７（第１の物質３０６、第２の物質３１６、および触媒物質３０８を含む）とを備えてもよい。場合によっては、物質３０４が、第１の電極３０２と第２の電極３０６との間に存在してもよい（例えば、ドープされていない半導体）。デバイスは、電解質（例えば、３００、３１８）を備える。第２の物質３１６は、多孔質導電性材料（例えば、バルブ金属、金属化合物）であってもよく、電解質（例えば、３１８）は、物質の細孔を充填する。理論に制約されることを希望することなく、物質３１６は、膜の役割を果たし、第１の物質３０６で生成される電子の第２の物質３１６の外面３２４への伝達を可能にし得る。第２の物質３１６はまた、例えば、酸素ガスの産生のための過電圧が高い場合に、第２の物質３１６の細孔の中で酸素ガスが産生されないように、選択されてもよい。酸素ガスは、第２の物質３１６の外面３２４上または付近で形成してもよい（例えば、第２の物質３１６の外面３２４と結合された触媒物質を介して）。第２の物質３１６として使用するために好適であってもよい物質の非限定的実施例は、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。場合によっては、物質は、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ってもよい。場合によっては、物質は、酸化チタン、またはドープされた酸化チタン（例えば、ニオブ、タンタル、タングステン、フッ素等を伴う）であってもよい。
【０１４１】
電解デバイスは、水（例えば、ガス状の水および／または液体の水）から酸素ガスを触媒的に形成するとときに、低い過電圧で動作し得る。場合によっては、電解デバイスは、本明細書で説明されるような過電圧で、水から酸素ガスを触媒的に産生し得る。過電圧は、標準条件（例えば、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１ａｔｍ）、無孔質かつ平面的である電流コレクタ（例えば、ＩＴＯ板）、および約１ｍＡ／ｃｍ２の幾何学的電流密度）下で決定され得る。
【０１４２】
場合によっては、燃料電池（または燃料・エネルギー変換デバイス）、および同電池と関連するシステムおよび方法が提供され得る。燃料・エネルギー変換デバイスは、燃料を電気エネルギーに電気化学的に変換するデバイスである。典型的な従来の燃料電池は、２つの電極である第１の電極および第２の電極と、第１および第２の電極の両方と接触している電解質と、デバイスによって作成された電力がそこから引き出される、第１および第２の電極を接続する電気回路とを備える。典型的な動作では、回路を通って移動し、第２の電極において酸化剤（例えば、酸素ガス、または空気からの酸素）を還元する陽子を産生するために、燃料（例えば、水素ガス、炭化水素、アンモニア等）が、第１の電極において酸化される。本明細書で説明される触媒物質および電極が、一式の実施形態では、第２の電極を画定するために使用されることができる。電子は、電流を収集することが可能なデバイス、または電気回路の他の構成要素によって、第１の電極から除去され得る。全体の反応はエネルギー的に起こりやすく、すなわち、反応が励起電子および／または熱の形態でエネルギーを放出する。第１および第２の電極を接続する電気回路を通って移動する電子は、デバイスから抽出され得る電力を提供する。
【０１４３】
燃料電池の構造および動作は、当業者に公知であろう。本発明の電極および／または触媒物質を含み得る燃料電池デバイスの非限定的実施例は、陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、アルカリ燃料電池、直接メタノール型燃料電池、亜鉛空気燃料電池、陽子セラミック燃料電池、および微生物燃料電池を含む。場合によっては、燃料電池は、ＰＥＭ燃料電池であり、ポリマー交換膜を備える。当業者にとって公知であるように、ポリマー交換膜は、電子ではなく水素イオン（陽子）を伝導し、膜は、ガス（例えば、水素ガスまたは酸素ガス）が電池の反対側に移動することを可能にせず、膜は通常、カソードにおける還元環境ならびにアノードにおける厳しい酸化環境に対して、化学的に不活性である。
【０１４４】
当業者であれば、燃料電池の性能を測定および決定する方法を認識するであろう。いくつかの実施形態では、燃料電池の効率は、そこから引き出される電力の量に依存している。場合によっては、燃料電池効率は、産生されるエネルギーと消費される水素との間の比として規定され得る。場合によっては、効率の損失は、燃料電池の電圧降下によるものであり得る。燃料電池の性能の尺度の別の非限定的実施例は、分極曲線とも呼ばれる電圧対電流のグラフである。場合によっては、燃料電池は、約３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、またはそれ以上を上回る効率で動作し得る。場合によっては、燃料電池が産生することが可能な最大電圧は、性能特性として決定され得る。
【０１４５】
いくつかの実施形態では、デバイスは、本明細書で説明されるような触媒物質、電極、またはデバイスを使用する再生燃料電池であってもよい。再生燃料電池は、燃料電池と、電解デバイスとを備えるデバイスである。電解デバイスおよび燃料電池は、電解槽または燃料電池として動作可能である同じ構成要素によって主に画定され得る電解デバイスおよび燃料電池の一方または両方は、そのデバイスのみに使用されるが他方には使用されない構成要素を含むことができる。例えば、再生燃料電池は、第１の電極および第２の電極を含むことができ、第１および第２の電極の両方は、電位、燃料等の可用性および設定に応じて、電解デバイスおよび燃料電池の両方に使用される。別の実施例として、再生燃料電池は、独自の一式の電極、電解質、区画、および種々の接続部によって画定される電解槽と、電解槽の構成要素のうちのいくつかまたは全てとは異なる独自の電極等によって画定される別個の燃料電池とを含んでもよい。使用の一例として、電解デバイスおよび燃料電池が、主に同じ構成要素によって画定される場合には、デバイスが電解デバイスとして機能している場合、一組の少なくとも２つの電極を使用して、酸素および水素ガスを水から触媒的に産生することができる。酸素および水素ガスは、貯蔵され、次いで、これらの同じ電極を使用して、または同じ電極のうちの少なくとも１つを使用して、デバイスが燃料電池として機能している場合、燃料として使用され得る。この配設では、システムは、実質的に収納され、繰り返し使用され得る。
【０１４６】
特定の実施形態では、再生燃料電池(例えば、電解デバイスおよび燃料電池)は、次に貯蔵される燃料を生成する電解デバイスに、電気エネルギーを提供する電源に電気的に接続される。場合によっては、電源は、日中に電解デバイスに電気エネルギーを提供し得る太陽電池であってもよい。光起電デバイスはまた、太陽電池によって生成された電圧が、選択された量の燃料を産生するために必要とされる電圧よりも大きい場合に、電気エネルギーを消費者デバイスに提供してもよい。光起電デバイスを備える再生燃料電池システムにおいて、燃料電池は、電解デバイスによって産生された貯蔵燃料から、夜間に電気エネルギーを生成してもよく、かつ夜間にこの電気エネルギーを消費者デバイスに供給してもよい。再生燃料電池は、所定数のサイクルにわたって、燃料電池モードよりも電気分解モードにおいて長い持続時間、動作してもよい。この動作時間の違いは、過剰な燃料を産生するために使用されてもよい。例えば、再生燃料電池は、次の燃料電池モード期間全体に十分な燃料を再生するために、電気分解モードの一部分の間に動作し、次いで、過剰な燃料を産生するために残りの電気分解モード期間にわたって動作し得る。場合によっては、再生燃料電池の動作は、日中／夜間サイクルに従い得る。そのようなシステムはしばしば、電解デバイスおよび／または消費者デバイスに電力供給するために、日中は光起電力供給部によって動作し、消費者デバイスに電力供給するために燃料電池を操作することによって、夜間は電解デバイスによって産生された燃料を放出する。
【０１４７】
図８Ａは、燃料電池と電解デバイスとを組み合わせる再生燃料電池の非限定的実施例を図示する。図に示されるように、水素ガス１４０および酸素ガス１４２は、デバイスが燃料電池（１４８）として操作される場合、水１４４および電気を生成するように組み合わせられる。また、図８Ａには燃料電池の半電池反応１５０および１５２も示されている。水素ガス１４０および酸素ガス１４２は、デバイス１５４の中で第１の電極１５６および第２の電極１５８にそれぞれ導入され得る。電極は、例えば、本明細書で説明されるような電極となり得る。動作の燃料電池モードでは、電流１６２が、電気化学的半電池反応１５０および１５２によって産生され、電気デバイス１６２に電力供給することができる。
【０１４８】
例えば、本明細書で説明されるような触媒物質を使用して、適正に触媒されると、電気化学的半電池反応は可逆的であり、デバイスは、電解槽モード１４６で機能し得る。したがって、電極１５６および１５８への電源１６６による電流１６４の印加は、燃料電池反応を逆転させることができる。これは、それぞれ半反応１７４および１７６に従って、供給された水１７２からの水素ガス１６８および酸素ガス１７０の電解産生をもたらす。
【０１４９】
いくつかの実施形態では、（例えば、水の電気分解のための）本明細書で説明されるような電気化学システムおよび／またはデバイスは、ある電圧で操作されてもよく、その場合、システムの電圧は主に、本明細書で説明される過電圧のうちのいずれか１つで維持される。つまり、そのようなシステムでは、過電圧は、本明細書で説明されるレベルのうちの１つにおいて、または本明細書で説明される範囲のうちの１つ以内で、一定のレベルで維持され得るが、維持される必要はない。システムの電位は、使用中に、直線的に、非直線的に、段階的に、または同等の方法で調整することができる。しかし、場合によっては、システムは、システムが動作可能であ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％にわたって、本明細書で説明される過電圧において、または過電圧範囲内で作動される。一実施形態では、電圧は、システムおよび／またはデバイスが動作可能である時間の本質的に１００％にわたって、そのような過電圧に保持される。これは、システムを規定の過電圧に保持することができるが、使用中の期間にわたって、そのレベルまたは範囲外にさせることができ、しかし、本発明のこの側面によれば、上記の規定の時間の割合のうちの１つ以内であることを意味する。
【０１５０】
デバイスの電極の性能は、電流密度（例えば、幾何学的および／または総電流密度）によって測定されてもよく、電流密度は、保存電荷流の密度の尺度である。例えば、電流密度は、断面の単位面積当たりの電流である。場合によっては、上記で説明されるような電極の電流密度（例えば、上記で説明されるような幾何学的電流密度および／または総電流密度）は、約０．１ｍＡ／ｃｍ２より大きい、約１ｍＡ／ｃｍ２より大きい、約５ｍＡ／ｃｍ２より大きい、約１０ｍＡ／ｃｍ２より大きい、約２０ｍＡ／ｃｍより大きい、約２５ｍＡ／ｃｍ２より大きい、約３０ｍＡ／ｃｍ２より大きい、約５０ｍＡ／ｃｍ２より大きい、約１００ｍＡ／ｃｍ２より大きい、約２００ｍＡ／ｃｍ２より大きい、および同等である。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、電流密度は、幾何学的電流密度として表すことができる。本明細書で使用されるような幾何学的電流密度は、電極の幾何学的表面積で割った電流である。電極の幾何学的表面は、当業者によって理解され、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、肉眼測定ツール（例えば、定規）によって測定されてもよく、内部表面積（例えば、発泡体等の多孔質材料の細孔内の面積、または、メッシュ内に含有され、外側境界を画定しないメッシュの繊維の表面積等）を含まない面積を指す。
【０１５２】
場合によっては、電流密度は、総電流密度として表すことができる。本明細書で使用されるような総電流密度は、本質的に電極の総表面積（例えば、全ての細孔、繊維等を含む、総表面積）で割った電流密度である。場合によっては、総電流密度は、幾何学的電流密度にほぼ等しくあり得る（例えば、電極が多孔質ではなく、総表面積が幾何学的表面積にほぼ等しい場合において）。
【０１５３】
いくつかの実施形態では、本明細書で説明されるようなデバイスおよび／または電極は、１時間当たり、酸素産生または水素産生がそれぞれ生じる電極において１ｃｍ２当たり少なくとも約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、またはそれ以上を産生することが可能である。電極の面積は、本明細書で説明されるような幾何学的表面積または総表面積であってもよい。
【０１５４】
場合によっては、電解デバイスは、太陽電池に電気的に接続可能であり、かつ太陽電池によって駆動されることが可能となるように構築および配設されてもよい（例えば、太陽電池は、水の電気分解のためのデバイス用の電源であってもよい）。太陽電池は、光を吸収し、光を電気エネルギーに変換する光活性物質を含む。当業者であれば、「太陽電池に電気的に接続可能であり、かつ太陽電池によって駆動されることが可能となるように構築および配設される」デバイスの意味を理解するであろう。この配設は、包装、取扱説明書、独自の接続特徴（機械的および／または電気的）、または同等物を介して相互に接続するために明確に指示される太陽電池および電気分解デバイスを伴う。この実施形態および他の実施形態では、２つ（太陽電池および電気分解デバイス）をキットとして一緒に包装することができる。電解デバイスは、本明細書で説明されるような触媒物質および／または電極またはデバイスのうちのいずれかを含んでもよい。太陽電池、および同太陽電池を提供する方法およびシステムが、当業者に公知となるであろう。場合によっては、本明細書で説明されるような触媒物質の使用によって、水の電気分解は、１時間当たり太陽電池１ｃｍ２当たり、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の酸素の産生率で続行し得る。特定の実施形態では、本明細書で説明されるような光起電デバイスおよび電解デバイスを備えるデバイスは、１時間当たり太陽電池１ｃｍ２当たり、少なくとも約１０μｍｏｌの酸素を産生することが可能であってもよい。
【０１５５】
本明細書で説明されるようなデバイスおよび方法は、場合によっては、ほぼ周囲条件において続行し得る。周囲条件は、デバイスおよび／または方法に関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、１ａｔｍ、１４ｐｓｉ）の圧力によって規定され得る。場合によっては、条件は、本質的に周囲のものであり得る。本質的な周囲温度範囲の非限定的実施例は、約０℃乃至約４０℃の間、約５℃乃至約３５℃の間、約１０℃乃至約３０℃の間、約１５℃乃至約２５℃の間、約２０℃、約２５℃、および同等を含む。本質的な周囲圧力範囲の非限定的実施例は、約０．５ａｔｍ乃至約１．５ａｔｍの間、約０．７ａｔｍ乃至約１．３ａｔｍの間、約０．８乃至約１．２ａｔｍの間、約０．９ａｔｍ乃至約１．１ａｔｍの間、および同等を含む。特定の場合において、圧力は、約１．０ａｔｍであってもよい。周囲または本質的な周囲条件は、任意の条件（例えば、ｐＨの条件等）と併せて、本明細書で説明されるデバイス、組成物、触媒物質、および／または方法のうちのいずれかと併用することができる。
【０１５６】
場合によっては、本明細書で説明されるようなデバイスおよび／または方法は、周囲温度を上回る温度で続行してもよい。例えば、デバイスおよび／または方法は、約３０℃を上回る、約４０℃を上回る、約５０℃を上回る、約６０℃を上回る、約７０℃を上回る、約８０℃を上回る、約９０℃を上回る、約１００℃を上回る、約１２０℃を上回る、約１５０℃を上回る、約２００℃を上回る、またはそれ以上の温度で操作されてもよい。場合によっては、周囲よりも高い温度で、効率を増加させることができる。デバイスの温度は、提供および／または形成される水が気体状態であるように選択されてもよい（例えば、約１００℃を上回る温度で）。他の場合においては、本明細書で説明されるようなデバイスおよび／または方法は、周囲温度を下回る温度で続行してもよい。例えば、デバイスおよび／または方法は、約２０℃未満、約１０℃未満、約０℃未満、約−１０℃未満、約−２０℃未満、約−３０℃未満、約−４０℃未満、約−５０℃未満、約−６０℃未満、約−７０℃未満、またはそれ以下の温度で操作されてもよい。場合によっては、デバイスおよび／または方法の温度は、外部温度源（例えば、加熱および／または冷却コイル、赤外光、冷凍等）の影響を受け得る。しかしながら、他の場合においては、デバイスおよび／または方法の温度は、内部プロセス、例えば、発熱および／または吸熱反応等の影響を受け得る。場合によっては、デバイスおよび／または方法は、デバイスおよび／または方法の使用の全体を通して、ほぼ同じ温度で操作されてもよい。他の場合においては、温度は、デバイスおよび／または方法の使用中に、少なくとも一度、または次第に変化させられてもよい。特定の実施形態では、デバイスの温度は、デバイスが日光または他の放射電源と併せて使用される時間の間に、上昇させられてもよい。
【０１５７】
いくつかの実施形態では、本明細書で説明されるような方法および／またはデバイスの使用中に提供および／または形成される水は、気体状態であってもよい。当業者であれば、場合によっては、必要以上の実験がなくても、水蒸気とともに実行される公知の電気化学技法を適用することができるであろう。例示的実施形態としては、場合によっては、水は、気体状態で電極を備える電解デバイス（例えば、高温電気分解または蒸気電気分解）に提供されてもよい。場合によっては、デバイスに提供されるガス状の水が、本質的に水蒸気を産生するデバイスまたはシステム（例えば、原子力発電所）によって産生されてもよい。電解デバイスは、場合によっては、第１および第２の多孔質電極（例えば、本明細書で説明されるような電極、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）と、電解質とを備えてもよい。電解質は、選択されたガス（例えば、酸素、酸化物、分子ガス（例えば、水素、窒素等））に対して非透過性であってもよい。電解質の非限定的実施例は、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。気体状態の水を使用し得る、１つの電解デバイスの非限定的実施例が、図８Ｂに示されている。第１の電極２００と、第２の電極２０２と、不透過性電解質２０４と、電源２０８と、第１の電極および第２の電極を接続する回路２０６とを備える、電解デバイスが提供され、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る。ガス状の水２１０が、第１の電極２００に提供される。酸素ガス２１２が、第１の電極２００において産生され、ガス状の水２１４を含むことがあってもよい。水素ガス２１６が、第２の電極２０２において産生される。いくつかの実施形態では、蒸気電気分解が、約１００℃乃至約１０００℃の間、約１００℃乃至約５００℃の間、約１００℃乃至約３００℃の間、約１００℃乃至約２００℃の間、または同等の温度で行われてもよい。理論に制約されることを希望することなく、場合によっては、気体状態の水を提供することにより、液体状態の水を提供した時の同様のデバイスと比較して、電気分解がより効率的に続行することを可能にし得る。これは、水蒸気のより高い入力エネルギーによるものであり得る。場合によっては、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）を含んでもよい。
【０１５８】
水の電気分解のための電気化学電池のさらに別の実施形態は、容器と、容器中の水性電解質であって、電解質のｐＨが中性以下である、電解質と、容器の中に載置され、かつ電解質と接触している第１の電極であって、第１の電極は、金属イオン種および陰イオン種であって、実質的に非晶質の組成物を規定する、金属イオン種および陰イオン種を含み、金属イオン種が（ｎ）の酸化状態であるときは約１０−３乃至１０−１０の間の平衡定数Ｋｓｐを有し、金属イオン種が（ｎ＋ｘ）の酸化状態であるときは約１０−１０未満のＫｓｐを有する、第１の電極と、容器の中に載置され、かつ電解質と接触している第２の電極であって、第２の電極は、第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、第１の電極および第２の電極を接続するための手段とを備えてもよい。この実施形態では、電圧が第１の電極と第２の電極との間に印加されると、ガス状の水素が第２の電極において発生し得、ガス状の酸素が第１の電極において産生され得る。
【０１５９】
本明細書で説明されるもの等の電気化学デバイスに関与する全体的電気化学および／または化学の個々の側面が、概して公知であり、本明細書では全てを詳細に説明するわけではない。本明細書で説明される特定の電気化学デバイスは、例示的にすぎず、本明細書で説明されるような構成要素、接続、および技法は、種々の固体、液体、および／または気体燃料、および種々の電極、および動作条件下で液体または固体であってもよい（実行可能である場合、概して、隣接構成要素について、いずれかが液体であれば、１つが固体となり、１つが液体となる）電解質を伴うものを含む、事実上任意の好適な電気化学デバイスに適用できることを理解されたい。また、論議される電気化学デバイスユニット配設は、本明細書で記載されるような電極を利用することができる、電気化学デバイスの実施例にすぎないことも理解されたい。本明細書で説明されるように利用し、有効化される、本明細書で開示されるもの以外の多くの構造配設が、当業者にとって明白となるであろう。
【０１６０】
したがって、電気化学デバイスは、より大型のデバイスまたはシステムを形成するために、追加の電気化学デバイスと組み合わされてもよい。いくつかの実施形態では、これは、ユニットまたはデバイス（例えば、燃料電池および／または電解デバイス）の積層の形態を成してもよい。２つ以上の電気化学デバイスが組み合わせられる場合、デバイスは全て、本明細書で説明されるようなデバイスであってもよく、または本明細書で説明されるような１つ以上のデバイスは、従来の固体酸化物燃料電池等の他の電気化学デバイスと組み合わせられてもよい。この用語が使用される場合、本発明のシステムおよび技法に従って機能できると当業者が認識する、任意の好適な電気化学デバイスを置換できると理解されたい。
【０１６１】
水は、任意の好適な供給源を使用して、本明細書で説明されるシステム、デバイス、電極、および／または方法に提供されてもよい。場合によっては、提供される水は、実質的に純粋な水源（例えば、蒸留水、脱イオン水、化学グレード水等）からであってもよい。場合によっては、水は、ボトル入りの水であってもよい。場合によっては、提供される水は、天然および／または不純水源（例えば、水道水、湖水、海洋水、雨水、湖水、池水、海水、携帯用水、半塩水、工業プロセス水等）によるものである。場合によっては、水は、その必要はないが、使用前（例えば、電気分解用のためにシステム／電極に提供される前）に浄化されない。場合によっては、水は、使用前に微粒子および／または他の不純物を除去するように濾過されてもよい。いくつかの実施形態では、（例えば、本明細書で説明されるような電極および／またはデバイスを使用して）酸素ガスを産生するために電解される水は、実質的に純粋であってもよい。水の純度は、当業者に公知の１つ以上の方法、例えば、抵抗率、炭素含有量（例えば、全有機炭素分析器の使用を通した）、ＵＶ吸収度、酸素吸収度試験、リムルス遊走細胞溶解物試験等を使用して、決定されてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの不純物は、触媒反応に触媒反応に実質的に関与しなくてもよい。つまり、少なくとも１つの不純物は、触媒サイクルおよび／または再生機構.の側面に関与しない。
【０１６２】
いくつかの実施形態では、水は、少なくとも１つの不純物を含有してもよい。少なくとも１つの不純物は、固体（例えば、粒子状物質）、液体、および／または気体であってもよい。場合によっては、不純物は、可溶化および／または溶解させられてもよい。例えば、不純物は、イオン種を含んでもよい。場合によっては、不純物は、概して水源（例えば、水道水、非携帯用水、携帯用水、海水等）に存在してもよい、不純物であってもよい。特定の実施形態では、水源は、海水であってもよく、不純物のうちの１つは、本明細書でさらに露恩義されるような塩化物イオンであってもよい。場合によっては、不純物は、金属元素（重金属を含む）、金属イオン、少なくとも１つの金属を含む化合物、金属を含む陰イオン種等の、金属を含んでもよい。例えば、金属を含む不純物は、アルカリ土類金属、アルカリ金属、遷移金属、または同等物を含んでもよい。金属の具体的な非限定的実施例は、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、カルシウム、水銀、鉛、バリウム等を含む。場合によっては、金属を含む不純物は、本明細書で説明されるような電極および／または触媒物質の金属イオン種に含まれる金属と同じ、または異なってもよい。場合によっては、不純物は、有機物質、例えば、有機小分子（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）、微生物（細菌（例えば、大腸菌、コリフォーム等）、病原菌、真菌、藻等）、他の生体物質、医薬品（例えば、薬剤、薬剤からの分解生成物）、除草剤、発熱物質、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、シリコン、硫黄、窒素、シアン化物、リン、ヒ素、ナトリウム等を含む化合物、二酸化炭素、ケイ酸塩（例えば、Ｈ４ＳｉＯ４）、第１および第２鉄化合物、塩化物、アルミニウム、リン酸塩、硝酸塩等）、溶解ガス、懸濁粒子（例えば、コロイド）、または同等物を含んでもよい。場合によっては、不純物は、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ってもよい。場合によっては、ガス不純物は、水中に溶解させられてもよい。場合によっては、電極は、本質的に同一の条件下で不純物を本質的に含有しない水を使用した活性と対比して、少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、ほぼ同じ、約９５％を上回る、約９０％を上回る、約８０％を上回る、約７０％を上回る、約６０％を上回る、約５０％を上回る、または同等の活性レベルで動作することが可能であってもよい。場合によっては、電極は、産生される生成物の約５ｍｏｌ％未満、約３ｍｏｌ％未満、約２ｍｏｌ％未満、約１ｍｏｌ％未満、約０．５ｍｏｌ％未満、約０．１ｍｏｌ％未満、約０．０１ｍｏｌ％が、少なくとも１つの不純物の任意の部分を含むように、少なくとも１つの不純物を含む水から酸素を触媒的に産生してもよい。
【０１６３】
場合によっては、不純物は、約１ｐｐｔを上回る、約１０ｐｐｔを上回る、約１００ｐｐｔを上回る、約１ｐｐｂを上回る、約１０ｐｐｂを上回る、約１００ｐｐｂを上回る、約１ｐｐｍを上回る、約１０ｐｐｍを上回る、約１００ｐｐｍを上回る、約１０００ｐｐｍを上回る、またはそれ以上の量で、水中に存在してもよい。他の場合においては、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、または同等の量で、水中に存在してもよい。場合によっては、水は、少なくとも１つの不純物、少なくとも２つの不純物、少なくとも３つの不純物、少なくとも５つの不純物、少なくとも１０の不純物、少なくとも１５の不純物、少なくとも２０の不純物、またはそれ以上を含有してもよい。場合によっては、不純物の量は、電極および／またはデバイスの動作中に増加または減少してもよい。つまり、不純物は、電極および／またはデバイスの使用中に形成されてもよい。例えば、場合によっては、不純物は、水の分解中に形成されるガス（例えば、酸素ガスおよび／または水素ガス）であってもよい。したがって、場合によっては、水は、電極および／またはデバイスの動作の前に、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、または同等を含有してもよい。
【０１６４】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの不純物は、陰イオン種であってもよい。場合によっては、少なくとも１つのイオン種を含有するとき、水の純度は、少なくとも部分的に、水の抵抗率を測定することによって決定されてもよい。２５℃での水の理論的抵抗率は、約１８．２ＭΩ・ｃｍである。実質的に純粋ではない水の抵抗率は、約１８ＭΩ・ｃｍ未満、約１７ＭΩ・ｃｍ未満、約１６ＭΩ・ｃｍ未満、約１５ＭΩ・ｃｍ未満、約１２ＭΩ・ｃｍ未満、約１０ＭΩ・ｃｍ未満、約５ＭΩ・ｃｍ未満、約３ＭΩ・ｃｍ未満、約２ＭΩ・ｃｍ未満、１ＭΩ・ｃｍ未満、約０．５ＭΩ・ｃｍ未満、約０．１ＭΩ・ｃｍ未満、約０．０１ＭΩ・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ってもよい。場合によっては、水の抵抗率は、約１０ＭΩ・ｃｍ乃至約１Ω・ｃｍの間、約１ＭΩ・ｃｍ乃至約１０Ω・ｃｍの間、約０．１ＭΩ・ｃｍ乃至約１００Ω・ｃｍの間、約０．０１ＭΩ・ｃｍ乃至約１０００Ω・ｃｍの間、約１０，０００Ω・ｃｍ乃至約１，０００Ω・ｃｍの間、約１０，０００ＭΩ・ｃｍ乃至約１００Ω・ｃｍの間、約１，０００乃至約１Ω・ｃｍの間、約１，０００乃至約１０Ω・ｃｍの間、および同等であってよい。場合によっては、水源が水道水である時、水の抵抗率は、約１０，０００Ω・ｃｍ乃至約１，０００Ω・ｃｍの間であってもよい。場合によっては、水源が海水である時、水の抵抗率は、約１，０００Ω・ｃｍ乃至約１０Ω・ｃｍの間であってもよい。場合によっては、水は、不純水源から採取され、使用前に浄化されてもよく、水は、約５％、約１０％、約２０％、約２５％、約３０％、約５０％、または同等物よりも大きい倍率だけ水の抵抗率を変化させる方式で浄化されてもよい。当業者であれば、水の抵抗を決定する方法を認識するであろう。例えば、水に浸漬された並列電極間の電気抵抗が測定されてもよい。
【０１６５】
場合によっては、水が不純水源から取得されるか、および／または約１６ＭΩ・ｃｍの抵抗率を有する場合、水は、電気分解で使用する前に水源から引き出された後に、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、またはそれ以下の倍率だけその抵抗率を変化させる態様で浄化（例えば、濾過）されてもよい。
【０１６６】
いくつかの実施形態では、水は、例えば、電極が海水の脱塩に使用されてもよいように、ハロゲン化物イオン（例えば、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物）を含有してもよい。場合によっては、ハロゲン化物イオンは、水からの酸素の触媒産生中に（例えば、Ｃｌ２等のハロゲンガスを形成するように）酸化されない場合がある。理論に制約されることを希望することなく、触媒物質に（例えば、触媒物質の格子内に）組み込まれない場合があるハロゲン化物イオン（または他の陰イオン種）は、水からの酸素の触媒形成中に酸化されない場合がある。これは、ハロゲン化物イオンが金属イオン種との結合を容易に形成しない場合があり、したがって、酸化のための外圏機構のみにアクセスしてもよいためであってもよい。場合によっては、外圏機構によるハロゲン化物イオンの酸化は、動力学的に有利ではない場合がある。場合によっては、電極は、発生するガスの約５ｍｏｌ％未満、約３ｍｏｌ％未満、約２ｍｏｌ％未満、約１ｍｏｌ％未満、約０．５ｍｏｌ％未満、約０．１ｍｏｌ％未満、約０．０１ｍｏｌ％未満が、酸化ハロゲン化物種を含むように、ハロゲン化物イオンを含む水から酸素を触媒的に産生してもよい。いくつかの実施形態では、不純物は、塩化ナトリウムである。
【０１６７】
場合によっては、触媒条件下で、ハロゲン化物（または他の不純物）は、触媒物質および／または金属イオン種と結合しない場合がある。場合によっては、ハロゲン化物イオンおよび金属イオン種を含む錯体は、錯体が、触媒物質を形成しない、および／または、電流コレクタおよび／または電極と結合しないように、実質的に可溶性であってもよい。場合によっては、触媒物質は、約５ｍｏｌ％未満、約３ｍｏｌ％未満、約２ｍｏｌ％未満、約１ｍｏｌ％未満、約０．５ｍｏｌ％未満、約０．１ｍｏｌ％未満、約０．０１ｍｏｌ％未満のハロゲン化物イオン不純物を含んでもよい。
【０１６８】
場合によっては、水の酸化は、動態、溶解度、および同等を含む種々の要因により、ハロゲン化物（または他の不純物）の酸化よりも優勢であってもよい。例えば、陰イオン種に対する金属イオン種の結合親和性は、金属イオン種の配位圏が実質的に陰イオン種によって占有されてもよいように、ハロゲン化物イオンに対する金属イオン種の結合親和性よりも実質的に大きくてもよい。他の場合においては、ハロゲン化物イオンは、ハロゲン化物イオンのサイズにより、触媒物質の格子に（例えば、格子の一部として、または格子の格子間穴内に）組み込まれない場合がある（例えば、ハロゲン化物が大きすぎるか、または小さすぎて、触媒物質の格子内に組み込まれない）。当業者であれば、好適な技法、例えば、質量分析法を使用して、例えば、ハロゲンガス（または酸化ハロゲン化物イオンを含む種）の産生を監視することによって、本明細書で説明されるような電極が、ハロゲン化物イオンを含有する水を使用して酸素を触媒的に産生することができるかどうかを決定できるであろう。
【０１６９】
電極、電源、電解質、セパレータ、容器、回路、絶縁材料、ゲート極等の、デバイスの種々の構成要素は、種々の構成要素のうちのいずれか、ならびに本明細書で説明される特許出願のうちのいずれかで説明される構成要素から、当業者によって製造することができる。構成要素は、任意の他の好適な技法によって、成形され、機械加工され、押出され、圧迫され、イソプレスされ、浸潤され、被覆され、グリーンまたは燃焼状態であり、または形成されてもよい。当業者であれば、本明細書のデバイスの構成要素を形成するための技法を容易に認識するであろう。
【０１７０】
場合によっては、デバイスは、携帯用であってもよい。つまり、デバイスは、十分に小さいので移動可能であるようなサイズであってもよい。いくつかの実施形態では、本発明のデバイスは、携帯用であり、所望の場所（例えば、給水場所、野外の場所等）で、またはその付近で採用することができる。例えば、デバイスは、輸送され、および／または特定の場所で貯蔵されてもよい。場合によっては、デバイスは、デバイスが第１の場所から第２の場所へ運搬または輸送されてもよいように、ストラップまたは他の構成要素（例えば、車輪）を装備してもよい。当業者であれば、携帯用デバイスを識別することができるであろう。例えば、携帯用デバイスは、約２５ｋｇ未満、約２０ｋｇ未満、約１５ｋｇ未満、約１ｋｇ未満、約８ｋｇ未満、約７ｋｇ未満、約６ｋｇ未満、約５ｋｇ未満、約４ｋｇ未満、約３ｋｇ未満、約２ｋｇ未満、約１ｋｇ未満、および同等物の重量を有し、および／またはわずか５０ｃｍ、約４０ｃｍ未満、約３０ｃｍ未満、約２０ｃｍ未満、約１０ｃｍ、および同等である、最大寸法を有してもよい。デバイスの重量および／または寸法は、典型的には、デバイスと関連付けられた構成要素（例えば、水源、水源貯留部、酸素および／または水素貯蔵容器等）を含んでも含まなくてもよい。
【０１７１】
電解質は、当業者に公知であるように、イオン伝導性媒体として機能することが可能である、自由イオンを含有する任意の物質である。場合によっては、電解質は、水源の役割を果たし得る水を含んでもよい。電解質は、液体、ゲル、および／または固体であってもよい。電解質はまた、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、酢酸等の有機酸等を含んでもよい。場合によっては、電解質は、水、有機溶媒、アミン、および同等物等の、溶媒の混合物を含んでもよい。場合によっては、電解質のｐＨは、ほぼ中性であってもよい。つまり、電解質のｐＨは、約５．５乃至約８．５の間、約６．０乃至約８．０の間、約６．５乃至約７．５の間であってもよく、および／またはｐＨは、約７．０である。特定の場合において、ｐＨは、約７．０である。他の場合においては、電解質のｐＨは、ほぼ中性または酸性である。これらの場合において、ｐＨは、約０乃至約８、約１乃至約８、約２乃至約８、約３乃至約８、約４乃至約８、約５乃至約８、約０乃至約７．５、約１乃至約７．５、約２乃至約７．５、約３乃至約７．５、約４乃至約７．５、約５乃至約７．５に及んでもよい。さらに別の場合において、ｐＨは、約６乃至約１０、約６乃至約１１、約７乃至約１４、約２乃至約１２の間、および同等物であってもよい。具体的実施形態では、ｐＨは、約６乃至約８の間、約５．５乃至約８．５の間、約５．５乃至約９．５の間、約５乃至約９の間、約３乃至約１１の間、約４乃至約１０の間、またはそれらの任意の組み合わせであってもよい。場合によっては、電解質は、固体であり、電解質は、固体ポリマー電解質を含んでもよい。固体ポリマー電解質は、陽子を伝導する固体電解質としての機能を果たし、電気化学電池で産生および／または利用されるガスを分離してもよい。固体ポリマー電解質の非限定的実施例は、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、および市販のＮＡＦＩＯＮである。
【０１７２】
場合によっては、電解質は、１つ以上のイオン種を選択的に輸送するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、電解質は、酸素イオン伝導性膜、陽子伝導体、炭酸塩（ＣＯ３−２）伝導体、ＯＨ−伝導体、および／またはそれらの混合物のうちの少なくとも１つである。場合によっては、電解質は、立方蛍石型構造、ドープされた立方蛍石、陽子交換ポリマー、陽子交換セラミック、およびそれらの混合物のうちの少なくとも１つである。さらに、電解質として使用されてもよい酸素イオン伝導性酸化物は、ガドリニウムでドープされたセリア（Ｇｄ１−ｘＣｅｘＯ２−ｄ）またはサマリウムでドープされたセリア（Ｓｍ１−ｘＣｅｘＯ２−ｄ）等のドープされたセリア化合物、イットリウムでドープされたジルコニア（Ｙ１−ｘＺｒｘＯ２−ｄ）またはスカンジウムでドープされたジルコニア（Ｓｃ１−ｘＺｒｘＯ２−ｄ）等のドープされたジルコニア化合物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＧａ１−ｙＭｇｙＯ３−ｄ等のペロブスカイト材料、イットリア安定化酸化ビスマス、および／またはそれらの混合物を含む。電解質として使用されてもよい陽子伝導性酸化物の実施例は、ドームされていない、およびイットリウムでドープされたＢａＺｒＯ３−ｄ、ＢａＣｅＯ３−ｄ、およびＳｒＣｅＯ３−ｄ、ならびにＬａ１−ｘＳｒｘＮｂＯ３−ｄを含むが、それらに限定されない。
【０１７３】
いくつかの実施形態では、電解質は、イオン伝導性材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、イオン伝導性材料は、少なくとも１つの電極上の触媒物質に含まれる、陰イオン種を含んでもよい。電解質中の陰イオン種の存在は、触媒物質を含む電極の使用中に、本明細書で説明されるように、電流コレクタとの陰イオン種および／または金属イオン種の結合に向かって動的平衡を移行させてもよい。他のイオン伝導性材料の非限定的実施例は、金属酸化化合物、可溶性無機および／または有機塩（例えば、塩化ナトリウムまたはカルシウム、硫酸ナトリウム、水酸化第４級アンモニウム等）を含む。
【０１７４】
場合によっては、電解質は、添加物を含んでもよい。例えば、添加物は、陰イオン種（例えば、電流コレクタと結合された触媒物質に含まれるような）であってもよい。例えば、デバイスで使用される電極は、電流コレクタと、少なくとも１つの陰イオン種および少なくとも１つの金属イオン種を含む触媒物質とを含んでもよい。電解質は、少なくとも１つの陰イオン種を含んでもよい。場合によっては、電解質は、触媒物質に含まれる少なくとも１つの陰イオン種とは異なる陰イオン種を含むことができる。例えば、触媒物質は、リン酸陰イオンを含んでもよく、電解質は、ホウ酸陰イオンを含んでもよい。場合によっては、添加物が陰イオン種である場合、電解質は、対カチオンを含んでもよい（例えば、陰イオン種が錯体、塩等として添加されるとき）。陰イオン種は、良好な陽子受容種であり得る。場合によっては、添加物は、陰イオン性ではない（例えば、中性塩基である）良好な陽子受容種であってもよい。中性である良好な陽子受容種の非限定的実施例は、ピリジン、イミダゾール、および同等物を含む。
【０１７５】
場合によっては、電解質は、電気化学デバイスの中で再循環させられてもよい。つまり、電気化学デバイスの中の電解質を移動させることができるデバイスが提供されてもよい。電気化学デバイスの中の電解質の移動は、電解質の境界層を減少させることに役立ち得る。境界層は、電極のごく近傍にある流体の層である。一般に、境界層が存在する程度は、溶液中の液体の流速の関数である。したがって、流体が淀んでいる場合、境界層は、流体が流れている場合よりもはるかに大きくあり得る。したがって、電気化学デバイスの中の電解質の移動は、境界層を減少させ、デバイスの効率を改善し得る。
【０１７６】
ほとんどの実施形態では、デバイスは、本明細書で説明されるような、少なくとも１つの電極を備えてもよい。場合によっては、デバイスは、本明細書で説明されるような電極のほかにも電極を備えてもよい。例えば、電極は、実質的に導電性である任意の物質を含んでもよい。電極は、透明、半透明、半不透明、および／または不透明であってもよい。電極は、中実、半多孔質、または多孔質であってもよい。電極の非限定的実施例は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化フッ素スズ（ＦＴＯ）、ガラス状炭素、金属、リチウム含有化合物、金属酸化物（例えば、酸化白金、酸化ニッケル）、黒鉛、ニッケルメッシュ、炭素メッシュ、および同等物を含む。好適な金属の非限定的実施例は、金、銅、銀、白金、ニッケル、カドミウム、スズ、および同等物を含む。場合によっては、電極は、ニッケル（例えば、ニッケルフォームまたはニッケルメッシュ））を含んでもよい。電極はまた、伝導性として当業者に公知である、任意の他の金属および／または非金属伝導性（例えば、セラミック）であってもよい。電極はまた、光電気化学電池で使用される光活性電極であってもよい。電極は、任意のサイズまたは形状であってもよい。形状の非限定的実施例は、シート、立方体、円柱、中空管、球体、および同等物であってもよい。電極は、任意のサイズであってもよい。加えて、電極は、電極を、別の電極、電源、および／または別の電気デバイスに接続する手段を備えてもよい。
【０１７７】
デバイスの種々の電気的構成要素は、接続するための手段によって、少なくとも１つの他の電気的構成要素と電気的に連通してもよい。接続するための手段は、第１の構成要素と第２の構成要素との間で電気流が発生することを可能にする、任意の材料であってもよい。２つの電気的構成要素を接続するための手段の非限定的実施例は、伝導性材料（例えば、銅、銀等）を含むワイヤである。場合によっては、デバイスはまた、２つ以上の構成要素（例えば、ワイヤおよび電極）の間に電気コネクタを備えてもよい。場合によっては、ワイヤ、電気コネクタ、または他の接続するための手段は、材料の抵抗が低くなるように選択されてもよい。場合によっては、抵抗は、電極、電解質、および／またはデバイスの他の構成要素の抵抗よりも実質的に小さくてもよい。
【０１７８】
いくつかの実施形態では、電源は、電気化学デバイスにＤＣまたはＡＣ電圧を供給し得る。非限定的実施例は、バッテリ、電力網、再生電力供給部（例えば、風力発電機、太陽電池、潮力エネルギー発電機）、発電機、および同等物を含む。電源は、１つ以上のそのような電力供給部（例えば、バッテリおよび太陽電池）を備えてもよい。特定の実施形態では、電力供給部は、太陽電池である。
【０１７９】
いくつかの実施形態では、デバイスは、コンピュータまたはマイクロプロセッサ等の任意の好適なコントローラデバイスであってもよく、かつ電力流を送る方法を決定する論理回路を含有してもよい、電力管理システムを備えてもよい。電力管理システムは、電源から提供されたエネルギー、または電気化学デバイスによって産生されたエネルギーを、終点に、例えば、電解デバイスに方向付けることが可能であってもよい。また、電気エネルギーを電源および／または消費者デバイス（例えば、携帯電話、テレビ）に供給することも可能である。
【０１８０】
場合によっては、電気化学デバイスは、分離膜を備えてもよい。電気化学デバイス用の分離膜またはセパレータは、好適な材料、例えば、プラスチックフィルムでできていてもよい。含まれるプラスチックフィルムの非限定的実施例は、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を含み、その中に分散された、炭酸リチウム、または水酸化カルシウム、または過酸化ナトリウム・カルシウムを含有する。
【０１８１】
容器は、電気化学デバイスの構成要素が保持または運搬されてもよい、カートン、缶、または瓶等の、任意のレセプタクルであってもよい。容器は、当業者に公知となるように、任意の公知の技法または材料を使用して製造されてもよい。例えば、場合によっては、容器は、ガス、ポリマー、金属、および同等物から製造されてもよい。容器は、電気化学デバイスの構成要素を含有することができれば、任意の形状またはサイズを有してもよい。電気化学デバイスの構成要素は、容器の中に載置されてもよい。つまり、構成要素（例えば、電極）は、容器に対して固定化され、場合によっては、容器によって支持されるように、容器と関連付けられてもよい。構成要素は、当業者に公知である、任意の一般的な方法および／または材料（例えば、ネジ、ワイヤ、接着剤等）を使用して、容器に載置されてもよい。構成要素は、容器に物理的に接触してもしなくてもよい。場合によっては、電極は、電極が容器と接触しないように容器の中に載置されてもよいが、容器の中で吊り下げられるように容器の中に載置される。
【０１８２】
本発明の触媒物質および／または電極が、燃料電池等の電気化学デバイスに関連して使用される場合、任意の好適な燃料、酸化剤、および／または反応物質が、電気化学デバイスに提供されてもよい。特定の実施形態では、燃料は、生成物として水を産生するように酸素ガスと反応させられる、水素ガスである。しかしながら、他の燃料および酸化剤を使用することができる。例えば、メタン等の炭化水素ガスが、生成物として水および二酸化炭素を産生するために、燃料として使用されてもよい。天然ガス、プロパン、ヘキサン等の他の炭化水素ガスも、燃料として使用されてもよい。さらに、これらの炭化水素物質は、一酸化炭素等の炭素含有燃料に再形成されてもよく、または以前に供給された一酸化炭素も、燃料として使用されてもよい。
【０１８３】
燃料は、燃料輸送デバイスを使用して、デバイスおよび／またはシステムに供給され、および／またはそこから除去されてもよい。燃料送達の性質は、燃料の種類および／またはデバイスの種類とともに変化してもよい。例えば、固体、液体、および気体燃料は全て、異なる方式で導入されてもよい。燃料輸送デバイスは、電気化学デバイスおよび／または燃料貯蔵デバイスから、水素ガスまたはメタン等の燃料を送達または除去する、パイプまたはホース等のガスまたは液体導管であってもよい。代替として、デバイスは、容器が燃料で充填された後にデバイスから物理的に除去されてもよいガスまたは液体タンク等の、可動ガスまたは液体貯蔵容器を備えてもよい。デバイスが容器を備える場合には、デバイスは、電気化学デバイスに取り付けられたままで燃料貯蔵デバイスとして、および電気化学デバイスから燃料を除去する容器としての両方で使用されてもよい。当業者であれば、デバイスまたはシステムから燃料を供給および／または除去するためのシステム、方法、および／または技法を認識するであろう。
【０１８４】
ここで、本発明の種々の側面を理解するのに役立ち得る、種々の規定を提供する。
【０１８５】
一般に、本明細書で使用されるような「脂肪族」という用語は、以下で規定されるように、１つ以上の官能基と選択的に置換される、飽和および不飽和の両方である、直鎖（すなわち、非分岐）または分岐脂肪族炭化水素を含む。当業者によって理解されるように、「脂肪族」は、本明細書では、アルキル、アルケニル、アルキニル部分を含むことを目的とするが、それらに限定されない。したがって、例示的な脂肪族基は、再度、以前に規定されたように、１つ以上の官能基を持ってもよい、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、および同等物を含むが、それらに限定されない。
【０１８６】
本明細書で使用されるような「アルキル」という用語には、当技術分野でのその通常の意味が与えられ、直鎖アルキル基、分岐鎖アルキル基、シクロアルキル(脂環式)基、アルキル置換シクロアルキル基、シクロアルキル置換アルキル基を含む、飽和脂肪族基を含んでもよい。類似慣例が、「アルケニル」、「アルキニル」、および同等物等の他の一般名に該当する。さらに、本明細書で使用されるように、「アルキル」、「アルケニル」、「アルキニル」、および同等物といった用語は、置換基および非置換基の両方を包含する。
【０１８７】
いくつかの実施形態では、直鎖または分岐鎖アルキルは、その骨格に３０個以下の炭素原子を有し、場合によっては、２０個以下を有してもよい。いくつかの実施形態では、直鎖または分岐鎖アルキルは、その骨格に１２個以下の炭素原子（例えば、直鎖についてはＣ１−Ｃ１２、分岐鎖についてはＣ３−Ｃ１２）を有し、６個以下を有し、または４個以下を有する。同様に、シクロアルキルは、それらのリング構造に３〜１０個の炭素原子、またはリング構造に５、６、または７個の炭素を有する。アルキル基の実施例は、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、および同等物を含むが、それらに限定されない。場合によっては、アルキル基は、環状ではない場合がある。非環状アルキルの実施例は、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−ウンデシル、ドデシルを含むが、それらに限定されない。
【０１８８】
「アルケニル」および「アルキニル」という用語は、長さおよび可能な置換において上記で説明されるアルキルと類似するが、それぞれ、少なくとも１つの二重または三重結合を含有する、不飽和脂肪族基を指す。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、および同等物を含むが、それらに限定されない。アルキニル基の非限定的実施例は、エチニル、２−プロピニル（プロパルギル）、１−プロピニル、および同等物を含む。
【０１８９】
「ヘテロアルケニル」および「ヘテロアルキニル」という用語は、長さおよび可能な置換において上記で説明されるヘテロアルキルと類似するが、それぞれ、少なくとも１つの二重または三重結合を含有する、不飽和脂肪族基を指す。
【０１９０】
本明細書で使用されるような「ハロゲン」または「ハロゲン化物」という用語は、−Ｆ、−Ｃｌ、−Ｂｒ、または−Ｉを指定する。
【０１９１】
「アリール」という用語は、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つが芳香族である複数の縮合環（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、またはフェナンスリル）を有する、選択的に置換される、芳香族炭素環式基を指す。つまり、少なくとも１つの環が、共役Ｐｉ電子系を有してもよい一方で、他方の隣接する環は、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／または複素環となり得る。アリール基は、本明細書で説明されるように、選択的に置換されてもよい。「炭素環式アリール基」とは、芳香環上の環原子が炭素原子である、アリール基を指す。炭素環式アリール基は、単環炭素環式アリール基、およびナフチル基等の多環式または化合物（例えば、２つ以上の隣接環原子が２つの隣接環に共通している）。アリール基の非限定的実施例は、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、および同等物を含む。
【０１９２】
「ヘテロアリール」という用語は、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指す。ヘテロアリール基の非限定的実施例は、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、および同等物を含む。
【０１９３】
また、本明細書で規定されるような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付着され、したがって、−（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も含んでもよいことも理解されるであろう。したがって、本明細書で使用されるような、「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」という用語は、交換可能である。
【０１９４】
上記の基のうちのいずれかは、選択的に置換されてもよい。本明細書で使用されるような「置換される」という用語は、有機化合物の全ての許容置換基を含むように検討され、「許容」は、当業者に公知の価数の科学規則と関連する。「置換される」は、置換が、例えば、転位、環化、排除等による転換を自発的に受けない、安定化合物をもたらすことも含むと理解されたい。場合によっては「置換される」は、概して、本明細書で説明されるような置換基との水素の交換を指してもよい。しかしながら、本明細書で使用されるような「置換される」は、それによって分子が識別される主要官能基の交換および／または改変を包含しないため、例えば、「置換」官能基は、置換を通して異なる官能基になる。例えば、「置換フェニル基」は、フェニル部分を依然として含まなければならず、この規定では、例えば、ピリジン環になるように、置換によって修正することはできない。広義の側面では、許容置換基は、有機化合物の非環式および環式、分岐および非分岐、炭素環式および複素環式、芳香族および非芳香族置換基を含む。例示的な置換基は、例えば、本明細書で説明されるものを含む。許容置換基は、１つ以上であり、適切な有機化合物に対して同じ、または異なり得る。本発明の目的で、窒素等のへテロ原子は、水素置換基、および／または、ヘテロ原子の価数を満たす、本明細書で説明される有機化合物の任意の許容置換基を有してもよい。
【０１９５】
置換基の実施例は、脂肪族、脂環式、ヘテロ脂肪族、ヘテロ脂環式、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、スルフヒドリル、イミノ、アミド、ホスホン酸塩、ホスフィン酸塩、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、エーテル、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、ペルハロアルコキシ、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、カルボキシルエステル、−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、アルコキシアリル、アルリアミノ、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ル、−カルボキサミドアリル、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、ペルハロアルキル、アリ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'）、および同等物を含むが、それらに限定されない。加えて、置換基は、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、−ＯＨ、−ＮＯ２、−ＣＮ、−ＮＣＯ、−ＣＦ３、−ＣＨ２ＣＦ３、−ＣＨＣｌ２、−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から選択されてもよく、Ｒｘの各発生は、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、それらに限定されず、上記および本明細書で説明される、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のうちのいずれかは、置換または非置換、分岐または非分岐、環式または非環式であってもよく、上記および本明細書で説明される、アリールまたはヘテロアリール置換基のうちのいずれかは、置換または非置換であってもよい。
【０１９６】
以下の参考文献は、参照することにより本明細書に組み込まれる：Ｎｏｃｅｒａらによる、「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」と題された、２００８年６月１８日出願の米国仮特許出願第６１／０７３，７０１号、Ｎｏｃｅｒａらによる、「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」と題された、２００８年７月３０日出願の米国仮特許出願第６１／０８４，９４８号、Ｎｏｃｅｒａらによる、「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」と題された、２００８年１０月８日出願の米国仮特許出願第６１／１０３，８７９号、Ｎｏｃｅｒａらによる、「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」と題された、２００９年１月２２日出願の米国仮特許出願第６１／１４６，４８４号、Ｎｏｃｅｒａらによる、「Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」と題された、２００９年５月１９日出願の米国仮特許出願第６１／１７９，５８１号。
【０１９７】
以下の実施例は、本発明のある実施形態を例示することを目的とするが、本発明の全範囲を例示するわけではない。
【０１９８】
（実施例１）
以下は、非限定的実施形態による電極の形成の実施例を挙げる。ｐＨ７．０の０．１Ｍリン酸カルシウム中のＣｏ（ＮＯ３）２（本明細書では中性ＫＰｉ電解質と呼ばれる）の０．５ｍＭ溶液のサイクリックボルタンメトリが、０．９１５Ｖで酸化波を呈し、その後に１．０Ｖで強力な触媒波が続いた。この実施例および以降の実施例で報告されるように、全ての電圧は、特に記述がない限り、標準水素電極ＮＨＥに関して報告されている。幅広く、比較的弱い還元波が、カソードスキャン上で観察された。図９Ａは、中性の０．１Ｍ  ＫＰｉ電解質におけるサイクリックボルタモグラムを示し、（ｉ）いずれのＣｏ２＋イオンも存在せず、（ｉｉ）０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋によるスキャンが存在する。図９Ｂは、図９Ａの同じグラフの拡大版を示す。
【０１９９】
（実施例２）
この実施例は、非限定的実施形態による電極の非限定的実施例の作成および特性化に関する。Ｏ２産生のための最小背景活性を確実にするために、バルク電気分解用の電流コレクタとして、酸化スズインジウム（ＩＴＯ）を使用した。０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋を含有するｐＨ７．０の０．１Ｍリン酸カルシウムに（かき混ぜずに）浸漬された電流コレクタへの１．３Ｖの印加は、７〜８時間にわたって１ｍＡ／ｃｍ２を上回るピーク値に達した上昇電流密度を呈した。図９Ｃは、０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋を含有する中性の０．１Ｍ  ＫＰｉ中の１．３Ｖにおける（ＮＨＥと対比した）バルク電気分解の電流密度プロファイルを示す。電極の形成の時間の間、ＩＴＯ表面（例えば、「触媒物質」）上に形成される濃い被覆、およびこの被覆からの沸騰がますます活発になった。同じ結果が、Ｃｏ２＋源としてＣｏＳＯ４、Ｃｏ（ＮＯ３）２、またはＣｏ（ＯＴｆ）２を使用して観察され、元のＣｏ２＋対イオンおよび供給源を交換できることを示した。８時間の電気分解にわたって通過した電荷の量は、溶液中のＣｏ２＋の化学量論的酸化によって計上できたものを越えた。これらの観察は、酸素発生触媒物質の原位置での形成を示す。対照実験では、図９Ｄに示されるように、Ｃｏ２＋がない同一条件下でのバルク電気分解中の電流密度は、約２５ｎＡ／ｃｍ２の基準レベルまで急速に低下する。Ｃｏおよびリン酸塩を含む触媒物質は、多くの非限定的電流コレクタ、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＦＴＯ（ドープされた酸化フッ素スズ）、炭素、鋼鉄、ステンレス鋼、銅、チタン、ニッケル上に電析させられている。例えば、ニッケルフォームといった、型押し基板も使用することができる。
【０２００】
Ｃｏ２＋の存在下で電気分解中に形成される触媒物質の形態を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって調べた。この実施例では、電極触媒物質は、薄いフィルムに合体した粒子、およびフィルムの上の個々のμｍサイズの粒子から成った。図１０Ａは、３０Ｃ／ｃｍ２が０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋を含有する中性の０．１Ｍ  ＫＰｉ電解質を通過した後の、電流コレクタ上の電極触媒物質のＳＥＭ画像（３０°傾転）を示す。相補的断片に分割される粒子からも明らかなように、乾燥時に形成するフィルムの亀裂を通して、ＩＴＯ電流コレクタを見ることができる。フィルムの厚さは、電着の間に次第に増加した。これらの電気分解条件下での最大活性において、フィルムは厚さ約２μｍであった。図１０Ｂの線（ｉ）で示されるような、電着触媒物質のＸ線粉末回折パターンは、広範な非晶質特徴を示し、（図１０Ｂの線（ｉｉ）で示される）ＩＴＯ層と関連するピーク以外の結晶相を示すピークは示さず、この場合、物質が非晶質であったことを示した。いくつかの実施形態では、水からの酸素の産生のための（１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度における）過電圧は、触媒物質の厚さが増加するとともに減少してもよい。例えば、図１１に示されるように、水からの酸素の産生のための過電圧は、触媒物質（コバルトイオンおよびリン酸塩陰イオンを含む）が約０．１μｍの厚さである場合には約０．４Ｖであり、過電圧は、触媒物質が約２μｍの厚さを有する時には約０．３４Ｖであった。
【０２０１】
検出可能な結晶がない場合、３つの相補的技法によって電極触媒物質の組成を分析した。エネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）スペクトルを、いくつかの独立的に調製されたサンプルの複数の１００〜３００μｍ２領域から取得した。これらのスペクトルは、物質の主要な元素成分として、Ｃｏ、Ｐ、Ｋ、およびＯを識別する。分析は、約２：１：１から約３：１：１の間のＣｏ：Ｐ：Ｋ比を示した（１２ｋＶにおいて得られるスペクトル）。複数のＩＴＯ電極から擦り取られた物質の微量分析元素分析は、約２．１：１．０：０．８のＣｏ：Ｐ：Ｋ比に対応する、約３１．１％のＣｏ、約７．７０％のＰ、および約７．７１％のＫを示した。最後に、図１２に示されるように、Ｘ線光電子分光法によって、ＩＴＯ電流コレクタ上の触媒物質の表面を分析した。ＩＴＯ基板からのＩｎおよびＳｎに加えて、上記で検出された元素によって、ＸＰＳスペクトルにおける全てのピークを計上した。高分解能のＰ２ｐピークが１３３．１ｅＶで観察され、これはリン酸塩と一致する。Ｏに結合されたＣｏ２＋またはＣｏ３＋に特有の範囲内で、Ｃｏ２ｐピークが７８０．７ｅＶおよび７９５．７ｅＶで観察されたが、公知の酸化コバルトの報告されているスペクトルに合致しない。
【０２０２】
（実施例３）
以下の実施例は、非限定的実施形態による電極、例えば、実施例２で説明される電極を使用する、酸素を形成するための水の触媒酸化を説明する。以下の実施例は、実施例２に従って作成された電極の約１．３ｃｍ２を使用して、Ｃｏ２＋を欠いた中性のＫＰｉ電解質の中で行った。水が産生されたＯ２の供給源であることを確認するために、質量分光計に沿った気密電気化学電池において１４．５％１８ＯＨ２を含有するヘリウム飽和緩衝剤の中で電気分解を行った。ヘリウム搬送ガスを、アノード区画の上部空間を通して質量分光計の中へ継続的に流し、３２Ｏ２、３４Ｏ２、および３６Ｏ２の相対存在量を２秒間隔で監視した。電気分解を開始した数分以内に、触媒によって産生されたＯ２が上部空間の中へ漏出するにつれて、３つの同位体に対する信号が背景レベルを上回って上昇した。１時間後に電気分解を終了すると、これらの信号は、ゆっくりと背景レベルに戻った。図１３Ａは、１４．５％１８ＯＨ２を含有する中性のＫＰｉ電解質の中のＩＴＯ上の触媒物質の電気分解中の、同位体で標識された（ｉ）１６，１６Ｏ２、（ｉｉ）１６，１８Ｏ２、および（ｉｉｉ）１８，１８Ｏ２の質量分析検出を示す。矢印１８０は、１．３Ｖ（ＮＨＥと対比した）における電気分解の開始を示し、矢印１８２は、電気分解の終了を示す。図１３Ｂは、１８，１８Ｏ２信号の拡張を示す。３２Ｏ２、３４Ｏ２、および３６Ｏ２同位体が、統計比率（それぞれ、７３．４％、２４．５％、および２．１％相対存在量）で検出された。
【０２０３】
蛍光ベースのＯ２センサを使用して、触媒のファラデー効率を測定した。上部空間に配置されたセンサを伴って、アルゴン雰囲気下で、気密電気化学電池中の中性ＫＰｉ電解質の中で電気分解を行った。１．３Ｖで電気分解を開始した後、電流の全てがＯ２を産生する水の４ｅ−酸化によるものであったと仮定することによって予測されたものと一致して、上部空間中で検出されるＯ２の割合が上昇した。産生されたＯ２の量（９５ミクロモル、３．０ｍｇ）は、触媒の量（約０．１ｍｇ）を多いに超え、これは実験の間にいずれの知覚可能な分解も示さない。図１３Ｄは、（ｉ）蛍光センサによって測定されたＯ２産生、および（ｉｉ）１００％のファラデー効率を仮定して産生されるＯ２の理論量を示す。矢印１８４は、１．３Ｖにおける電気分解の開始を示し、矢印１８６は、電気分解の終了を示す。
【０２０４】
触媒条件下のリン酸塩の安定性を、３１Ｐ  ＮＭＲによって化学分析した。４５Ｃが電池を通過するまで（０．４６ｍｍｏｌ電子）、両側に１０ｍＬの中性ＫＰｉ電解質（１ｍｍｏｌのＰｉ）を伴う二区画電池の中の電気分解を続行させた。単一の混じりけのない３１Ｐ  ＮＭＲ共鳴が両方のチャンバからの電気分解溶液について観察され、緩衝剤がこれらの条件下でロバストであることをしめした。ともに、質量分析法、ファラデー効率、および３１Ｐ  ＮＭＲ結果は、電着触媒が中性ＫＰｉ溶液中でＨ２ＯをＯ２に明確に酸化したことを実証した。
【０２０５】
ＩＴＯ電流コレクタ上の触媒物質の電流密度を、過電圧（η）の関数として測定した。ｐＨ７．０では、感知可能な触媒電流がη＝０．２８Ｖから始まって観察され、１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度（９μｍｏｌのＯ２ｃｍ−２ｈ−１に対応する）はη＝０．４２Ｖを必要とした。ターフェルプロットは、直線性からわずかに逸脱し、ＩＴＯの抵抗率（８〜１２Ω／ｓｑ）による非補償性ＩＲ降下を反映する可能性が高い。図１４Ａは、溶液のｉＲ降下について補正された、中性の０．１Ｍ  ＫＰｉ電解質中のＩＴＯ上の触媒物質のターフェルプロット（黒）、η＝（Ｖａｐｐｌ−ｉＲ）−Ｅ（ｐＨ７），を示す。プロットはまた、ネルンスト挙動を仮定し、溶液のｉＲ降下について補正する、ターフェルプロット（灰色）、η＝（Ｖａｐｐｌ＋０．０５９ΔｐＨ−ｉＲ）−Ｅ（ｐＨ７）に変換されたｐＨデータも示す。ｐＨ＝５およびｐＨ＝８データ点が矢印によって示されている。電流密度のｐＨプロファイルは、溶液中のリン酸塩種の相対的割合への依存を明らかにした。図１４Ｂは、０．１Ｍ  ＫＰｉ電解質におけるｐＨへの電流密度の依存を示す。電位は、ｉＲ補償を伴わずに１．２５Ｖ（ＮＨＥと対比して）に設定した。
【０２０６】
（実施例４）
以下は、非限定的実施形態による電極を作成するために使用されてもよい物質の実施例である。Ｂｙｉｎｇｔｏｎ，Ａ．Ｒ．；Ｂｕｌｌ，Ｗ．Ｅ．Ｉｎｏｒｇ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ．２１，２３９，（１９７７）によれば、９９．９９９％のＣｏ（ＮＯ３）２はＡｌｄｒｉｃｈから購入することができ、ＣｏＳＯ４はＢａｋｅｒから購入することができ、Ｃｏ（ＳＯ３ＣＦ３）２はＣｏＣＯ３・６Ｈ２Ｏから合成することができる。ＫＨ２ＰＯ４はＭａｌｌｉｎｃｋｒｏｄｔから購入することができる。全ての緩衝剤は、試薬用の水（Ｒｉｃｃａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ、１８ＭΩ−ｃｍの抵抗率）で作成することができる。酸化インジウムスズで被覆したスライドガラス（ＩＴＯ）はＡｌｄｒｉｃｈから購入することができる。ＩＴＯは、本明細書で論議される実施例の大部分において、８〜１２Ω／ｓｑの表面抵抗率を有した。電気化学実験は、ＣＨ  ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓポテンショスタットまたはＢＡＳｉ  ＣＶ５０Ｗポテンショスタット、およびＢＡＳｉ  Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極で行うことができる。特に記述がない限り、本明細書で論議される実施例で使用された電解質は、ｐＨ７．０の０．１Ｍカルシウムリン酸塩（中性ＫＰｉ電解質）であった。伝導性の熱可塑性銀組成物であるＤｕＰｏｎｔ  ４９２２Ｎは、Ｄｅｌｔａ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから購入することができる。
【０２０７】
（実施例５）
以下は、本明細書で説明されるような電極上で行われてもよい、バルク電気分解の非限定的実施例を挙げる。微細多孔性のガラスフリット接合点を伴う二区画電気化学電池の中で、バルク電気分解を行った。触媒電着のために、電池の補助側が、４０ｍＬのＫＰｉ電解質を含有し、電池の作用側が、０．５ｍＭのＣｏ２＋を含有する、４０ｍＬのＫＰｉ電解質を含有した。コバルト溶液を各実験のために新たに作成した。わずかに高いＣｏ２＋濃度（１ｍＭ）において、Ｃｏ２＋源の溶解後に少量の白色沈殿物が観察される。この沈殿物は、０．５ｍＭのＣｏ２＋において容易に可視的ではなかったが、微小沈殿物を除去するように、これらの溶液を、使用前に０．４５μｍシリンジフィルタに通過させた。作用電極は、市販のスライドから切断されたＩＴＯ被覆ガラスの１ｃｍ×２．５ｃｍ断片であり、使用前にアセトンおよび脱イオン水ですすいだ。典型的には、１ｃｍ×１．５ｃｍを溶液に浸漬した。白金メッシュを補助電極として使用した。かき混ぜることを伴って、または伴わずに、ＩＲ補償を伴って、または伴わずに、かつＩＴＯ表面から数ｍｍに配置された基準電極を伴って、電気分解を選択された電位（例えば、約１．３Ｖ）で実行した。
【０２０８】
（実施例６）
以下は、本明細書で説明されるような電極上で行われてもよい、サイクリックボルタモグラム実験の実施例を挙げる。０．０７ｃｍ２のガラス状炭素ボタン電極を作用電極として使用し、Ｐｔワイヤを補助電極として使用した。作用電極を０．０５μｍアルミナ粒子で６０秒間研磨し、使用前に試薬用水中で２×３０秒間超音波分解した。サイクリックボルタモグラムを、０．５ｍＭのＣｏ２＋を含有するＫＰｉ電解質およびＫＰｉ電解質中で５０ｍＶ／ｓおよび０．１ｍＡ／Ｖの感度において収集した。Ｃｏ２＋の存在下で収集されたＣＶに、ｉＲ降下の補償を使用した。
【０２０９】
（実施例７）
以下は、ターフェルプロットの作成のためのデータを取得する方法の実施例を挙げる。両側に４０ｍＬの未使用ＫＰｉ電解質を含有する二区画電池の中で、種々の印加電位におけるＫＰｉ電解質中でバルク電気分解を行うことによって、電流・電位データを取得した。データ収集の前に、ＩＲ試験機能を使用して、清浄なＩＴＯ電極で溶液抵抗を測定した。次いで、２１Ｃ／ｃｍ２を通過した電着において作成された１．３ｃｍ２の触媒を乾燥させずにこの電池に移動させ、溶液抵抗を測定するために使用されたＩＴＯとして、基準電極に対して同じ構成で配置した。溶液がかき混ぜられている間に、約１．４５Ｖから開始して、２５〜５０ｍＶ段階で約１．１Ｖまで続行し、定常状態電流を種々の印加電位において測定した。典型的には、電流は、２〜５分で特定の電位における定常状態に達した。測定は２回行い、特定の電位における２つの実行間の定常状態電流の変動は＜３％であった。データ収集前に測定された溶液抵抗は、ＩＲ降下についてターフェルプロットを補正するために使用した。
【０２１０】
（実施例８）
以下は、本明細書で説明されるような電極を使用する時に観察されてもよい、ｐＨ依存の実施例を挙げる。ターフェルプロットのためのデータを収集するために使用される電極を、乾燥させずに、両側にｐＨ４．５で４０ｍＬの０．１Ｍリン酸カルシウムを含有する電気化学電池に移動させた。溶液がかき混ぜられている間に、選択された電位（例えば、約１．２５Ｖ等）でバルク電気分解を開始した。５分間隔で、２５ｗｔ％ＫＯＨの少量アリコート（例えば、１０〜１００μｌ（マイクロリットル））を各区画に添加した。作用区画に配置されたマイクロｐＨプローブ（Ｏｒｉｏｎ）で、ｐＨを継続的に監視した。電流は３０秒以内に各新規ｐＨで安定化し、ｐＨは各５分間隔にわたって０．０１単位内で定常のままであった。実験の終わりに、触媒として基準電極に対して同じ構成で配置されたブランクＩＴＯ電極で、溶液抵抗を測定した。この値は、各ｐＨにおける過電圧の計算でＩＲ項を計算するために使用した。溶液抵抗は、ｐＨが増加させられるにつれて減少した（例えば、ｐＨ４．８においてＲ＝４５オーム、ｐＨ７．２においてＲ＝３３オーム、ｐＨ９．０においてＲ＝３１オーム）。
【０２１１】
（実施例９）
以下は、本明細書で説明されるような電極を分析する時に採用されてもよい、特性化技法の実施例を挙げる。
【０２１２】
Ｃｏｌｕｍｂｉａ  Ａｎａｌｙｔｉｃｓ（以前はＤｅｓｅｒｔ  Ａｎａｌｙｔｉｃｓ）（Ｔｕｃｓｏｎ，ＡＺ）によって、微量分析を行った。５〜６Ｃ／ｃｍ２を通過した電着において、４つの２．５ｃｍ×２．５ｃｍＩＴＯ基板上で触媒を作成した。スライドを試薬用水で静かにすすぎ、空気中で乾燥させた。カミソリの刃を使用して、電極触媒物質を慎重に削り取り、複合物質を微量分析のために提出した。分析前に、真空下で２５℃にて２時間、サンプルをさらに乾燥させた。
【０２１３】
Ｃｕ  Ｋα放射（λ＝１．５４０５Å）を使用したＲｉｇａｋｕ  ＲＵ３００回転アノードＸ線回折計（１８５ｍｍ）で、粉末Ｘ線回折パターンを取得した。０．５°発散および散乱スリットならびに０．３°受光スリット、および１°／分の走査速度を使用したＢｒａｇｇ−Ｂｒｅｔｔａｎｏモードで、データを取得した。清浄なＩＴＯ被覆ガラス基板について、および３０Ｃ／ｃｍ２を通過した電着において作成された触媒について、パターンを収集した。清浄なＩＴＯ基板のパターンは、ＩＴＯ結晶によるピーク、およびＩＴＯ層の下のガラスによる非晶質特徴から成る。回折された放射の強度は、おそらくコバルトイオンによるＸ線吸収により、触媒サンプルについて減衰された。電着触媒サンプルが厚さ＞２μｍであったことを考慮して、比較的薄いＩＴＯ層からのピークの存在、およびあらゆる非ＩＴＯ関連ピークの欠如は、触媒物質が、この場合では非晶質であったことを示した。触媒被覆の厚さを確認するように、粉末Ｘ線回折パターンの後にＳＥＭを行った。
【０２１４】
単色化Ａｌ  Ｋα小点源および１６０ｍｍ同心半球型エネルギー分析器を使用した、Ｃｒａｔｅｓ  ＡＸＩＳ  Ｕｌｔｒａ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｘ線電子分光計で、ＸＰＳスペクトルを獲得した。ＸＰＳに使用されたサンプルは、１２Ｃ／ｃｍ２を通過した電着において作成した。スペクトルは、不定Ｃｌｓピーク（２８５．０ｅＶ）に参照される。
【０２１５】
Ｖａｒｉａｎ  Ｍｅｒｃｕｒｙ  ３００  ＮＭＲ分光計を使用して、ＮＭＲスペクトルを取得した。３０Ｃ／ｃｍ２を通過した電着において１．３ｃｍ２触媒を作成し、作用側に１０ｍＬの０．１Ｍ  ＫＰｉ緩衝剤および補助側に８ｍＬを含有する、小型二区画電気化学電池に移動させた。ＩＲを伴わずに１．３Ｖで電気分解を開始し、４５Ｃ（作用区画中のリン酸塩に対する０．４６等価電子）が溶液を通過するまで（１３時間）、かき混ぜながら続行させた。次いで、各区画から直接採取された電気分解溶液の３１Ｐ  ＮＭＲスペクトルを取得した。開始緩衝剤の３１Ｐ  ＮＭＲ共鳴は、２．０８ｐｐｍである（Ｈ３ＰＯ４に参照される）。作用側の溶液の３１Ｐ  ＮＭＲスペクトルは、１．１７ｐｐｍまで高磁場に移行され、電気分解の間の６．２までのｐＨの降下を反映した。補助側のスペクトルは、３．１７ｐｐｍまで低磁場に移行され、１０．５までのｐＨ増加を反映した。理論に制約されることを希望することなく、これらのｐＨ変化は、電気分解中のガラスフリットを通したＨ＋輸送と対比した優先的Ｋ＋輸送（［Ｋ＋］＞１０６［Ｈ＋］）の結果であってもよい。リン酸塩以外のいずれのリン含有種も、いずれか一方のスペクトラムで明白ではなかった。
【０２１６】
Ｒｏｎｔｅｃ  ＥＤＸシステムを装備したＪＳＭ−５９１０顕微鏡（ＪＥＯＬ）で、ＳＥＭ画像およびＥＤＸスペクトルを取得した。電着後に、触媒サンプルを脱イオン水で静かにすすぎ、器具に装填する前に空気中で乾燥させた。画像は４〜５ｋＶの加速電圧で取得し、ＥＤＸスペクトルは１２ｋＶ乃至２０ｋＶの間の加速電圧で取得した。
【０２１７】
質量分析データを収集するために、電子衝突イオン化モードで動作するＡｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ５９７５Ｃ質量選択検出器を使用した。実験は、ガス入口および出口ポートならびにガラスフリット接合点を伴う特注の二区画気密電気化学電池において行った。一方の区画は、作用および基準電極を含有し、他方の区画は、補助電極を含有した。使用された触媒は、３０Ｃ／ｃｍ２を通過した電着において作成された。活発にかき混ぜながら、２時間にわたって超高純度Ｈｅで泡立てることによって、１４．６％１８ＯＨ２を含有する電解質（ｐＨ７．０）を脱気し、Ｈｅ下で電気化学電池に移動させた。電池は、Ｈｅ搬送ガスおよび質量分光計に接続し、データ収集前に数時間にわたって浄化した。質量分光計は、２８（Ｎ２）、３２（１６，１６Ｏ２）、３４（１８，１６Ｏ２）、３６（１８，１８Ｏ２）、および３５（Ｃｌ２断片）ａｍｕイオンについて監視した選択的イオンモードで操作した。２８ａｍｕ信号は、残気背景を決定するために使用された。電気分解が開始される前に、２８／３２信号比は３．６で安定し、２８／３４信号比は２２６で安定していた。これらの比は、実験中の全ての時点において背景３２イオンおよび３４イオン信号を取得するために使用された。背景３６イオン信号は、電気分解前に３８．５で安定し、この値は、全ての時点に対する３６イオン背景として使用された。３５イオン信号は、基準電極からの不定Ｃｌ−の酸化を介した電気分解中にＣｌ２が産生されたかどうかを決定するように監視される。実験の全体を通して、この信号の増加は観察されなかった。ＩＲ補償を伴わずに、１．３Ｖで１時間にわたって電気分解を続行させた。
【０２１８】
（実施例１０）
以下は、一実施形態による、電極のファラデー効率を決定する方法の実施例を挙げる。Ｏ２の定量的検出のために、Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ酸素センサシステムを使用した。実験は、各区画上の１４／２０ポート、および作用区画上のＴｅｆｌｏｎ弁とのＳｃｈｌｅｎｋ接続を伴う、特注の二区画気密電気化学電池において行った。活発にかき混ぜながら、２時間にわたって高純度Ｎ２で泡立てることによって、ＫＰｉ電解質（ｐＨ７．０）を脱気し、Ｎ２下で電気化学電池に移動させた。一方の区画は、Ｐｔメッシュ補助電極を含有し、他方の区画は、作用およびＡｇ／ＡｇＣｌ基準電極を含有した。作用電極として使用された触媒は、１５Ｃ／ｃｍ２を通過した電着において作成された。基準電極は、触媒の表面から数ｃｍに位置付けられた。作用区画の１４／２０ポートは、ＭｕｌｔｉＦｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｐｈａｓｅ  Ｆｌｕｏｒｏｍｅｔｅｒに接続されたＦＯＸＹ  ＯＲ１２５−７３ｍｍ  Ｏ２感知プローブを装着された。１０秒間隔で記録されたＦＯＸＹプローブ上のＯ２センサの位相シフトは、２点較正曲線を使用して、上部空間中のＯ２の分圧に変換された（空気、２０．９％Ｏ２、および高純度Ｎ２、０％Ｏ２）。印加電位がない場合に２．５時間にわたってＯ２の分圧を記録した後、ＩＲ補償を伴わずに、電気分解を１．３Ｖで開始した。Ｏ２感知を伴う電気分解を１０．５時間にわたって継続した。電気分解の終了時に、追加の２時間にわたってＯ２信号を記録した。実験の終わりに、溶液の体積および作用区画中の上部空間の容積を測定した（それぞれ３４ｍＬおよび５９ｍＬ）。図１３Ｃ中の線（ｉｉ）は、電気分解中に通過した電荷を４Ｆで割ることによって計算し、線（ｉ）は、Ｏ２の測定された分圧をμｍｏｌに変換し、ヘンリーの法則を使用して溶液中のＯ２について補正することによって計算された。Ｏ２の最終分圧は０．０４０ａｔｍであった。
【０２１９】
（実施例１１）
以下の実施例は、ホスホン酸塩を含む電極の形成および使用、ならびに塩化物イオンを含む電解質における電極の使用を説明する。この実施例で産生される電極は、０．５Ｍ  ＮａＣｌの存在下でＯ２を選択的に産生することができる。
【０２２０】
上記の実施形態で説明される方法と同様の方法を使用して、陰イオン種がメチルホスホン酸塩であった電極を形成した。以前に論議された実施例と同様に、ｐＨ８．０のメチルホスホン酸緩衝液中の単純Ｃｏ（ＩＩ）塩の電気分解は、Ｏ２のアノード産生のための顕著な活性を伴って、Ｃｏを含有する薄いフィルムの電着につながる。例えば、ＮＨＥと対比した１．３Ｖにおける、ｐＨ８．０の０．１Ｍメチルホスホン酸ナトリウム中の１ｍＭ  Ｃｏ（ＮＯ３）２の電気分解は、継続的な泡立ち、およびＩＴＯアノード上の濃い緑色の被覆の形成によって達成される。同様の挙動が、ホスホン酸フェニルでも観察される。そのような電気分解における電流は、約１．６ｍＡ／ｃｍ２で１〜２時間にわたって停滞状態まで増加する。Ｃｏ（ＮＯ３）２の存在下での電気分解後、アノードを未使用のＣｏを含まないホスホン酸緩衝剤の中に入れ、その電流密度およびＯ２発生活性を維持した。電解緩衝剤および未使用の緩衝剤の３１Ｐ  ＮＭＲ分光法は、メチルホスホン酸緩衝剤が長期電気分解の間に分解されないことを検証した。
【０２２１】
走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）によって、電気分解時に形成する活性電極被覆の性質を探査した。被覆は、以前に開示されたフィルムとの多大な程度の類似性を呈する。ＳＥＭに備えて乾燥させると、フィルムに亀裂が形成し、下部のＩＴＯ表面を暴露する。ＳＥＭサンプルのエネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）は、フィルム中のＣｏ、Ｐ、Ｏ、Ｃ、およびＮａを識別し、Ｃの存在は、メチルホスホン酸塩種の取り込みを示す。ＥＤＸおよび元素分析は、リン酸塩支持触媒とは対照的に、このフィルムが、より高いＣｏ対Ｐ比（約５／１対２／１）を含有することを示唆する。
【０２２２】
場合によっては、硫酸塩またはピロリン酸塩等の、緩衝剤中の他の陰イオンの存在は、触媒作用およびフィルム安定性に悪影響を及ぼす場合がある。この実施例では、活性アノードの形成は、０．１Ｍを越えるＮａＣｌ濃度の存在下で有意に阻害された。しかしながら、Ｃｌ−がない場合に作成された活性アノードは、活性の感知可能な減少を伴わずに、０．５Ｍ  ＮａＣｌを含有する緩衝剤に導入することができる（図１５）。図１５は、（ｉ）ｐＨ８．０の０．１Ｍ  ＭｅＰＯ３中の活性化電極、および（ｉｉ）ｐＨ８．０の０．１Ｍ  ＭｅＰＯ３および０．５Ｍ  ＮａＣｌ中の活性化電極について、時間と対比した電極の電流密度のグラフを示す。さらに、数時間にわたる長期電気分解時でさえも、触媒フィルムの溶解は観察されなかった。
【０２２３】
別の実施例として、塩化物がない場合にリン酸またはメチルホスホン酸緩衝剤から作成された活性アノードは、約０．５Ｍ  ＮａＣｌを含有するＣｏを含まない緩衝剤の中で調べた時には高い活性を保持した。ｐＨ７．０のリン酸緩衝剤またはｐＨ８．０のメチルホスホン酸緩衝剤の中の約１．３Ｖにおける定電位電解は、約０．９ｍＡ／ｃｍ２を上回る持続電流密度を明らかにした。これらの電流密度は、ＮａＣｌがない場合に観察される電流密度に匹敵し、この場合、塩化物がＯ２発生触媒作用を阻害しなかったことを示唆した（下記参照）。著しく、０．５Ｍ  ＮａＣｌの存在下での長期（１６時間）電気分解後のフィルムのＥＤＸ分析は、ごくわずかな塩化物の取り込みを明らかにした。
【０２２４】
約１．３０Ｖの動作電圧は、正式ＨＯＣｌ／Ｃｌレドックス法よりもわずかに大きい（ｐＨ７．０で１．２８Ｖ）。ｐＨ７．０のリン酸緩衝環境を使用して、約１．３０Ｖでファラデー効率測定を行った。トレースが、発生したガスの蛍光ベースの検出によって測定されるＯ２とほぼ一致する際に、約１００％Ｏ２ファラデー効率が観察され、水が選択的にＯ２に酸化されたことを示した。これは、酸化塩化物種（ＨＯＣｌ／ＯＣｌ−）の直接定量化によって、さらに確証された。塩化物がない場合に作成された電極を、約１．３０Ｖで約１６時間にわたって約０．５Ｍ  ＮａＣｌの存在下で電解し（約７６．５Ｃが通過した）、標準Ｎ，Ｎ−ジエチル−ｐ−フェニレンジアミン滴定分析（例えば、説明については実施例１２を参照）を、産生された次亜塩素酸塩を定量化するために使用した。観察された約９．３μｍｏｌの酸化塩化物種は、実験で通過した全電流の約２．４％である、約１．８０Ｃを計上する。この実施形態では、有意に高い印加電位（例えば、約１．６６Ｖ）において、場合によっては、塩化物の酸化が非常に高い過電圧での競合的Ｏ２産生になってもよいことを示唆してもよい、ファラデー効率の減少が観察された。
【０２２５】
０．５Ｍ  ＮａＣｌの存在下で行われる電気分解は、発生したガスのリアルタイム質量スペクトル分析によって検出されるように、ほぼ独占的にＯ２を産生する。図１６は、（ｉ）Ｏ２、（ｉｉ）ＣＯ２、および（ｉｉｉ）３５Ｃｌの検出の質量分析法の結果を示し、矢印（ｉｖ）および（ｖ）は、それぞれ電気分解の開始および終了を表す。Ｃｌ２と関連する断片は観察されないが、微量（Ｏ２に対して約０．５％）のＣＯ２は観察される。微量ＣＯ２の供給源は調査中である。著しく、塩化物の酸化のための熱力学的電位を超える１５０ｍＶにおいて行われる電気分解時でさえも、Ｃｌ２断片は検出されない。これらの結果は、高濃度の塩化物イオンの存在下でさえも、触媒が選択的に水をＯ２に酸化したことを示す。
【０２２６】
産生された電極は、酸素産生のための高い効率を示した。活性は、数週間にわたって維持された。電極は、溶液から除去され、貯蔵されてもよく、貯蔵の数週間後に水溶液に再挿入されると、酸素活性は減退することなく回復する。
【０２２７】
（実施例１２）
以下の実施例は、実施例１３に関する物質および実験データを概説する。
【０２２８】
物質。例えば、実施例４で開示された物質を参照されたい。
【０２２９】
電気化学方法。全ての電気化学実施形態は、ＣＨ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ７３０ＣポテンショスタットまたはＢＡＳｉ  ＣＶ５０Ｗポテンショスタット、およびＢＡＳｉまたはＣＨ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極で、周囲温度において行った。全ての電極電位は、Ｅ（ＮＨＥ）＝Ｅ（Ａｇ／ＡｇＣｌ）＋０．１９９Ｖを使用して、ＮＨＥ尺度に変換した。特に記述がない限り、この実施例および実施例１３で使用された電解質は、約ｐＨ８．０の０．１Ｍメチルホスホン酸ナトリウムであった（本明細書ではＭｅＰｉ電解質と呼ばれる）。
【０２３０】
サイクリックボルタンメトリ。０．０７ｃｍ２のガラス状炭素ボタン電極を作用電極として使用し、Ｐｔワイヤを補助電極として使用した。作用電極を、０．０５μｍアルミナ粒子で約６０秒間研磨し、使用前に試薬用水中で２×３０秒間超音波分解した。サイクリックボルタモグラム（ＣＶ）を、約１．０ｍＭのＣｏ２＋を含有するＭｅＰｉ電解質およびＭｅＰｉ電解質中で約５０ｍＶ／ｓおよび０．０１または０．１ｍＡ／Ｖの感度において収集した。酸化時の電析を例示するために、ＭｅＰｉ電解質を含有する約１．０ｍＭのＣｏ２＋中で（ＮＨＥと対比して）約１．０５Ｖの切替電位により、ＣＶを記録するために研磨電極を使用した。最初の全走査後に、電極を除去し、試薬用水ですすぎ、Ｃｏを含まないＭｅＰｉ電解質溶液の中に戻した。約１．３０Ｖの切替電位によるＣＶを記録した。電極を研磨する際に、清浄な背景が観察された。全ての場合において、ｉＲ補償を伴わずにＣＶを行った。
【０２３１】
バルク電気分解および原位置触媒形成。微細多孔性のガラスフリット接合点を伴う二区画電気化学電池の中で、バルク電気分解を行った。触媒電着（例えば、触媒物質の形成）のために、補助側が、約４０ｍＬのＭｅＰｉ電解質を保持し、作用側が、約１．０ｍＭのＣｏ２＋を含有する、４０ｍＬのＭｅＰｉ電解質を含有した。作用電極は、市販のスライドから切断され、一方の１ｃｍ縁に沿って銀組成物の０．３〜０．５ｃｍ幅の細片で被覆された、ＩＴＯ被覆ガラスの１ｃｍ×２．５ｃｍ断片であった。場合によっては、１ｃｍ×１．５ｃｍを溶液に浸漬した。Ｐｔメッシュを補助電極として使用した。かき混ぜることなく、ｉＲ補償を伴わずに、かつＩＴＯ表面から数ｍｍに配置された基準電極を伴って、電気分解を選択された電位（例えば、約１．２９Ｖ）で実行した。リン酸緩衝剤から作成されたフィルムを利用する実験について、ｐＨ約７．０、約０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋の約０．１のリン酸カルシウム（ＫＰｉ）をＭｅＰｉで置換して、上記の手順を使用した。
【０２３２】
ターフェルプロット。両側に４０ｍＬの未使用ＭｅＰｉ電解質を含有する二区画電池の中で、種々の印加電位におけるＭｅＰｉ電解質中でバルク電気分解を行うことによって、電流・電位データを取得した。データ収集の前に、ｉＲ検定関数を使用して、清浄なＩＴＯ電極で溶液抵抗を測定した。次いで、８Ｃ／ｃｍ２を通過した電着において作成された１．５ｃｍ２の触媒を、乾燥させずにこの電池に移動させ、溶液抵抗を測定するために使用されたＩＴＯとして、基準電極に対して同じ構成で配置した。溶液がかき混ぜられている間に、約１．２５Ｖから開始して、２５〜５０ｍＶ段階で約０．８５Ｖまで続行し、定常状態電流を種々の印加電位において測定した。場合によっては、電流は、２〜５分で特定の電位における定常状態に達した。測定は２回行い、特定の電位における２つの実行間の定常状態電流の変動は＜５％であった。データ収集前に測定された溶液抵抗は、ｉＲ降下についてターフェルプロットを補正するために使用した。ｐＨへの電流密度依存。例えば、実施例８で説明される実験手順を参照されたい。
【０２３３】
元素分析。例えば、実施例９で説明される実験手順を参照されたい。分析された物質のモル比を表１に示す。
【０２３４】
【表１】
2011525217.tif 000005
走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）およびエネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）。Ｒｏｎｔｅｃ  ＥＤＸシステムを装備したＪＳＭ−５９１０顕微鏡（ＪＥＯＬ）で、ＳＥＭ画像およびＥＤＸスペクトルを取得した。電着後に、触媒サンプルを脱イオン水で静かにすすぎ、器具に装填する前に空気中で乾燥させた。画像は４〜５ｋＶの加速電圧で取得し、ＥＤＸスペクトルは１２ｋＶ乃至２０ｋＶの間の加速電圧で取得した。
【０２３５】
触媒フィルムのＮＭＲ分析。Ｖａｒｉａｎ  Ｍｅｒｃｕｒｙ  ３００またはＶａｒｉａｎ  Ｉｎｏｖａ  ５００  ＮＭＲ分光計を使用して、ＮＭＲスペクトルを取得した。淡緑色の溶液を生じるように、触媒物質（約２〜３ｍｇ）を約２００ｕＬの１Ｍ  ＨＣｌ中で溶解させた。約２００ｕＬの約２Ｍイミダゾールの添加によりｐＨを上昇させ、Ｃｏイオンをキレートするように約４０ｍｇのエチレンジアミン４酢酸を添加した。次いで、より正確な統合を可能にするように、１０秒の獲得遅延時間を使用して、３１Ｐ  ＮＭＲスペクトルを取得した。約３：１の比のリン酸塩（４．２６ｐｐｍ）およびメチルホスホン酸塩（２３．２６ｐｐｍ）が、観察される主要な種である。それぞれの同一性は、実験後に真性リン酸塩およびメチルホスホン酸塩をＮＭＲ管に導入することによって検証された。
【０２３６】
電気分解溶液のＮＭＲ分析。Ｖａｒｉａｎ  Ｍｅｒｃｕｒｙ  ３００またはＶａｒｉａｎ  Ｉｎｏｖａ  ５００  ＮＭＲ分光計を使用して、ＮＭＲスペクトルを取得した。作用側に、約ｐＨ８．０、約１ｍＭ  Ｃｏ２＋で、約５ｍＬの約０．１Ｍ  ＭｅＰｉ緩衝剤を含有し、補助側にＣｏ２＋を伴わない約４ｍＬのＭｅＰｉ緩衝剤を含有する、小型二区画電気化学電池の中で、原位置触媒形成および長期電気分解を行った。ｉＲを伴わずに１．３Ｖで電気分解を開始し、約８６．７Ｃ（作用区画中のメチルホスホン酸塩に対する約１．８０等価電子、作用区画中のＣｏ２＋に対する約１８０等価電子）が溶液を通過するまで（約２２時間）、かき混ぜながら続行させた。次いで、各区画から直接採取された電気分解溶液の３１Ｐ  ＮＭＲおよび１Ｈ  ＮＭＲスペクトルを取得した。開始緩衝剤の３１Ｐ共鳴は、２１．７６ｐｐｍであり（対外的に８５％Ｈ３ＰＯ４に参照される）、その１Ｈ共鳴は、１．０５ｐｐｍ（ＪＨ−Ｐ＝１５．５Ｈｚ）であった（Ｈ２Ｏピーク（４．８０ｐｐｍ）を使用してＴＭＳに参照される）。作用側からの溶液の３１Ｐ  ＮＭＲスペクトルは、２４．８６ｐｐｍまで高磁場に移行され、その１Ｈ共鳴は、１．２２ｐｐｍまで低磁場に移行され（ＪＨ−ｐ＝１６．５Ｈｚ）、電気分解の間の６．３までのｐＨの降下を反映した。補助側の３１Ｐ  ＮＭＲスペクトルは、２１．０７ｐｐｍまで高磁場に移行され、その１Ｈ共鳴は、１．００ｐｐｍまで高磁場に移行され（ＪＨ−ｐ＝１６．５Ｈｚ）、１１．９までのｐＨ増加を反映した。
【０２３７】
質量分析法。例えば、実施例９で説明される実験手順を参照されたい。場合によっては、質量分光計は、２８（Ｎ２）、３２（１６，１６Ｏ２）、３４（１８，１６Ｏ２）、３６（１８，１８Ｏ２）、３５（Ｃｌ２断片）、および４４（ＣＯ２）ａｍｕイオンについて監視した選択的イオンモードで操作した。背景３４、３６、および４４イオン信号は、電気分解の前に、それぞれ８０、５０、および４００で安定し、これらの値は、全ての時点に対する３４、３６、および４４イオン背景として使用された。３５イオン信号は、基準電極からの不定Ｃｌ−の酸化を介した電気分解中にＣｌ２が産生されたかどうかを決定するように監視された。この信号は、実験の全体を通して基準レベルにとどまった。ｉＲ補償を伴わずに、約１．２９Ｖで約１時間にわたって電気分解を続行させた。平均的な観察された存在度が±２σである、実験中の各同位体の存在率は、期待通りであり、統計的存在度は、６５．８％、３０．６％、および３．６％であった。
【０２３８】
ファラデー効率の決定。例えば、実施例１０で説明される実験手順を参照されたい。作用電極として使用された触媒は、（ＭｅＰｉ研究については）７Ｃ／ｃｍ２および（ＮａＣｌ研究については）１０Ｃ／ｃｍ２を通過した電着において作成された。基準電極は、触媒の表面から数ｃｍに位置付けられた。ＭｅＰｉ緩衝剤におけるファラデー効率の反対のために、Ｏ２感知を伴う電気分解を約８．０時間にわたって継続した（約５７Ｃが通過した）。電気分解の終了時に、Ｏ２信号は、次の３時間にわたって停滞状態に達した。この時間の間に、Ｏ２レベルは約０％乃至約６．２５％に上昇していた。実験の終わりに、溶液の体積（約４８．５ｍＬ）および作用区画中の上部空間の容積（約５４．２ｍＬ）を測定した。１４７．６６μｍｏｌの理論的Ｏ２収量を得るように、電気分解中に通過した全電荷を４Ｆで割った。Ｏ２の測定された分圧を、ヘンリーの法則を使用して、溶液中の溶解Ｏ２について補正し、理想気体の法則を使用して、１４５．４μｍｏｌ（９８．５％）の測定Ｏ２収量に変換した。
【０２３９】
ＮａＣｌの存在下でのファラデー効率の決定のために、Ｏ２感知を伴う電気分解を約１５．１時間にわたって約１．３Ｖで継続した（約３５Ｃが通過した）。電気分解の終了時に、Ｏ２信号は、次の１時間にわたって停滞状態に達した。この時間の間に、Ｏ２レベルは約０％乃至約５．３９％に上昇していた。実験の終わりに、溶液の体積（約６１．５ｍＬ）および作用区画中の上部空間の容積（約４０．０ｍＬ）を測定した。理論的Ｏ２トレースを産生するように、通過した全電荷を４Ｆで割り、Ｏ２の測定された分圧を、ヘンリーの法則を使用して、溶液中の溶解Ｏ２について補正し、理想気体の法則を使用して、観察されたＯ２トレースに変換した。上記の手順を、別個の実験において約１．９時間にわたって約１．６６Ｖの印加電位で（約５０Ｃが通過した）繰り返した。Ｏ２レベルは、実験の間に約０％乃至約２．１３％に上昇した。溶液の体積（約５７．０ｍＬ）および上部空間の容積（約４９．０ｍＬ）を測定した。観察されたＯ２トレースは、理論的Ｏ２トレースに対して有意に不足し、減退したファラデー効率を示した。
【０２４０】
Ｎ，Ｎ−ジエチル−ｐ−フェニレンジアミン（ＤＰＤ）滴定分析。約ｐＨ７．０の約０．１Ｍ  ＫＰｉ緩衝剤中で約１．３０Ｖにおける約１６時間の定電位電解の終わりに、作用区画（約４０ｍＬの全容積）からの約０．５Ｍ  ＮａＣｌ、約１０ｍＬの溶液を、試薬用水で１０倍に希釈した。文献で説明されるように、溶液を、約５ｍＬのリン酸緩衝液、約５ｍＬのＤＰＤ指示液、および約１ｇのＮａＩと組み合わせた。例えば、Ｅａｔｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒ  ａｎｄ  Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，２１ｔｈｅｄ．；Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｕｂｌｉｃ  Ｈｅａｌｔｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗａｔｅｒ  Ｗｏｒｋｓ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，  Ｗａｔｅｒ  Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ：Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＤＣ，２００５；Ｃｈａｐｔｅｒ  ４を参照されたい。ピンク色が急速に形成した。約１．６５ｍＬの標準硫酸第１鉄アンモニウム溶液による滴定は、色の完全な損失につながった。酸化塩化物種のモル量を、文献で説明されるように計算した。補助区画からの約１０ｍＬの溶液について行われた同じ実験は、いずれの酸化塩化物種も検出できなかった。
【０２４１】
（実施例１３）
以下の実施例は、触媒物質の形成を説明し、金属イオン種はコバルトを含み、陰イオン種はメチルホスホン酸塩を含む。
【０２４２】
約１ｍＭのＣｏ２＋および約０．１ＭのＮａメチルホスホン酸（ＭｅＰｉ）緩衝剤の水溶液（約ｐＨ８．０）のガラス状炭素電極に対するサイクリックボルタンメトリは、初期走査時にＮＨＥと対比してＥｐ，ａ＝０．９９Ｖにおいてアノード鋭波を呈した。このアノード波の後には、１．１５Ｖにおける大型触媒波の開始が続く。帰還走査は、０．８０Ｖにおいて広いカソード波を生じる。場合によっては、後続走査時に特徴が広げられ、かつ強化され、これは吸収を示唆してもよい。電極をＣｏ２＋／ＭｅＰｉ溶液の中に入れ、アノード波を通して電位を走査し、次いで、触媒波の前に切り替えた。電極をＣｏ２＋／ＭｅＰｉ溶液から除去し、ＭｅＰｉのみの溶液の中に入れた。触媒波の１．１５Ｖ開始電位の前に、準可逆対が約０．８５Ｖにおいて観察された。理論に制約されることを希望することなく、準可逆波が、Ｃｏ３＋／２＋対から生じてもよい。この対に対する観察された電位は、Ｃｏ（ＯＨ２）６３＋／２＋（１．８６Ｖ）の電位をはるかに下回ったが、Ｃｏ（ＯＨ）２＋／Ｃｏ（ＯＨ）２対について推定された１．１Ｖ電位と一致した。電極を研磨することにより、清浄な背景を修復し、この場合、触媒活性種の電着がＣｏ３＋へのＣｏ２＋の酸化に続いたことを示した。
【０２４３】
約１ｍＭのＣｏ２＋を含有するＭｅＰｉ溶液のバルク電気分解を行うことによって、触媒フィルムの形態を調査した。１．５ｃｍ２のＩＴＯ作用電極を使用した、約１．２９Ｖにおける定電位電解は、約２時間後に電流を１．５ｍＡ／ｃｍ２の漸近極限に近づけた。電位の印加中に、濃い緑色のフィルムがＩＴＯ電極の表面上に形成した。フィルムの電着には、Ｏ２の活発な沸騰が全体を通して付随して起こった（以下参照）。走査型電子顕微鏡法によって、フィルムの形態を分析した。電気分解の経過の早期に、約６Ｃ／ｃｍ２の通過時に約１μｍの厚さを伴う比較的一様なフィルムが観察された。長期電気分解（約４０Ｃ／ｃｍ２が通過した）は、フィルムの表面上の直径約１〜約５μｍの球形結節の同時形成とともに、厚さ約３μｍのフィルムを産生した。
【０２４４】
実施例１２で説明されるような２つの技法によって、触媒物質（例えば、触媒）の化学組成を分析した。フィルムの元素分析は、約４．６：１のコバルト対リンの比をもたらした。同様の比（４〜６：１）が、約ｐＨ８．０および約ｐＨ７．０のＭｅＰｉ緩衝剤中の約１０ｍＭ  Ｃｏ２＋で実行された電析について観察された（表１）。約１００ｎｍ乃至約３μｍを上回る厚さに及ぶフィルムのＥＤＸ分析によって、ならびに、約０．１ｍＭ乃至約１０ｍＭに及ぶＣｏ２＋濃度を使用して作成されたものについて、これらの比を確証した。この実施例では、４から６：１の間のＣｏ：Ｐ比が観察された。場合によっては、メチルホスホン酸塩は、フィルム内で部分的に分解されてもよいが、ＭｅＰｉ緩衝剤は、長期電気分解下で損なわれないままであってもよい。実施例１２で説明されるように、電気分解溶液のＮＭＲ分析は、作用または補助区画のＮＭＲにおいて他の主要信号が観察されないことを明らかにし、この場合、緩衝剤が電気分解の時間にわたって感知可能に分解しなかったことを示す。
【０２４５】
実施例１２で説明されるように、２つの相補的技法が水の酸化触媒作用の真正性を確立した。産生されたＯ２の量（１４５μｍｏｌ）は、蛍光ベースのＯ２感知によって決定されるように、実験において通過した電流（約５７Ｃ、約１４８μｍｏｌ）の約９８％を計上した。質量分析（実施例１２で説明されるような）は、６６．０：３０．４：３．６＝１６，１６Ｏ２：１８，１６Ｏ２：１８，１８Ｏ２という観察された同位体比が、６５．８：３０．６：３．６＝１６，１６Ｏ２：１８，１６Ｏ２：１８，１８Ｏ２という予測統計比と十分一致したことを示し、水が発生したＯ２におけるＯ原子の供給源であったことを示した。
【０２４６】
触媒活性を評価するように、電流密度の対数を電位と対比して測定した。ＭｅＰｉ緩衝剤における約ｐＨ８．０で、ターフェルプロットは、わずかな負曲率を呈し、これは、大きい電流密度において発生する、非補償性ｉＲ降下または局所ｐＨ勾配によるものであってもよい。リン酸塩系と同様に、ＭｅＰｉ緩衝剤における電流・ｐＨプロファイルは、約ｐＨ８．５を超える停滞状態を呈する。
【０２４７】
（実施例１４）
以下は、リン酸塩（Ｐｉ）、メチルホスホン酸塩（ＭｅＰｉ）、およびホウ酸塩（Ｂｉ）電解質中のＣｏ２＋の電気分解が、電流コレクタ上の薄いフィルムとしての非晶質の極めて活性な水の酸化触媒の電着にどのように影響を及ぼしたかという非限定的実施例を提供する。具体的な実験および合成手順は、実施例１５でより詳細に説明する。
【０２４８】
サイクリックボルタンメトリ。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ｐＨ７．０の０．１Ｍリン酸カルシウム電解質（Ｐｉ）、ｐＨ８．０の０．１Ｍメチルホスホン酸ナトリウム電解質（ＭｅＰｉ）、およびｐＨ９．２の０．１Ｍホウ酸カルシウム電解質（Ｂｉ）を含んでもよい。
【０２４９】
Ｂｉ電解質では、アノード波がＥｐ，ａ＝０．７７Ｖにおいて観察され、１．１０Ｖにおいて触媒波から十分に分離された。１００μＡ（マイクロアンペア）の触媒電流が、それぞれ、Ｐｉ、ＭｅＰｉ、およびＢｉ電解質について、１．３４、１．２７、および１．２０Ｖにおいて観察された。ＭｅＰｉとＢｉとの間の７０ｍＶシフトは、ｐＨ８．０乃至９．２の間の水の酸化のための熱力学的電位における７２ｍＶシフトを反映した。ＥＰ，Ｃ＝０．９３、０．８１、および０．５５における広いカソード波が、それぞれ、Ｐｉ、ＭｅＰｉ、およびＢｉにおいて観察され、後者の電解質については、カソード波の後に広いカソード段部も続いた。後続走査時に、全ての電解質溶液の急激なアノードの事前特徴は、繰り返しの走査時に増大する広いアノード波によって代替され、電気活性種の吸収を示唆した。
【０２５０】
フィルム作成および特性化。触媒波の性質を調査するために、従来の二区画電池の中で１．３Ｖにおいて定電位電解を行った。それぞれの場合において、作用区画は、ＭｅＰｉ電解質中の１ｍＭ  Ｃｏ２＋溶液またはＢｉ電解質中の０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋溶液で充満されたが、補助区画は、純電解質で充満された。ＩＴＯで被覆したスライドガラスを、それぞれの場合において電流コレクタとして使用した。ＭｅＰｉでは、電流密度は、２時間にわたって１．５ｍＡ／ｃｍ２の漸近極限に達した。Ｂｉでは、電流密度は、１０分間にわたって２．３ｍＡ／ｃｍ２の漸近極限に達した。両方の場合において、電流の上昇には、ＩＴＯ電流コレクタ上の濃い緑色のフィルムの形成、およびＯ２の沸騰が付随して起こった（以下参照）。走査型電子顕微鏡法によって、フィルムの形態を分析した。
【０２５１】
走査型電子顕微鏡法によって、Ｐｉ、ＭｅＰｉ、およびＢｉ電解質（それぞれ、Ｃｏ−Ｐｉ、Ｃｏ−ＭｅＰｉ、およびＣｏ−Ｂｉ）からのフィルムの形態を分析した。図１７は、２Ｃ／ｃｍ２（上）および６Ｃ／ｃｍ２（下）を通過する時のＭｅＰｉ電解質から成長させられたフィルムのＳＥＭ画像を示す。
【０２５２】
長期電気分解（４０Ｃ／ｃｍ２の通過）は、フィルムの表面上の直径１〜５μｍの球形結節の同時形成とともに、厚さ約３μｍのフィルムを産生する。これらの形態学的特徴は、Ｐｉ電解質から電析させられたフィルムの形態学的特徴と同様である。静止条件下でのＢｉ電解質からの電析は、局所ｐＨ勾配から生じる電流の急速な減少、および中性Ｈ３ＢＯ３種の形成による関連抵抗損失につながる。図１８は、ｐＨ（線）の関数として、Ｈ３ＢＯ３のスペシエーション図の最上部に重ねられた、Ｈ３ＢＯ３／ＫＨ２ＢＯ３電解質のｐＨ（丸）を伴う溶液抵抗（Ｒ）の依存度を示す。ｐＨの減少に伴う［Ｈ３ＢＯ３］の増加は、Ｒの指数関数的増加と一致する。そのようなものとして、かき混ぜながらＢｉ電解質中のバルク電気分解を行い、そうするとすぐに電流が何時間も観察された。Ｃｏ−ＰｉまたはＣｏ−ＭｅＰｉとは異なり、Ｃｏ−Ｂｉは、多少異なる表面形態を示す。球形結節は、電析のプロセスの早期に（２Ｃ／ｃｍ２の通過時に）現れ、長期電気分解時に、融合してより大型の凝集体になった。図１９は、２Ｃ／ｃｍ２（上）および６Ｃ／ｃｍ２（下）を通過する時のＢｉ電解質から成長させられたフィルムのＳＥＭ画像を示す。静止溶液から成長させられたＣｏ−ＢｉフィルムのＳＥＭ画像も、同様の形態学的特徴を見せる。
【０２５３】
Ｃｏ−ＭｅＰｉおよびＣｏ−Ｂｉの粉末Ｘ線回折パターンは、広い非晶質特徴を呈し、ＩＴＯ基板に対応するもののほかに検出可能な結晶を呈しなかった。図２０は、（ｉ）Ｐｉ、（ｉｉ）ＭｅＰｉ、および（ｉｉｉ）Ｂｉから電析させられたブランク触媒の粉末Ｘ線回折パターンを示す。ＩＴＯ結晶は、観察された回折ピークを計上する。この観察と一致して、透過電子顕微鏡法は、結晶性ドメインを明らかにせず、また、５ｎｍの長さスケール上で電子回折点も観察されない。図２１Ａおよび２１Ｂは、Ｃｏ−Ｐｉフィルムから着脱された小粒子の縁の明視野および暗視野ＴＥＭ画像をそれぞれ示す。図２１Ｃは、触媒の非晶質性を示す、回折点がない電子回折像を示す。フィルムの化学組成を、元素分析およびエネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）によって決定した。試行された全ての電析条件についてフィルムに存在する種のモル比を、表２に示す。
【０２５４】
【表２】
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水の酸化触媒作用および活性。質量分析法は、電極からのガスの沸騰が水からのＯ２産生の結果であることを確立した。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。Ｏ２の３つ全ての同位体の信号は、電気分解の開始から数分後に基準レベルから上昇し、次いで、電気分解が終了され、Ｏ２が上部空間から取り除かれた後に、ゆっくりと減衰した。６６．０：３０．４：３．６＝１６，１６Ｏ２：１８，１６Ｏ２：１８，１８Ｏ２という観察された同位体比は、６５．８：３０．６：３．６＝１６，１６Ｏ２：１８，１６Ｏ２：１８，１８Ｏ２という予測統計比と十分一致している。この論点と一致して、触媒の溶解フィルムの３１Ｐ  ＮＭＲスペクトルは、約３：１のリン酸塩：メチルホスホン酸塩比を示した。場合によっては、ＭｅＰｉの酸化は、微量分析によって決定されるような約２：１のＰ：Ｃ比によって反映されるように、フィルム内で発生してもよい。
【０２５５】
いくつかの実施形態では、ＭｅＰｉがフィルム内で部分的に分解された一方で、ＭｅＰｉ電解質溶液のＮＭＲは、実施例１４で説明されるように、長期電気分解下で電解質の分解を示さなかった。
【０２５６】
発生したガスの蛍光ベースのＯ２感知によって、触媒のファラデー効率を決定した。ＭｅＰｉを使用したバルク電気分解において、産生されたＯ２の量（１４５μｍｏｌ）は、通過した電流（５７Ｃ、１４８μｍｏｌ）の９８（±５）％を計上した。Ｂｉ電解質については、産生されたＯ２の量（１３５μｍｏｌ）は、通過した電流（５０Ｃ、１３０μｍｏｌ）の１０４（±５）％を計上した。
【０２５７】
ＭｅＰｉおよびＢｉ電解質から成長させられた触媒の活性を評価するために、過電圧と対比した電流の対数の関係（ターフェルプロット）を使用した。図２２は、ｐＨ７．０の０．１Ｍ  Ｐｉ電解質（●）、ｐＨ８．０の０．１Ｍ  ＭｅＰｉ電解質（■）、およびｐＨ９．２の０．１Ｍ  Ｂｉ電解質（▲）から電析され、かつその中で操作された触媒フィルムのターフェルプロットη＝（Ｖａｐｐｌ?ＩＲ?Ｅ°）を示す。
【０２５８】
非緩衝電解質における触媒電着および活性。触媒形成および活性における電解質の役割を評価するために、いくつかの実施形態では、Ｃｏ２＋と、ほぼ中性のｐＨの不良な陽子受容体（例えば、ＳＯ４２−、ＮＯ３−、ＣｌＯ４−）である電解質とを含有する、溶液の中で実験を行った。様々な濃度のＣｏ２＋を含有する、ｐＨ７．０の０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４の中のガラス状炭素電流コレクタのＣＶを収集した。第１および第５のＣＶ走査を途切れずに行った。０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４溶液中の０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋のＣＶトレースは、Ｃｏ２＋がない場合に背景走査と区別不可能であったが、背景にわたってわずかな電流増大が、５ｍＭ  Ｃｏ２＋溶液から１．５６Ｖにおいて観察された。５０ｍＭ  Ｃｏ２＋において、１．４０Ｖの発現とともに、顕著なアノード波が観察された。この濃度で、帰還走査は、Ｅｐ，ｃ＝１．１５Ｖにおいて小さいカソード波を示す。Ｋ２ＳＯ４溶液中のＣｏ２＋について記録されたＣＶは、後続走査時にわずかに減退した電流を示し、そこから顕著な電流増大が後続走査時に観察される、Ｐｉ電解質溶液において記録されたものとは対照的である。ｐＨ７．０の０．１Ｍ  ＮａＣｌＯ４が電解質としてＫ２ＳＯ４と代替された時に、同じ挙動が観察された。理論に制約されることを希望することなく、選択されたｐＨにおける不良な陽子受容体である電解質の中では、触媒形成は、適度な濃度におけるＣｏ２＋イオンについて明白でなかった。Ｃｏベースのフィルムは、高濃度のＣｏ２＋イオンを含有する非緩衝電解質（ＳＯ４２−、ＮＯ３−、ＣｌＯ４−）溶液から電着した（Ｃｏ−Ｘフィルム）。３電極単区画電池の中の試薬用水中の５００ｍＭ  Ｃｏ（ＳＯ４）の定電流電解（ｉａ＝８ｍＡ／ｃｍ２）時に、ニッケル箔基板上でフィルムが形成した。電気分解の終わりに、Ｃｏ２＋を含有しない未使用の電解質溶液（０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４、ｐＨ７．０）の中に作用電極を入れた。（全ての前述の実験に使用されるような）ガラスフリットによって分離された標準的な二区画電池を使用して、ＮＨＥと対比して１．３Ｖにおいて、１時間かき混ぜながら電気分解を開始した。ｐＨ７．０の０．１Ｍ  Ｐｉ電解質中で操作された触媒フィルムの１．３Ｖにおける電流密度トレースは、約１．０ｍＡ／ｃｍ２において停滞状態であり、ｐＨ７．０の０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４では、約０．０７ｍＡ／ｃｍ２であった。
【０２５９】
電流は、１分後に急速に７０μＡ／ｃｍ２まで減少し、電気分解の間、１時間後に３６μＡ／ｃｍ２まで減少し続けた。並列比較のために、Ｐｉ電解質溶液中の０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋の定電位電解（１．４０Ｖ）によって、ニッケル箔基板上で触媒フィルムを作成した。電気分解の終わりに、Ｃｏ２＋を含有しない未使用のＰｉ電解質溶液の中に電極を入れた。ＮＨＥと対比して１．３Ｖにおいて、１時間にわたって電気分解を開始し、非緩衝液中の電気分解のために選択されるのと同じ電極形状およびかき混ぜる速度を使用した。Ｃｏ−Ｘ系と異なり、Ｃｏ−Ｐｉ系の電流は、電気分解の経過全体にわたって、約１ｍＡ／ｃｍ２において安定したままであった。
【０２６０】
いくつかの実施形態では、不良な緩衝能力を保有する電解質は、減退した活性（上記参照）および二区画電池にわたる大きなｐＨ勾配につながる。理論に制約されることを希望することなく、この障害は、水の酸化に単区画構成を利用することによって克服されてもよい。単区画設定のファラデー効率を評価するために、ｐＨ７．０の０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４を含有する単区画電池で３電極構成を使用して、上記で説明されるような５００ｍＭ  ＣｏＳＯ４溶液から作成されたＣｏ−Ｘフィルムを電解した。直接蛍光ベースの感知によって、発生したＯ２を検出した。電気分解の経過の全体を通して、発生したＯ２の量は、１００％ファラデー効率に基づいて期待されたＯ２の量に対して、有意に減衰された（例えば、約５時間の電気分解後に約４０μｍｏｌのＯ２が産生されていた（約１００μｍｏｌを期待し、約１０時間の電気分解後に約７０μｍｏｌのＯ２が産生されていた））。
【０２６１】
塩水からの水の酸化。場合によっては、触媒機能は純粋を必要としなかった。０．５Ｍ  ＮａＣｌを含有するＰｉ電解質中の１．３ＶにおけるＣｏ−Ｐｉフィルムの定電位電解は、０．９ｍＡ／ｃｍ２を上回る持続電流密度を明らかにした。これらの電流密度は、ＮａＣｌがない場合に観察される電流密度に匹敵し、塩素陰イオンがＯ２発生触媒作用を阻害しないことを示唆する（下記参照）。０．５Ｍ  ＮａＣｌの存在下での長期（１６時間、７６．５Ｃ通過）電気分解に使用されるフィルムのＥＤＸ分析は、ＣｏおよびＰが親フィルムと同様の比で保持されることを明らかにした。加えて、ＥＤＸ分析はまた、Ｎａ＋イオンの有意な取り込みも示したが、Ｃｌ−の最小限の取り込みしか示さず（Ｎａ：Ｃｌ＝約６：１）、Ｋ＋イオンに対するＮａ＋イオンの有意な交換を示唆した。塩化物含有電解質におけるフィルムの安定性に留意し、発生したＯ２の蛍光ベースの感知を使用して、この媒体における水の酸化のファラデー効率を定量化した。１．３０Ｖにおいて産生させる酸素の量を、１００％ファラデー効率によるＯ２産生に期待される量と対比した。観察されたＯ２信号は、酸素が溶液を飽和させ、上部空間、したがってオフセット量を充填するにつれて、電気分解の直後に上昇した。観察されたＯ２信号は、電気分解（１５時間）の全体を通して上昇し、実験中に通過した正味電流（３５．３Ｃ、９１．４μｍｏｌのＯ２）に従った値において、電気分解の終了時に安定した。これらの結果は、食塩水から、Ｏ２への水の酸化が優位（１００±５％）であることを示した。このシステムの特性は、酸化塩化物種（ＨＯＣｌおよびＯＣｌ−）の直接定量化によって、さらに確証された。Ｃｏ−Ｐｉフィルムを、１．３０Ｖにおいて１６時間（７６．５Ｃ通過）にわたって０．５Ｍ  ＮａＣｌの存在下で操作し、次いで、標準Ｎ，Ｎ−ジエチル−ｐ−フェニレンジアミン滴定分析を使用して、溶液を次亜塩素酸塩について分析した。１．８０Ｃ、または実験中に通過した全電流の２．４％を計上する、９．３μｍｏｌの酸化塩化物種が観察された。この媒体におけるＣｌ２産生の可能性を除外するために、インライン質量分光計によって、発生したガスをリアルタイムで分析した。検出された唯一のガスはＯ２であり、いずれのＣｌ２の同位体も実験中（６時間）に基準レベルを上回って上昇しなかった。
【０２６２】
考察。いくつかの実施形態では、電解質は、水の酸化のための自己組織化コバルトベース電解触媒の形成、活性、および選択性において重要な決定要因であってもよい。例えば、場合によっては、好適な電解質がない場合に、周囲条件下での感知可能な活性における中性の水からの酸素の生成を達成することができない。
【０２６３】
水の酸化に対する大きな触媒波が、Ｐｉ、ＭｅＰｉ、またはＢｉ電解質の溶液中の低濃度のＣｏ２＋（０．５ｍＭのＣｏ２＋）のＣＶから観察された。触媒電流の発生の前に、アノード波が、Ｃｏ３＋／２＋対と一致したＣＶにおいて観察された。この対に対する観察された電位は、Ｃｏ（ＯＨ２）６３＋／２＋（１．８６Ｖ）の電位をはるかに下回ったが、Ｃｏ（ＯＨ）２＋／０対について推定された１．１Ｖ電位と同様である。触媒波は、Ｃｏ２＋陽イオンを含まない未使用の電解質溶液中に一度アノード走査された電極を入れると、保存された。電極を研磨することにより、ＣＶにおいて清浄な背景を修復し、適度の電位におけるＣｏ３＋へのＣｏ２＋の酸化の直後に、触媒的有能種が電着することを示した。この挙動は、不良な陽子受容能力の電解質中のＣｏ２＋から取得されるＣＶトレースとは際立って対照的であった。中性ｐＨのＳＯ４２−およびＣｌＯ４−等の電解質では、いずれの重要な電気化学的特徴も、０．５ｍＭのＣｏ２＋を含有する溶液に対する背景を上回って観察されなかった。Ｃｏ２＋イオン濃度が１００倍に増加させられた時のみが、１．５６Ｖにおける溶媒窓付近で観察された電流のわずかな増大であった。この電流増大は、劇的に低いＣｏ２＋濃度におけるＰｉの対応する波に対して、＞１５０ｍＶにアノード移行された。電解質は触媒形成を推進し、効果的な陽子受容体がない場合、所与のｐＨにおいて、触媒フィルムの形成が有意に阻害された。
【０２６４】
活性触媒がアノード単回走査時に生成されてもよい一方で、所望の厚さのフィルムは、Ｐｉ、ＭｅＰｉ、およびＢｉの０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋溶液の定電位電解によって、伝導性電極（金属または半導体）上で作成されてもよい。ほとんどの場合、陰イオン種組成物は、Ｃｏ対陰イオン種比にかかわらず、一価の陽イオンによって平衡を保たれた。バルク物質への異種陰イオン種の取り込みは、変化した活性に反映されず、共通酸化Ｃｏ単位が全てのフィルムにおける触媒作用を達成することを示唆した。活性単位は、粉末Ｘ線回折パターンおよびＴＥＭにおける回折パターンに結晶性特徴がない場合に明らかであるように、寸法が＜５ｎｍである。理論に制約されることを希望することなく、これは、ＣｏＯｘ結晶に対応する長距離秩序化を呈することが断定されている、Ｃｏ−Ｘ物質の構造特性とは対照的である。
【０２６５】
水の酸化中にｐＨを維持する電解質の能力は、０．５ＭのＮａＣｌの存在下でロバストかつ機能的な触媒として発現された。ファラデー効率の直接測定および塩化物の酸化生成物の滴定は、Ｃｏ−Ｐｉが、純水について観察された電流効率に見合った電流効率で、塩水から酸素を産生できたことを確立する。ｐＨが減少するとともに、Ｃｌ−の酸化は、より熱力学的に水の酸化と競合するようになる。そのようなものとして、陽子受容電解質（Ｃｏ−Ｘ等）がない場合に、塩化物の酸化は、水の酸化を妨げてもよい。溶液のｐＨを保存するＰｉ電解質の能力は、Ｏ２産生がＣｌ−酸化を打ち負かすことを可能にする。
【０２６６】
（実施例１５）
以下の実施例は、実施例１４に関する物質および実験装置データを概説する。
【０２６７】
物質。例えば、実施例４で説明される物質を参照されたい。
【０２６８】
電気化学方法。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。
【０２６９】
サイクリックボルタンメトリ。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。
【０２７０】
バルク電気分解および原位置触媒形成。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。
【０２７１】
Ｂｉ電解質におけるｐＨへの溶液抵抗依存度の測定。Ｂｉ中のＣｏ２＋の静止溶液は、バルク電気分解中に急激かつ有意な電流降下を呈する。実施例１４で説明されるように、これは、水の酸化による陽子の放出時の中性Ｈ３ＢＯ３の形成に起因した。ＢｉにおけるｐＨの関数としてのｉＲ降下を決定するために、溶液のｐＨが約７．９に調整されるようにＫＯＨが添加された、Ｈ３ＢＯ３の未使用０．１Ｍ溶液で、二区画電解槽を充満した。ＩＴＯで被覆したガラス板を、電流コレクタとして使用し、約１ｃｍ２の面積が電解質と接触するように溶液に浸漬した。Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極を、フィルム成長およびターフェルデータ獲得に使用される構成を模倣した構成で、作用ＩＴＯ電流コレクタから２〜３ｍｍのところに配置した。Ｐｔメッシュ電極を補助電極として使用した。この構成下で７．９の初期ｐＨにおける溶液抵抗を決定するために、ｉＲ試験機能を使用した。その後、濃縮基礎ＫＯＨ溶液のアリコート（２５〜５０ｕＬ）を各半電池に添加し、結果として生じる電解質溶液のｐＨおよび抵抗を各アリコート添加後に測定した。Ｈ３ＢＯ３／Ｈ２ＢＯ３対のｐＫａ（ｐＫａ＝９．２３）に関するＢｉ電解質のｐＨの関数として溶液抵抗を図示するプロットが、図１８に示されている。ｐＨの関数としてのＨ３ＢＯ３のスペシエーション図も、図１８に表されている。
【０２７２】
不良な陽子受容電解質における活性。３００秒間の８ｍＡ／ｃｍ２における定電流電解でＮｉ箔を使用して、Ｃｏ−Ｘで被覆されたアノードを作成した。Ｎｉ箔補助電極を装備した単区画３電流コレクタ設定を使用して、０．５Ｍ  ＣｏＳＯ４溶液から電析を行った。二区画構成は、電気分解中の補助チャンバ内のＣｏ２＋種の劇的な沈殿により、不適切と見なされた。図２３は、作用チャンバ中の０．５Ｍ  Ｃｏ（ＳＯ４）および補助チャンバ中のｐＨ７．０の０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４から開始した、長期電気分解（８時間）後の二区画電池の補助チャンバの写真を示す。補助チャンバの中へ浸出したＣｏ２＋の有意な沈殿が観察される。いくつかの実施形態では、Ｃｏ触媒物質が、ＩＴＯ上のＮｉへのよりロバストな付着を呈したため、Ｎｉ箔が電流コレクタとして選択された。陽子受容電解質との並列比較のために、非晶質触媒フィルムも、０．５ｍＭのＣｏ２＋を含有するｐＨ７．０のＰｉ電解質から、Ｎｉ箔基板上に電析させた。この場合、電気分解を従来の二区画電池で操作した。２Ｃ／ｃｍ２が通過されるまで、１．４０Ｖにおける電着を実行した。非晶質リン酸塩成長触媒および特許Ｃｏ触媒物質の電析の終わりに、各電極を水ですすぎ、ｐＨ７．０のＰｉ電解質またはｐＨ７．０の０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４（Ｃｏ−Ｘについて）を含有する二区画電解槽の作用区画の中に入れた。かき混ぜながら、ＩＲを伴わずに、１．３０Ｖにおける電気分解を開始した。
【０２７３】
ターフェルプロットデータ収集。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。
【０２７４】
元素分析。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。
【０２７５】
走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）およびエネルギー分散Ｘ線分析（ＥＤＸ）。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。
【０２７６】
粉末Ｘ線回折および透過型電子顕微鏡法。Ｃｕ  Ｋα放射（λ＝１．５４０５Å）を使用したＲｉｇａｋｕ  ＲＵ３００回転アノードＸ線回折計（１８５ｍｍ）で、ＰｉおよびＭｅＰｉにおいて成長させられたフィルムの粉末Ｘ線回折パターンを取得した。Ｃｕ  Ｋα放射（λ＝１．５４０５Å）を使用したＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ  Ｘ’Ｐｅｒｔ  Ｐｒｏ回折計上で、Ｂｉにおいて成長させられたフィルムの粉末Ｘ線回折データを収集した（図２０）。粉末回折パターンに存在する特徴は、ＩＴＯ基板において見出された結晶に対応した。いずれの非ＩＴＯピークも、ＭｅＰｉまたはＢｉから作成された触媒について観察されず、電着フィルムが非晶質であることを示した。炭素グリッドおよびＣｕ支持材上に乾燥Ｃｏ−Ｐｉを電析させることによって、ＪＥＯＬ  ２００ＣＸ  Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｐｕｒｐｏｓｅ器具上でＴＥＭ画像を収集した（図２１）。いずれの結晶性ドメインおよび電子回折パターンの回折ピークも観察されなかった。検出用の長さスケールは５ｎｍであった。
【０２７７】
触媒フィルムのＮＭＲ分析。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。電解溶液のＮＭＲ分析。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。質量分析法。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。１．３０Ｖにおける電気分解時に０．５Ｍ  ＮａＣｌ溶液（Ｐｉ電解質、ｐＨ７．０）から生じるＣｌ２を検出するために、同様の実験を使用した。質量分光計は、２８（Ｎ２）、３２（Ｏ２）、３５（Ｃｌ２断片）、３７（Ｃｌ２断片）、７０、７２、および７４（Ｃｌ２同位体）の検出を伴う選択的イオンモードで操作した。ファラデー効率の決定。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。Ｂｉにおけるファラデー効率の決定のために、５０Ｃが通過するまで、Ｏ２感知を伴う電気分解を継続した。電気分解の終了時に、Ｏ２信号は、次の３時間にわたって停滞状態に達した。この時間の間に、Ｏ２レベルは０％乃至７．４６％に上昇していた。実験の終わりに、溶液の体積（６５．０ｍＬ）および作用区画中の上部空間の容積（約４２．０ｍＬ）を測定した。１２９．６μｍｏｌの理論的Ｏ２収量を得るように、電気分解中に通過した全電荷を４Ｆで割った。Ｏ２の測定された分圧を、ヘンリーの法則を使用して、溶液中の溶解Ｏ２について補正し、理想気体の法則を使用して、１３５．０μｍｏｌ（１０４．２％）の測定Ｏ２収量に変換した。
【０２７８】
単区画電気分解からのファラデー効率のために、６ｍＡ／ｃｍ２における定電流電解でＮｉ箔を使用して、０．５Ｍ  ＣｏＳＯ４から電極を作成した。電析のために、Ｎｉ箔補助電極を装備した単区画３電流コレクタ設定を使用した。電析の終わりに、電極をすすぎ、ファラデー効率測定のために気密セルの中に入れた。作用、Ｐｔ補助、およびＡｇ／ＡｇＣｌ基準といった３つ全ての電極を、単区画に格納した。かき混ぜながら３ｍＡの定電流で２０，０００秒にわたって電気分解を継続した。電気分解の終了時に、Ｏ２信号は、次の３時間にわたって停滞状態に達した。この時間の間に、Ｏ２レベルは０％乃至３．３３％に上昇していた。実験の終わりに、溶液の体積（６０．０ｍＬ）および作用区画中の上部空間の容積（約４８．５ｍＬ）を測定した。理論的Ｏ２トレースを産生するように、通過した全電荷を４Ｆで割り、Ｏ２の測定された分圧を、ヘンリーの法則を使用して、溶液中の溶解Ｏ２について補正し、理想気体の法則を使用して、観察されたＯ２トレースに変換した。
【０２７９】
Ｎ，Ｎ−ジエチル−ｐ−フェニレンジアミン（ＤＰＤ）滴定分析。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。電解質は、ＭｅＰｉまたはＢｉであってもよい。
【０２８０】
（実施例１６）
以下は、ニッケルフォーム電流コレクタを使用する、一実施形態による電極の形成を説明する。本明細書で開示される結果は、この実施形態の電極が、従来の光起電力技術によって出力されるもの（約１０ｍＡ／ｃｍ２）に匹敵する電流密度を達成できることを実証する。
【０２８１】
以前の実施例で説明されるように、同様の方法を使用した。ｐＨ７．０のリン酸緩衝水溶液中のＣｏ（ＩＩ）塩の電気分解は、Ｃｏを含有する薄いフィルムの電着につながった。電析は、Ｎｉフォーム電流コレクタ（Ｍａｒｋｅｔｅｃｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．）を使用した同等の設備で実行した。極めてマクロ多孔質のＮｉフォーム電流コレクタは、見掛けの１ｃｍ２または幾何学的な１ｃｍ２当たりの露出表面積を最大限化しながら、電着のための極めて伝導性の基板を提供する。例えば、ＮＨＥと対比した１．３ＶにおけるｐＨ７．０の０．１Ｍリン酸カルシウム中の０．５ｍＭ  Ｃｏ（ＮＯ３）２の電気分解には、連続的な泡立ち、およびフォーム電流コレクタ上の濃い緑色のフィルムの形成が付随して起こった。Ｃｏ（ＮＯ３）２の存在下の電気分解後に、電極は、未使用のＣｏを含まないリン酸緩衝剤の中に入れられてもよく、ＮＨＥと対比した１．３〜１．３５Ｖに及ぶ電位で、１０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を維持する。
【０２８２】
（実施例１７）
以下は、炭酸緩衝剤中の非限定的実施形態による電極の形成の実施例を挙げる。
【０２８３】
（ＮＨＥと対比して）１．３Ｖにおける０．５Ｍ  ＫＨＣＯ３溶液（ｐＨ＝８．４）中の０．５ｍＭ  Ｃｏ（ＩＩ）溶液で、バルク電気分解を行った。数時間後、ＩＴＯ被覆ガラス電流コレクタ上で濃い色のフィルムが形成し、おそらくＯ２発生による、気泡形成が明白であった。電流密度は、継続的に増加し、数時間後に０．６ｍＡ／ｃｍ２でピークになった。これらの条件（０．５ｍＭ  Ｃｏ（ＩＩ）および０．５Ｍ  ＫＨＣＯ３）下で電析させられたフィルムの走査型電子顕微鏡写真が、図５に示されている。フィルムは、リン酸およびメチルホスホン酸緩衝剤から電析させられたＣｏ触媒フィルムについて観察されるものと極めて同様の形態学的特徴を示す。
【０２８４】
（実施例１８）
以前の実施形態で説明されるように、リン酸塩電解質および他の陽子受容電解質からのコバルトベースの酸素発生触媒の電着を説明した。コバルト中心におけるＯ２／Ｈ２Ｏサイクルを伴う分子機構は、触媒作用中のＣｏ２＋、Ｃｏ３＋、およびおそらくＣｏ４＋の酸化状態の関与を示唆する。当業者にとって公知となるように、Ｃｏ２＋が、高スピンイオンであり、かつ置換的に不安定である一方で、Ｃｏ３＋およびより高い酸化状態は、酸素原子配位子領域中で低スピンかつ置換的に不活性である。固体酸化物からの金属イオン溶解の傾向は、配位子置換率と相関することが示されているため、コバルト酸素発生触媒は、ターンオーバー中に構造的に不安定であってもよい。水の分解中の触媒動態を探査するために、以下の実施例は、放射性５７Ｃｏおよび３２Ｐ同位体を使用する触媒の電気合成を説明する。水分解触媒作用中にこれらの放射性同位体を監視することによって、以下の実施例は、いくつかの実施形態によれば、触媒が自己発熱性であること、およびリン酸塩が修復に関与することを示す。
【０２８５】
コバルト・リン酸塩の水酸化触媒（Ｃｏ−Ｐｉ）は、以前の実施形態で説明されるように、０．５ｍＭのＣｏ２＋を含有する０．１Ｍリン酸塩（ｐＨ＝７．０）電解質（Ｐｉ）に浸漬されたＩＴＯまたはＦＴＯ電流コレクタに、ＮＨＥと対比した１．３Ｖの電位を印加すると、原位置で形成する。この電位において、Ｃｏ２＋が、Ｃｏ３＋に酸化され、非晶質触媒が、主要構成要素としてリン酸塩を取り込んだ電流コレクタ上に電析した。
【０２８６】
ここで説明される研究のために、０．５ｍＭのＣｏ（ＮＯ３）２を含有するＰｉ溶液を、１０ｍＣｉの５７Ｃｏ（ＮＯ３）２で強化した。サンプル作成および取扱の詳細を、実施例１９で規定する。電析後、不定５７Ｃｏ２＋イオンを除去するように、触媒フィルムをＰｉで洗浄した（実施例１９参照）。触媒で被覆された２つの別個の電極を、Ｃｏを含まないＰｉ電解質を含有する、２つの異なる電気化学Ｈ電池の作用区画の中に入れた。ＮＨＥと対比した１．３Ｖの電位を一方の電極に印加し、いずれのバイアス電位も他方の電極に印加しなかった。触媒はバイアス電極上で活性であり、水酸化触媒作用は前述のように続行した。異なる時点で、電解質のアリコートをＨ電池から除去し、実験の終わりに、放射能を各アリコートについて定量化した。濃縮ＨＣｌを電解質で酸性にし、触媒を完全に溶解させることによって、実験の終わりに、全ての利用可能な５７Ｃｏを決定した（実施例１９参照）。図２４は、全ての利用可能な５７Ｃｏの割合として、触媒フィルムから浸出した５７Ｃｏの瘻をプロットする。より具体的には、図２４は、指定された時にオンおよびオフにされた、ＮＨＥと対比した１．３Ｖの電位バイアスを伴う（■）、および印加された電位バイアスを伴わない（●）、電極上のＣｏ−Ｐｉ触媒物質のフィルムから浸出した５７Ｃｏの割合を示す。見た目のガイドとして、線を図に追加した。バイアスされていない電極上の触媒フィルムからコバルトが継続的に放出され、５３時間後、２．２％のコバルトイオンが溶液中で検出された。逆に、電極をＮＨＥと対比して１．３Ｖで保持すると、いずれのコバルトも電解質溶液中で観察されなかった。電位バイアスが３時間で電極から除去された後、５７Ｃｏは迅速に触媒から溶解した。１８時間および４２時間で電極に電位を再印加すると、コバルトの再吸収が観察され、その時に、溶液中のコバルトイオン濃度は、それぞれ、約１．７ｕＭおよび１．２ｕＭであった。
【０２８７】
コバルト取り込みは、電位バイアスの継続的印加を完備し、１０．５時間後、０．０７％のＣｏ２＋しか溶液中に残らない。理論に制約されることを希望することなく、図２４の結果は、（ｉ）印加された電位がない場合の触媒からのＣｏ２＋の遅い分離、および（ｉｉ）１．３Ｖの動作電位の存在下で触媒を再形成するための分離Ｃｏ２＋の再酸化と一致する。
【０２８８】
触媒中のコバルトの動的挙動を考慮して、触媒の他の主要構成要素であるリン酸塩を、３２Ｐリン酸塩標識を用いて監視した。１０ｍＣｉの３２Ｐ−オルトリン酸で強化された０．５ｍＭ  Ｃｏ（ＮＯ３）２のＰｉ溶液に浸漬された２つの電流コレクタ上で、触媒物質の同時電着を行った。触媒フィルムを洗浄し、次いで、Ｐｉを含有する２つの異なる電気化学Ｈ電池の中に入れた。図２５Ａは、ＮＨＥと対比して１．３Ｖで保持されたフィルムの２倍の速度で、電位が印加されていない触媒フィルムから３２Ｐリン酸塩が浸出したことを示す。より具体的には、図２５は、ＮＨＥと対比した１．３Ｖの印加された電位バイアスを伴う電極（■、破線のブロック）上、およびバイアスされていない電極（●、実線のブロック）上の、（Ａ）Ｃｏ−Ｐｉ触媒物質から浸出する３２Ｐ、および（Ｂ）Ｃｏ−Ｐｉ触媒物質による３２Ｐ取り込みを監視する、プロットを示す。同じ傾向が、触媒フィルムへのリン酸塩の取り込みについて観察された。８つのＩＴＯ電流コレクタを、Ｈ電池の作用電池区画内で同心配設に配設し（図２６参照）、触媒を、同位体が濃縮されていないＰｉ溶液から電着させた。電析後、電流コレクタを４個ずつの２つのグループに分け、同心配列に配設した。１．５ｍＣｉの３２Ｐリン酸塩で強化されたＰｉ電解質を含有する個々のＨ電池に、２組の電流コレクタを浸漬した。電流コレクタの一方のグループを１．３Ｖのバイアスに対して保持し、他方のグループをバイアスされないままとした。１時間毎に、１つの電極を各Ｈ電池から除去し、洗浄し、触媒を濃縮ＨＣｌで溶解させた。図２５Ｂは、各時点で取得された全３２Ｐ活性をプロットする。図２５Ａの結果と一致して、より多くのリン酸塩交換が、電位バイアスが印加されていない電極について観察された。触媒フィルムの元素分析は、リン酸塩の陰イオン種組成が、アルカリ陽イオン（ＮａまたはＫ）によって平衡を保たれたことを確立した。リン酸塩の遅い交換とは対照的に、Ｋに対するＮａ（またはＮａに対するＫ）の＞９０％交換が、代替電解質媒体中の１０分間の触媒操作後に観察された（実施例１９の表３）。理論に制約されることを希望することなく、これらのデータはともに、より遅い交換が、バイアスされた電極上で優勢であるＣｏ３＋に期待されるため、リン酸塩がコバルトに協調させられたことを示唆する。加えて、コバルトと比較して、リン酸塩のはるかに高い交換は、金属イオンが、よりロバストな金属・酸素骨組の構成要素であったことを示唆する。
【０２８９】
中性ｐＨの陽子受容電解質がない場合、いくつかの実施形態によれば、触媒の溶解は急速かつ不可逆的であった。Ｃｏベースのフィルム（Ｃｏ−Ｘ、例えば、Ｘ＝ＳＯ４２−、ＮＯ３−、ＣｌＯ４−）は、高濃度のＣｏ２＋イオンを含有する非緩衝電解質溶液から電着する。１．６５Ｖの電位バイアスにおいて、０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４（ｐＨ＝７．０）中に２ｍＣｉの５７Ｃｏ（ＮＯ３）２を含有する２５ｍＭ  Ｃｏ（ＮＯ３）２の溶液から、ＩＴＯ電極上にフィルムが電析させられた。図２４に採用された手順と類似の手順で、５７Ｃｏ溶解測定および分析を行った（実施例１９参照）。ＮＨＥと対比した１．３Ｖの低電位において、初期持続電流密度は、＜０．１ｍＡ／ｃｍ２であった。１．３Ｖで操作されたＣｏ−Ｐｉの電流密度に匹敵する電流密度（約１ｍＡ／ｃｍ２）を達成するように、ＮＨＥと対比した１．５Ｖの電位をＣｏ−Ｘフィルムに印加した。図２７は、ＮＨＥと対比した１．３Ｖ（●）、および１．５Ｖ（■）の電位バイアス下の電極、およびバイアスされていない電極（▲）上のＣｏ−Ｘフィルムから浸出した５７Ｃｏの割合を示す。Ｐｉは、矢印によって示される時点で添加された。図２７のデータは、図２４のデータから有意に逸脱する。印加された電位がＣｏ−Ｐｉのコバルト取り込みにつながった一方で、Ｃｏ−Ｘ系への同じ印加された電位は、バイアスされていない電極に対して強化されたコバルト放出につながる。また、コバルト溶解は、印加された電位が増加するとともに増加する。理論に制約されることを希望することなく、これらの結果は、Ｃｏ−Ｘ系の一貫した腐食である。陽子受容電解質がない場合、最も良好な陽子受容体は、電着Ｃｏ−Ｘフィルム自体であった。電位が増加するとともに、陽子の増加した産生は、これらのフィルムの加速した腐食を引き起こす。
【０２９０】
理論に制約されることを希望することなく、リン酸塩または中性ｐＨの他の陽子受容電解質（例えば、ホウ酸塩、メチルホスホン酸塩）がない場合、修復機構は確立されなかった。この論点は、図２７の腐食フィルムにリン酸塩を添加することによって実証された。０．１Ｍ  Ｐｉの最終濃度を達成するためのＫＰｉ電解質（１Ｍ、ｐＨ＝７．０）の添加は、触媒フィルム内へのコバルトの急速な再電析につながった（コバルトの沈殿は観察されなかった、実施例１９参照）。
【０２９１】
ここで報告される結果は、いくつかの実施形態では、リン酸塩がＣｏ−Ｐｉ触媒の自己発熱において重要な構成要素であることを確立する。理論に制約されることを希望することなく、触媒の原位置形成は、触媒の自己修復のための経路を暗示する。水分解触媒作用中に溶液の中で形成される、いずれのＣｏ２＋も、リン酸塩の存在下でのＣｏ３＋への酸化時に再電析させられてもよい。また、触媒分解は、印加されたバイアスがない場合、電位が再印加され、リン酸塩が溶液中に存在する時に修復されてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、リン酸塩は、触媒システムの長期安定性を確保する。
【０２９２】
（実施例１９）
以下の実施例は、実施例１８に関する物質ならびに実験装置およびデータを概説する。
【０２９３】
物質。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。１ｍＬの０．０２Ｍ  ＨＣｌ中の１０ｍＣｉの３２Ｐオルトリン酸（Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ）、Ｏｐｔｉ−Ｆｌｕｏｒシンチレーション液（Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ）、および５ｍＬの０．１Ｍ  ＨＮＯ３中の０．５および１０ｍＣｉの５７Ｃｏ（ＮＯ３）２（Ｅｃｋｅｒｔ  ＆  Ｚｉｅｇｌｅｒ  Ｉｓｏｔｏｐｅ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）を受容した通りに使用した。
【０２９４】
電気化学方法。例えば、実施例１２で説明される実験手順を参照されたい。放射化学方法。浸出実験において、全ての放射性アリコートを、１０ｍＬのＯｐｔｉ−Ｆｌｕｏｒシンチレーション液に添加し、ＱｕａｎｔｉＳｍａｒｔ  Ｖｅｒｓｉｏｎ  １．３０ソフトウェアパッケージ（Ｐａｃｋａｒｄ）を使用して、Ｔｒｉ−Ｃａｒｂ  ２９００ＴＲ液体シンチレーション分析器上で数えた。外部較正によって、３２Ｐおよび５７Ｃｏの計数効率（ε）は、それぞれ１．０および０．６８であることが分かった。ＤＰＭ＝ＣＰＭ／εを使用して、壊変毎分（ＤＰＭ）をカウント毎分（ＣＰＭ）から計算した。０．００１ｎＣｉ＝２．２ＤＰＭという変換を使用することによって、ｎＣｉの単位でＤＰＭをＡｎ（ｔ）（＝ｎ組のアリコートについて測定された放射能の合計であって、１組は、時間ｔで収集された、作用区画からの１つのアリコート、および補助区画からの１つのアリコートを含有する）に変換した。式１０を使用することによって、アリコートの除去前の電池溶液の放射能Ｒｎ（ｔ）をＡｎ（ｔ）から計算した。
【０２９５】
【数２】
2011525217.tif 000007
式中、Ｖｎ（ｔ）＝時間ｔにおけるｎ組のアリコートの除去前の電池溶液の全体積であり、Ｖｎ（ｔ）＝１組のアリコートの全体積である。以前の複数組のアリコートにおいて除去された放射線量を計上するために、式１１に従って、電極から浸出した全放射能ＴＲｍ（ｔ）を提供するように、以前のＡｎ（ｔ）値をＲｎ（ｔ）に加えた。
【０２９６】
【数３】
2011525217.tif 000008
ＴＲｍ，ｃｏｒｒ（ｔ）＝ＴＲｍ（ｔ）−ＴＲ１（０）を使用してＴＲ１（０）を引くことによって、ＴＲｍ（ｔ）値を背景放射について補正した。実験の終わりに、触媒フィルムを完全に溶解させるように、溶液に浸漬された電極を伴う電解質に、濃縮ＨＣｌを添加した。アリコートを溶液から採取し、以前のＴＲｍ，ｃｏｒｒ（ｔ）を計算する同じ手順を適用することによって、全放射能ＴＲｍ，ｃｏｒｒ（酸）を決定した。したがって、ＴＲｍ，ｃｏｒｒ（酸）は、システムにおいて利用可能な全ての放射能、すなわち、各組のアリコートから除去された放射能および電池の中に残っている放射量の合計を計上する。ＴＲｍ，ｃｏｒｒ（ｔ）をＴＲｍ，ｃｏｒｒ（酸）×１００％で割ることによって、電極から浸出した放射能量のパーセント値を計算した。異なる実験のために除去された放射能の総量を、システムにおける全ての利用可能な放射能の割合として表３に示す。
【０２９７】
【表３】
2011525217.tif 000009
３２Ｐ取り込み実験において、Ｃｏ−Ｐｉが電着された個々のＩＴＯ板を、１０ｍＬのＰｉ電解質内への濃縮ＨＣｌで溶解させた。式７を使用して、酸性化触媒の全放射能Ｒｎ（ｔ）を単一アリコートＡｎ（ｔ）から計算した。
【０２９８】
電析と関連する誤差を最小限化するために、所与の種類の実験に対して多重電流コレクタアレイ（図２６）を同時に使用して、電極を作成した。同時に電析した触媒とともに実行された実験の相対的傾向を、常に保存した。同一の実験条件（例えば、電析時間、電位、反応物質の濃度等）下での電着触媒の測定から、実験実行間の誤差を評価した。Ｃｏ−Ｐｉを使用した、２つの独立した５７Ｃｏ浸出実験は、電位バイアスがない場合に、３０時間後に１．６％および１．３％浸出を呈した。同様に、Ｃｏ−Ｘを使用した、２つの独立した５７Ｃｏ浸出実験は、電位バイアスがない場合、６時間後に０．１８％および０．１６％浸出を呈した。実験実行間の推定誤差は、約１５％である。
【０２９９】
３２Ｐリン酸塩浸出実験。微細多孔性のガラスフリット接合点を伴う二区画電気化学Ｈ電池の中で、放射標識Ｃｏを含有するＰｉに定電位電解を行うことによって、放射標識コバルトリン酸塩（Ｃｏ−Ｐｉ）触媒フィルムを作成した。補助区画は、２０ｍＬのＰｉ電解質で充填し、作用区画は、０．５ｍＭのＣｏ（ＮＯ３）２を含有する２０ｍＬのＰｉ電解質で充填した。０．１５ｍＬの約１．５ｍＣｉの３２Ｐオルトリン酸を、作用区画に添加した。電流コレクタは、市販のスライドから切断されたＩＴＯ被覆ガラスの２つの２．５ｃｍ×３．０ｃｍ断片から成った。電流コレクタをポテンショスタットに並列に接続するため、およびＩＴＯ被覆側が相互に対面するようにそれらを０．５〜１ｃｍ離して位置付けるために、自社製の双頭ワニ口クリップを使用した（図２６Ａ）。典型的には、各電流コレクタの３．７５ｃｍ２領域を溶液に浸漬した。基準電極は、電流コレクタ間に位置付けた。かき混ぜることなく、かつｉＲ補償を伴わずに、１．３０Ｖで電気分解を実行した。電気分解（１５分、０．５Ｃ／ｃｍ２が通過した）の終わりに、電極を溶液から除去し、５分間の未使用Ｐｉ電解質のかき混ぜた８０ｍＬ槽の中での連続浸漬によって、３回洗浄した。
【０３００】
洗浄後、両方の区画に２５ｍＬのＰｉを含有する、２つの別個の二区画電気化学Ｈ電池の作用区画の中に、電極を入れた。電極は、アリコートの除去が触媒フィルムを空気に暴露させないように浸された。基準電極は、作用電極から２〜３ｍｍに位置付けた。一方の電池では、かき混ぜながらｉＲ補償を伴わずに、１．３０Ｖで電気分解を実行した。他方の電池の作用区画はかき混ぜたが、いずれの電位も電極に印加しなかった。溶液の中へ浸出した放射標識リン酸塩の量を決定するように、実験中に、各電池の作用および補助チャンバからアリコートを除去した。実験の終わりに、基準電極を除去し、フィルムを溶解させるように、３ｍＬの濃縮ＨＣｌを各電池の作用区画に添加した。この手順は、ＩＴＯ基板上に、＜０．４％残留放射を残した。最初にフィルムに取り込まれた全３２Ｐ含有量を決定するように、酸性化溶液からのアリコートを収集した。各アリコートを１０ｍＬのシンチレーション液と組み合わせ、実験の終わりに、全てのサンプルを同時に数えた。
【０３０１】
長期電気分解中のＨ電池のｐＨ変化に起因する、あらゆる影響を除外するために、０．１Ｍ  ＫＰｉの代わりに１．０Ｍ  ＫＰｉを使用して、同様の実験を行った。この実験のために、作用区画の中の０．５ｍＭのＣｏ２＋を含有する１９ｍＬの０．１０５Ｍ  ＫＰｉ電解質を強化するように、１ｍＬの約１０ｍＣｉの３２Ｐオルトリン酸を使用して、上記で説明されるように電析を行った。４時間にわたって、かき混ぜることなく、かつｉＲ補償を伴わずに、１．３０Ｖで電気分解を実行した（１０．７Ｃ／ｃｍ２が通過した）。浸出実験は１Ｍ  ＫＰｉを使用して行ったが、他の全ての操作は同じであった。
【０３０２】
Ｃｏ−Ｐｉ触媒による３２Ｐリン酸塩取り込み。微細多孔性のガラスフリット接合点を伴う二区画電気化学Ｈ電池の中で、Ｃｏ２＋を含有するＰｉに定電位電解を行うことによって、非放射標識触媒フィルムを作成した。補助区画は、２０ｍＬのＰｉ電解質で充填し、作用区画は、０．５ｍＭのＣｏ（ＮＯ３）２を含有する２０ｍＬのＰｉ電解質で充填した。電流コレクタは、ＩＴＯ被覆ガラスの８つの０．７ｃｍ×５．０ｃｍ断片から成った。電流コレクタをポテンショスタットに並列に接続するため、およびＩＴＯ被覆側が相互に対面するようにそれらを円形配設で位置付けるために、自社製の８頭ワニ口クリップを使用した（図２６Ｃ）。典型的には、各電流コレクタの１．０５ｃｍ２領域を溶液に浸漬した。基準電極は、円形電極アレイの中心に位置付けた。かき混ぜることなく、かつｉＲ補償を伴わずに、１．３０Ｖで電気分解を実行した。電気分解（２時間、３．９Ｃ／ｃｍ２が通過した）の終わりに、電極を溶液から除去し、未使用Ｐｉ電解質のかき混ぜた８０ｍＬ槽の中で５分間洗浄した。
【０３０３】
電極は、２つの別個の４頭クリップに移動させ（図２６Ｂ）、両方の区画に２５ｍＬのＰｉを含有する、２つの別個の二区画電池の作用区画の中に入れた。放射標識３２Ｐオルトリン酸（約１．５ｍＣｉ）を、両方の電池の作用区画に添加した。基準電極は、４電極アレイの中心に位置付けた。一方の電池では、かき混ぜながらｉＲ補償を伴わずに、１．３０Ｖで電気分解を実行した。他方の電池の作用区画はかき混ぜたが、いずれの電位も電極に印加しなかった。フィルムに取り込まれた放射標識リン酸塩の量を決定するように、実験中に、個々の電極を除去した。除去した電極は、５分間の未使用Ｐｉ電解質のかき混ぜた８０ｍＬ槽の中での連続浸漬によって、３回洗浄した。後に、フィルムを１０ｍＬの０．１Ｍ  Ｐｉ電解質の中に入れ、２ｍＬの濃縮ＨＣｌで溶解させた。リン酸塩取り込みのレベルを決定するために、この酸性化溶液の１ｍＬアリコートを使用した。全てのアリコートを１０ｍＬのシンチレーション液と組み合わせ、実験の終わりに、全てのサンプルを同時に数えた。
【０３０４】
Ｃｏ−Ｐｉ触媒による５７Ｃｏ取り込み。微細多孔性のガラスフリット接合点を伴う二区画電気化学Ｈ電池の中で、５７Ｃｏ含有Ｐｉ溶液に定電位電解を行うことによって、放射標識Ｃｏ−Ｐｉ触媒フィルムを作成した。補助区画は、２０ｍＬのＰｉ電解質で充満し、作用区画は、約１０ｍＣｉの５７Ｃｏ（ＮＯ３）２で強化された０．５ｍＭのＣｏ（ＮＯ３）２を含有する２０ｍＬのＰｉ電解質で充満した。電流コレクタは、市販のスライドから切断されたＩＴＯ被覆ガラスの２つの２．５ｃｍ×４．０ｃｍ断片から成った。電流コレクタをポテンショスタットに並列に接続するため、およびＩＴＯ被覆側が相互に対面するようにそれらを０．５〜１ｃｍ離して位置付けるために、双頭ワニ口クリップを使用した（図２６Ａ）。典型的には、各電流コレクタの３．７５ｃｍ２領域を溶液に浸漬した。基準電極は、作用電極間に位置付けた。かき混ぜることなく、かつｉＲ補償を伴わずに、１．３０Ｖで電気分解を実行した。電気分解（４．１時間、１０．０Ｃ／ｃｍ２が通過した）の終わりに、電極を溶液から除去し、５分間の未使用Ｐｉ電解質のかき混ぜた８０ｍＬ槽の中での連続浸漬によって、３回洗浄した。
【０３０５】
洗浄後、両方の区画にＰｉ電解質を含有する、２つの別個の二区画Ｈ電池の作用区画の中に、電極を入れた。基準電極は、作用電極から２〜３ｍｍに位置付けた。一方の電池では、かき混ぜながらｉＲ補償を伴わずに、１．３０Ｖで電気分解を開始した。電池における電位は、文中の図２４で示されるように、周期的にオンおよびオフにした。他方の電池の作用区画はかき混ぜたが、いずれの電位も電極に印加しなかった。溶液中の放射標識コバルトの量を決定するように、実験中に、各電池の作用および補助チャンバからアリコートを除去した。実験の終わりに、基準電極を除去し、フィルムを溶解させるように、３ｍＬの濃縮ＨＣｌを各電池の作用区画に添加した。最初にフィルムに取り込まれた全５７Ｃｏ含有量を決定するように、酸性化溶液からのアリコートを収集した。各アリコートを１０ｍＬのシンチレーション液と組み合わせ、実験の終わりに、全てのサンプルを同時に数えた。
【０３０６】
５７Ｃｏ浸出およびＣｏ−Ｘフィルムによるリン酸塩誘導取り込み。単区画電気化学Ｈ電池の中での５７Ｃｏ含有Ｋ２ＳＯ４電解質の定電位電解によって、放射標識Ｃｏ−Ｘフィルムを作成した。電気分解溶液は、約２ｍＣｉの５７Ｃｏ（ＮＯ３）２で強化された２５ｍＭのＣｏ（ＮＯ３）２を含有する、２０ｍＬの０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４電解質（ｐＨ７．０）から成った。電流コレクタは、市販のスライドから切断されたＩＴＯ被覆ガラスの２つの２．５ｃｍ×４．０ｃｍ断片から成った。電流コレクタをポテンショスタットに並列に接続するため、およびＩＴＯ被覆側が相互に対面するようにそれらを０．５〜１ｃｍ離して位置付けるために、双頭ワニ口クリップを使用した（図２６Ａ）。典型的には、各電流コレクタの３．７５ｃｍ２領域を溶液に浸漬した。基準電極は、作用電極間に位置付けた。かき混ぜながらｉＲ補償を伴わずに、１．６５Ｖで電気分解を実行した。ニッケル箔を補助電極として使用した。電気分解（３．８〜４．５時間、１６．４〜２９．２Ｃ／ｃｍ２が通過した）の終わりに、電極を溶液から除去し、５分間の未使用０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４（ｐＨ７．０）のかき混ぜた８０ｍＬ槽の中での連続浸漬によって、３回洗浄した。
【０３０７】
洗浄後、両方の区画に０．１Ｍ  Ｋ２ＳＯ４（ｐＨ７．０）を含有する、２つの別個の二区画電池の作用区画の中に電極を入れた。基準電極は、作用電極から２〜３ｍｍに位置付けた。一方の電池では、かき混ぜながらｉＲ補償を伴わずに、１．３０Ｖまたは１．５１Ｖで電気分解を開始した。他方の電池の作用区画はかき混ぜたが、いずれの電位も電極に印加しなかった。３０時間（１．３０Ｖ）および１８時間（１．５１Ｖ）後、０．１Ｍの最終リン酸塩濃度を生じるように、１Ｍ  ＫＰｉ（ｐＨ７．０）を、４つ全ての電池の作用および補助区画に添加した。電池のうちの１つについて、いずれの電位も電極に印加されなかった場合、Ｃｏ３（ＰＯ４）２としてのＣｏ２＋沈殿（Ｋｓｐ＝２．０５×１０−３５）がデータに影響を及ぼさなかったことを確実にするように、リン酸塩添加の前に電極を除去した。溶液中の放射標識コバルトの量を決定するように、実験中に、各電池の作用および補助チャンバからアリコートを除去した。実験の終わりに、フィルムを溶解させるように、３〜５ｍＬの濃縮ＨＣｌを各電池の作用区画に添加した。最初にフィルムに取り込まれた全５７Ｃｏ含有量を決定するように、酸性化溶液からのアリコートを収集した。各アリコートを１０ｍＬのシンチレーション液と組み合わせ、実験の終わりに、全てのサンプルを同時に数えた。
【０３０８】
１．３０Ｖおよび１．５１Ｖで操作されるフィルムについては、リン酸塩が導入されるまでコバルトの有意な浸出が観察され、そうするとすぐに、Ｃｏが電極上に急速に再蓄積される（文中の図２７）。電位が印加されなかったフィルムについては、リン酸塩が導入されるまで少量の浸出（約０．２５％）が観察され、そうするとすぐに、溶液中のＣｏ濃度が５時間後に約０．０５％まで減少する（図２８Ａ）。理論に制約されることを希望することなく、溶液中のＣｏ濃度の減少は、電極表面上へのＣｏ３（ＰＯ４）２としてのＣｏ２＋（Ｋｓｐ＝２．０５×１０−３５）の無差別沈殿または再蓄積の結果であってもよい。無差別沈殿は、リン酸塩添加の前に電極を除去することによって除外された。溶液中のコバルト濃度の減少は５時間にわたって観察されず（図２８Ｂ）、電極上への再蓄積が図２８Ａの観察された減少の原因であることを示す。
【０３０９】
Ｎａ／Ｋ交換。伝導度を増進するように、一方の縁に沿って銀組成物（ＤｕＰｏｎｔ  ４９２２Ｎ，  Ｄｅｌｔａ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）の０．５ｃｍ幅の細片を含有する、広い表面積のＦＴＯ基板上に、Ｃｏ−Ｐｉ触媒フィルムを作成した。微細多孔性のガラスフリットによって分離された、大容量二区画電気化学Ｈ電池の中で、電着を実行した。基準電極は、電流コレクタから２〜３ｍｍに位置付けた。支持電解質として０．１ＭのＫＰｉ（ｐＨ７．０）または０．１ＭのＮａＰｉ（ｐＨ７．０）を使用して、１．３０Ｖにおいて静止溶液から電析を行った。ナトリウム含有電解質から作成された電極を、試薬用水ですすぎ、０．１ＭのＫＰｉ（ｐＨ７．０）を含有する電解槽の中に入れた。１０分間にわたって１．３０Ｖで電気分解を開始した。その後、電極を試薬用水ですすぎ、空気中で乾燥させた。カルシウム含有電解質から作成された電極については、ＫＰｉをＮａＰｉで置換して、同じ手順を行った。８〜１２ｍｇの黒色粉末を生じるように、ＦＴＯ基板から触媒物質を手動で除去し、粉末は元素微量分析を受けた（表４）。
【０３１０】
【表４】
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（実施例２０）
以下の実施例は、非限定的実施形態による、コバルト陰イオンと、リン酸塩を含む陰イオン種とを含む、物質の構造の決定に関する実験を説明する。
【０３１１】
活性触媒作用中に、開回路電位（ＯＣＰ）における原位置にある、新たに作成されたＣｏ−Ｐｉ触媒上で、コバルトＫ縁Ｘ線吸収分光法を行った。これらの実験は、Ｘ線透過窓を含有する修正二区画電解槽を採用し、その溶液対面側は、ＩＴＯの薄い層で被覆された。ＩＴＯは、その上でＣｏ−Ｐｉが電析させられる作用電池としての機能を果たし、Ｘ線吸収は、蛍光励起スペクトルとして測定した。この構成は、触媒作用中に形成した電解質溶液または気泡からの干渉を防止した。
【０３１２】
１．２５Ｖで１０分間保持されたＩＴＯ上に、０．１Ｍ  ＫＰｉ中の新たに作成された０．５ｍＭ  Ｃｏ２＋から電析されたＣｏ−Ｐｉにより、実験を行った。Ｃｏ−Ｐｉの電析後、Ｃｏ２＋含有溶液を電池から除去し、Ｃｏ２＋を含まないＫＰｉと交換した。電解槽が開回路に切り替えられ、Ｘ線吸収スペクトルが収集される前に、１．２５Ｖの電位を作用電極に簡潔に印加した。開回路（ＯＣＰ）においてスペクトルを収集した後、１．２５Ｖにおいてスペクトルを収集した。この電位におけるスペクトルの獲得の全体を通して、水の酸化を示す持続アノード電流が観察された。
【０３１３】
図３０Ａは、開回路電位におけるＣｏ−Ｐｉ（ｉ）の拡張Ｘ線吸収微細構造（ＥＸＡＦＳ）スペクトルのフーリエ変換を示す。一般的な酸化コバルトＣｏ３Ｏ４（ｉｉ）のＥＸＡＦＳスペクトルのＦＴが、比較のために示されている。ＥＸＡＦＳシミュレーションは、Ｃｏ−Ｐｉに対するＦＴの２つの顕著なピークが、それぞれ、１．９０Åおよび２．８２ÅというＣｏ−ＯおよびＣｏ−Ｃｏ距離に対応することを示す。対応する配位数は、Ｃｏ−Ｏについては約６、Ｃｏ−Ｃｏについては３〜４である。理論に制約されることを希望することなく、これらの距離は、ビス−μ−オキソ配位子によって結合されるＣｏ３＋イオンと一致する。これらの個々のビス−μ−オキソ配位子結合二量体が組み込まれてもよい、高次構造は、クバンまたは部分的クバンを結合した。Ｃｏ３Ｏ４に見られる、より高い見掛けの距離における顕著なピークは、酸化コバルトによく見られ、酸化物配位子によって結合された３つ以上のＣｏイオンの直線的またはほぼ直線的な配設を示す。加えて、Ｃｏ−Ｐｉにおけるこれらのピークの不在は、物質における長距離秩序の欠如と一致する。
【０３１４】
図３０Ｂは、は、（ｉ）同じ触媒と対比したＯＣＰにおける、および（ｉｉ）（ＮＨＥと対比した）１．２５Ｖにおける、Ｃｏ−ＰｉのＸ線吸収端近傍構造（ＸＡＮＥＳ）スペクトルを示す。理論に制約されることを希望することなく、ＯＣＰにおけるバルクＣｏ−Ｐｉの縁の位置および形状は、酸化Ｃｏモデル化合物の収集との比較によって示されるように、主にＣｏ３＋から成る構造と一致する。１．２５Ｖにおいて、Ｃｏ−Ｐｉ縁の約０．６ｅＶのシフトが観察されるが、形状は極めて同様のままである。このシフトは、主にＣｏ３＋を含有する構造からＣｏ４＋の一部分を含有する構造への遷移と一致する。
【０３１５】
（実施例２１）
以下の実施例は、少なくとも１つの不純物を含有する水源を使用する、電流コレクタと、コバルトおよびリン酸塩を含む触媒物質（例えば、本明細書で説明される方法を使用して形成される）とを含む、電極の動作を説明した。
【０３１６】
水源は、以下の実験では、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＭＡで収集された、Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｒｉｖｅｒからの水であった。水は、使用前に浄化されなかった。図３１Ａは、（ｉ）１８Ｍオーム抵抗率の純水源および（ｉｉ）Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｒｉｖｅｒからの非浄化水で作成された、ｐＨ７で緩衝された０．１Ｍ  ＫＰｉ溶液を操作したＣｏ−Ｐｉ触媒のターフェルプロットを示す。ターフェル傾斜は、浄化および非浄化水源の両方についてほぼ同じであり、触媒動作の機構が水の不純物によって影響されないが、過電圧が所与の電流密度においてわずかに増加する（４０ｍＶ）ことを示す。浄化されていないＣｈａｒｌｅｓ  Ｒｉｖｅｒの水におけるバルク電気分解（図３１Ｂ）は、触媒動作が１時間の期間にわたって安定していることを示す。ＩＴＯ被覆基板上で作成されたＣｏ−Ｐｉフィルムで、両方の実験を行った。
【０３１７】
Ｎａ２ＳＯ４またはＮａＮＯ２を含む水源を使用して、同様の実験を行った。収集したデータは、０．１Ｍ  ＫＰｉ（ｐＨ７）における触媒動作が、１００ｍＭ以下の濃度の硫酸陰イオン（Ｎａ２ＳＯ４）および１０ｍＭ以下の濃度の亜硝酸塩陰イオン（ＮａＮＯ２）の存在によって影響されないことを示した。
【０３１８】
（実施例２２）
以下の実施例は、一実施形態による電極を備える、電気分解デバイスを説明し、システムは、燃料電池モードで動作する太陽電池によって電力供給される。実験装置は、当業者によって理解されるように配設された、平面ＩＴＯ電極（１ｃｍ２）上のＣｏ−Ｐｉの薄いフィルムと、Ｐｔ金属箔（１ｃｍ２）から成るカソードと、２つの電極を分離するＮａｆｉｏｎ膜と、ｐＨ７の０．１Ｍリン酸塩の溶液とを備えた。太陽電池は、アノードおよびカソードにわたって約１．７５Ｖの電圧を供給するために使用された。システムは、約０．３５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で動作した。
【０３１９】
（実施例２３）
以下の実施例は、第１の金属イオン種および第２の金属イオン種を含む、触媒物質の形成を説明する。触媒物質は、この実施例では、ｐＨ８．５で緩衝された０．１Ｍメチルホスホン酸塩溶液、および選択された金属イオン種を含む、溶液に浸漬された電流コレクタに電圧を印加することによって、形成されてもよい。例えば、０．５ｍＭ  ＣｏＩＩ（ＮＯ３）２・６（Ｈ２Ｏ）および０．５ｍＭ  ＭｎＩＩＣｌ２・４（Ｈ２Ｏ）と、ｐＨ８．５で緩衝された０．１Ｍメチルホスホン酸塩とを含む、溶液に浸漬されたＩＴＯ電極に、Ａｇ／ＡｇＣｌと対比した１．１Ｖ（ＮＨＥに対して約１．３）の電圧を印加した。赤みを帯びた緑色の物質がＩＴＯ電極上で形成した（図３２）。元素組成分析は、Ｍｎが３：１の近似Ｃｏ：Ｍｎ比で存在したことを確認した（表５参照）。データ内のＳｉ信号はガラス基板から計上されてもよく、Ｆｅ信号は不純物により計上されることを理解されたい。
【０３２０】
【表５】
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別の実験では、上記で説明されるような同様の条件を使用して触媒物質を作成し、溶液は、０．５ｍＭ  ＣｕＩＩ（ＳＯ４）、０．５ｍＭ  ＣｏＩＩ（ＮＯ３）２、およびｐＨ８．５の０．１Ｍメチルホスホン酸塩を含んだ。この実施形態で形成された触媒物質は、約５：１のコバルト対銅の比を有した。
【０３２１】
（実施例２４）
以下は、ニッケルイオンと、ホウ素を含む陰イオン種とを含む、触媒物質の合成を説明する。触媒物質を含む電極を形成するために、ｐＨ９．２の０．１Ｍ  Ｈ２ＢＯ３−／Ｈ３ＢＯ３電解質（Ｂｉ電解質）中のＮｉ２＋の１ｍＭ溶液のサイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）を行った。図３３Ａに示されるように、サイクリックボルタンメトリは、ガラス状炭素電極の第１のアノード掃引上の１．２Ｖにおける大きな触媒波の発生を示す。具体的には、図３３Ａは、ｐＨ９．２の０．１Ｍ  Ｂｉ電解質中の１ｍＭ  Ｎｉ２＋水溶液の５０ｍＶ／ｓ走査速度で、ガラス状炭素作用電極を使用した、（ｉ）第１および（ｉｉ）第２のＣＶ走査、ならびに（ｉｉｉ）Ｎｉ２＋の非存在下でのＣＶ走査を示す。カソード帰還走査は、触媒波を通した初期掃引中に形成された表面吸収種の還元に起因した、ＮＨＥと対比したＥｐ，ｃ＝０．８７Ｖにおける広い特徴を示す。後続のＣＶ走査は、Ｅｐａ＝１．０２Ｖを中心とする新しい急激なアノードの事前特徴、および１．１５Ｖの発生電位を伴うカソードに移行した触媒波を表す。アノードの事前特徴の統合によって、１回のＣＶ走査後に触媒の単層が電析される一方で、２０回の走査後に１０〜１２層の厚さのフィルムが産生され、したがって、この電着の制御された性質を立証すると推定する。
【０３２２】
緩衝Ｂｉ電解質がない場合には、フィルム形成も触媒作用も観察されない。したがって、ｐＨ９．２の０．１Ｍ  ＮａＮＯ３電解質中のＮｉ２＋の１ｍＭ水溶液のＣＶは、Ｎｉ２＋がない場合の電極背景と区別不可能である。Ｃｏの場合のように、これは、ホウ酸遠等の陽子受容電解質が、これらの条件下での容易な電着および触媒作用に不可欠であることを示唆する。
【０３２３】
酸化Ｎｉフィルムの電位依存性Ｏ２発生活性を、ｐＨ９．２のＮｉを含まないＢｉ電解質において評価した。３００ｍＣ／ｃｍ２を通過させることによって成長させられた薄いフィルムに対して取得された電流密度ｊを、Ｏ２発生のための過電圧ηの関数として測定した。ηと対比した対数（ｊ）のプロット（図３３Ｂ）は、１２１ｍＶ／１０の傾斜を生じた。
【０３２４】
Ｃｏｌｕｍｂｉａ  Ａｎａｌｙｔｉｃｓ（Ｔｕｃｓｏｎ，  ＡＺ）によって、微量分析を行った。濾過した１ｍＭ  Ｎｉ２＋／０．１Ｍ  Ｂｉ溶液を使用して、広い表面積（約２５×２５ｃｍ２）のＦＴＯ被覆スライドガラス上に、酸化Ｎｉ触媒を作成した。電気分解の終了時に、スライドを溶液から即時に除去し、試薬用水ですすぎ、空気中で乾燥させた。カミソリの刃を使用して、電着物質を慎重に削り取り、物質を微量分析のために提出した。上記のように作成されたサンプルの元素組成は、Ｎｉ，４３．６ｗｔ.％；Ｈ，２．１６ｗｔ.％；Ｂ，２．７ｗｔ.％；Ｋ，１．１ｗｔ.％．であった。理論に制約されることを希望することなく、物質の考えられる化学式は、Ｎｉ２／３ＩＶＮｉ１／３ＩＩＩＯ４／３（ＯＨ）２／３（Ｈ２ＢＯ３）１／３・Ｈ２Ｏであるが、乾燥フィルムの組成が動作条件下でのフィルムの組成に正確に対応する可能性は低い。
【０３２５】
ＪＳＭ−５９１０顕微鏡（ＪＥＯＬ）で、触媒物質のＳＥＭ顕微鏡写真を取得した。電着後、触媒サンプルを脱イオン水ですすぎ、器具に装填する前に空気中で乾燥させた。画像は５〜１０ｋＶの加速電圧で取得した。図３３Ｃ−Ｅは、種々の倍率における、１．３Ｖで１０Ｃ／ｃｍ２を通過させることによって作成された触媒のＳＥＭ画像を表す。
【０３２６】
Ｃｕ  Ｋα放射（λ＝１．５４０５Å）を使用したＲｉｇａｋｕ  ＲＵ３００回転アノードＸ線回折計（１８５ｍｍ）で、１０Ｃ／ｃｍ２を通過させることによって成長させられたフィルムの粉末Ｘ線回折パターンを取得した。図３３Ｆは、（ｉ）ＩＴＯアノードに対する、および（ｉｉ）ＩＴＯ基板上に電析された触媒フィルムに対する、粉末Ｘ線回折パターンを示す。回折パターンの唯一のピークは、ＩＴＯ背景に関するものに対応し、電着酸化ニッケル触媒が非晶質であることを示す。
【０３２７】
Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ４００系統ダイオードアレイ分光計上で、スペクトルを記録した。作用電極は、市販のスライド（Ｄｅｌｔａ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｃ．）から切断されたＩＴＯ被覆石英の２ｃｍ×０．８ｃｍ断片から成った。作用、基準、およびＰｔ補助電極は、１区画電解槽を備えるように、標準的な１ｃｍ経路長のＵＶ−Ｖｉｓキュベットに組み込んだ。分光計は、Ｎｉ２＋（１ｍＭ）を含有するＢｉ電解質の濾過溶液に対して空白にし、スペクトルは、１．２Ｖが印加されている間に周期的に収集した。９分間の電気分解後に記録されたスペクトルが、図３３Ｇに示されている。
【０３２８】
電極のファラデー効率を決定するために、Ｏ２を定量的に検出するようにＯｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ酸素センサシステムを使用した。実験は、各区画上の１４／２０ポート、および作用区画上のＴｅｆｌｏｎ弁とのＳｃｈｌｅｎｋ接続を伴う、特注の二区画気密電気化学電池において行った。活発にかき混ぜながら、１２時間にわたって高純度Ｎ２で泡立てることによって、Ｂｉ電解質を脱気し、それをＮ２下で電気化学電池に移動させた。一方の区画は、Ｎｉフォーム補助電極を含有し、他方の区画は、作用およびＡｇ／ＡｇＣｌ基準電極を含有した。Ｎｉ触媒は、上記で説明されるような電着から作成した。基準電極は、触媒の表面から数ｍｍに位置付けられた。作用区画の１４／２０ポートは、ＭｕｌｔｉＦｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｐｈａｓｅ  Ｆｌｕｏｒｏｍｅｔｅｒに接続されたＦＯＸＹ  ＯＲ１２５−７３ｍｍ  Ｏ２感知プローブを装着された。１０秒間隔で記録されたＦＯＸＹプローブ上のＯ２センサの位相シフトは、２点較正曲線を使用して、上部空間中のＯ２の分圧に変換された（空気、２０．９％Ｏ２、および高純度Ｎ２、０％Ｏ２）。印加電位がない場合に１時間にわたってＯ２の分圧を記録した後、ｉＲ補償を伴わずに、電気分解を１．３Ｖで開始した。
【０３２９】
Ｂｉ緩衝剤におけるファラデー効率の決定のために、５３．５Ｃが通過するまで、Ｏ２感知を伴う電気分解を継続した。電気分解の終了時に、Ｏ２信号は、次の３時間にわたって停滞状態に達した。この時間の間に、Ｏ２レベルは０％から６．９８％に上昇していた。実験の終わりに、溶液の体積（５９．５ｍＬ）および作用区画中の上部空間の容積（４８．０ｍＬ）を測定した。１３８．３μｍｏｌの理論的Ｏ２収量を得るように、電気分解中に通過した全電荷を４Ｆで割った。Ｏ２の測定された分圧を、ヘンリーの法則を使用して、溶液中の溶解Ｏ２について補正し、理想気体の法則を使用して、１４３．４μｍｏｌ（１０３．７％±５％）の測定Ｏ２収量に変換した。図３３Ｈは、（ｉ）蛍光センサによって検出されたＯ２、および（ｉｉ）１００％のファラデー効率を仮定した理論的Ｏ２トレースを示す。矢印は、電気分解の開始および終了を示す。
【０３３０】
本発明のいくつかの実施形態を本明細書で説明および図示したが、当業者であれば、機能を果たすため、および／または、結果および／または本明細書で説明される利点のうちの１つ以上を得るための、種々の他の手段および／または特徴を容易に構想し、そのような変化例および／または修正のそれぞれは、本発明の範囲内と見なされる。より一般的に、当業者であれば、本明細書で説明される全てのパラメータ、寸法、材料、および構成は、例示的となるように意図されており、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、本発明の教示が使用される具体的用途に依存することを容易に理解するであろう。
【０３３１】
当業者であれば、通常と同じ程度の実験を使用して、本明細書で説明される本発明の具体的実施形態の多くの同等物を認識し、または確認できるであろう。したがって、先述の実施形態は、一例のみとして提示され、添付の請求項およびその同等物の範囲内で、本発明は、具体的に説明および請求されるのとは別様に実践されてもよいことを理解されたい。本発明は、本明細書で説明される各個別特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、２つ以上のそのような特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、部品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合に、本発明の範囲内に含まれる。
【０３３２】
本明細書および請求項で使用されるような「１つの」という不定冠詞は、明確にそれとは反対に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。
【０３３３】
本明細書および請求項で使用されるような「および／または」という語句は、そのように結合された要素、すなわち、場合によっては接合して存在し、他の場合においては離接して存在する要素の「いずれか一方または両方」を意味すると理解されるべきである。明確にそれとは反対に示されない限り、具体的に識別された要素に関係しようと、無関係であろうと、「および／または」節によって具体的に識別された要素以外に、他の要素が選択的に存在してもよい。したがって、非限定的実施例として、「Ａおよび／またはＢ」の言及は、「を備える」等の制約のない用語と併せて使用されると、一実施形態では、ＢがないＡ（選択的にＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、ＡがないＢ（選択的にＡ以外の要素を含む）を指し、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（選択的に他の要素を含む）等を指すことができる。
【０３３４】
本明細書および請求項で使用されるような「または」は、上記で規定されるような「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、一覧中の項目を分離する時に、「または」あるいは「および／または」は、包含的として解釈されるものであり、すなわち、少なくとも１つを含むが、多数の要素または要素の一覧のうちの２つ以上、および選択的に、付加的な記載されていない項目をも含む。「〜のうちの１つのみ」または「〜のうちの正確に１つ」等の、明確にそれとは反対に示された用語のみ、または請求項で使用された時の「〜から成る」が、多数の要素または要素の一覧のうちの正確に１つの要素の包含を指す。一般に、本明細書で使用されるような「または」という用語は、「いずれか一方」、「〜のうちの１つ」、または「〜のうちの正確に１つ」等の、排他性の用語が続く時に排他的代替物を示すものとして解釈されるのみである（すなわち、「一方または他方であるが、両方ではない」）。「〜から本質的に成る」は、請求項で使用される時に、特許法の分野で使用されるような、その通常の意味を有するものである。
【０３３５】
本明細書および請求項で使用されるような「少なくとも１つ」という語句は、１つ以上の要素の一覧を参照して、要素の一覧中の要素のうちのいずれか１つ以上から選択される、少なくとも１つの要素を意味すると理解されるべきであるが、要素の一覧内に具体的に記載されたあらゆる要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含むとは限らず、要素の一覧中の要素の任意の組み合わせを除外しない。この規定はまた、具体的に識別された要素に関係しようと、無関係であろうと、「少なくとも１つ」という語句が指す、要素の一覧内で具体的に識別された要素以外の要素が選択的に存在してもよいことも許容する。したがって、非限定的実施例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または同様に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂが存在せず、選択的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＡ（かつ選択的にＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、Ａが存在せず、選択的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＢ（かつ選択的にＡ以外の要素を含む）を指し、さらに別の実施形態では、選択的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＡ、および選択的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＢ（かつ選択的に他の要素を含む）等を指すことができる。
【０３３６】
請求項において、ならびに上記の明細書において、「を備える」、「を含む」、「を持つ」、「を有する」、「を含有する」、「を伴う」、「を保持する」、および均等物等の全ての移行句は、制約がない、すなわち、「を含むが、それらに限定されない」を意味するとして理解されるものである。「〜から成る」および「〜から本質的に成る」という移行句のみが、Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｆ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，  Ｓｅｃｔｉｏｎ  ２１１１．０３で規定されているように、制約的または半制約的移行句となるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３−１】
2011525217.tif 000026
【図１３−２】
2011525217.tif 000027
【図１４Ａ】
2011525217.tif 000028
【図１４Ｂ】
2011525217.tif 000029
【図１５】
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【図１６】
2011525217.tif 000031
【図１７】
2011525217.tif 000032
【図１８】
2011525217.tif 000033
【図１９】
2011525217.tif 000034
【図２０】
2011525217.tif 000035
【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
2011525217.tif 000037
【図２１Ｃ】
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【図２２】
2011525217.tif 000039
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
2011525217.tif 000049
【図３１】
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【図３２】
2011525217.tif 000051
【図３３−１】
2011525217.tif 000052
【図３３−２】
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【図３３−３】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年2月23日(2011.2.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
場合によっては、電極を作製するための方法は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む溶液を提供するステップと、電流コレクタを提供するステップであって、電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、ステップと、金属イオン種および陰イオン種に、電流コレクタへの電圧の印加によって電流コレクタと結合した組成物を形成させるステップとを含み、組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる。他の場合においては、電極を作製するための方法は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む溶液を提供するステップと、電流コレクタを提供するステップであって、電流コレクタは０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、ステップと、金属イオン種および陰イオン種に、電流コレクタへの電圧の印加によって電流コレクタと結合した組成物を形成させるステップとを含み、組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる。さらに他の場合においては、電極を作製するための方法は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む溶液を提供するステップと、電流コレクタを提供するステップと、金属イオン種および陰イオン種に、電流コレクタへの電圧の印加によって電流コレクタと結合した組成物を形成させるステップとを含み、組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、電極は少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
電極であって、
コバルトイオンと、リンを含む陰イオン種とを含む触媒物質を含む、電極。
（項目２）
電極であって、
電流コレクタと、
該電流コレクタと結合した触媒物質であって、該触媒物質にインターフェースしている電流コレクタ表面の１ｃｍ２当たり少なくとも約０．０１ｍｇの量である、触媒物質と、
を含み、
該電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、電極。
（項目３）
触媒電極であって、
触媒物質によって触媒される反応の少なくとも何らかの時点の間に、該電極上に吸収または電析される触媒物質を含み、
該電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨの水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、触媒電極。
（項目４）
水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極であって、
電流コレクタであって、該電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、電流コレクタと、
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、
陰イオン種と
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、電極。
（項目５）
水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極であって、
電流コレクタであって、該電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、電流コレクタと、
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、
陰イオン種と
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、電極。
（項目６）
水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極であって、
電流コレクタと、
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、
陰イオン種と
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有し、
該電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、電極。
（項目７）
再生触媒物質を含む、電極。
（項目８）
前記触媒物質は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む、項目１〜７のいずれかに記載の電極。
（項目９）
前記触媒物質は、電流コレクタと結合した、項目１〜８のいずれかに記載の電極。
（項目１０）
前記触媒物質は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含み、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値より小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、項目１〜９のいずれかに記載の電極。
（項目１１）
前記電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、項目１〜１０のいずれかに記載の電極。
（項目１２）
前記電流コレクタは、約１０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１１のいずれかに記載の電極。
（項目１３）
前記電流コレクタは、約１５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２のいずれかに記載の電極。
（項目１４）
前記電流コレクタは、約２５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１３のいずれかに記載の電極。
（項目１５）
前記電流コレクタは、約５０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１４のいずれかに記載の電極。
（項目１６）
前記電流コレクタは、約７０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１５のいずれかに記載の電極。
（項目１７）
前記電流コレクタは、約８０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１６のいずれかに記載の電極。
（項目１８）
前記電流コレクタは、約９０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１７のいずれかに記載の電極。
（項目１９）
前記電流コレクタは、約９５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１８のいずれかに記載の電極。
（項目２０）
前記電流コレクタは、約９９重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１９のいずれかに記載の電極。
（項目２１）
前記金属イオン種は、コバルトイオンを含む、項目１〜２０のいずれかに記載の電極。
（項目２２）
前記金属イオン種は、少なくとも第１および第２の種類の金属イオン種を含む、項目１〜２１のいずれかに記載の電極。
（項目２３）
前記第１の種類の金属イオン種は、コバルトイオンを含む、項目２２に記載の電極。
（項目２４）
前記第２の種類の金属イオン種は、ニッケルイオンまたはマンガンイオンを含む、項目２３に記載の電極。
（項目２５）
前記陰イオン種は、本質的に水酸化物または酸化物イオンから成らない、項目１〜２４のいずれかに記載の電極。
（項目２６）
前記陰イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の陰イオン種を含む、項目１〜２５のいずれかに記載の電極。
（項目２７）
前記第１の種類の陰イオン種は、酸化物または水酸化物を含む、項目２６に記載の電極。
（項目２８）
前記第２の種類の陰イオン種は、リンを含む、項目２７に記載の電極。
（項目２９）
前記陰イオン種は、リンを含む、項目１〜２８のいずれかに記載の電極。
（項目３０）
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ３−３から成る群より選択される、項目１〜２９のいずれかに記載の電極。
（項目３１）
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２である、項目１〜３０のいずれかに記載の電極。
（項目３２）
前記陰イオン種は、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から成る群より選択される、項目１〜３１のいずれかに記載の電極。
（項目３３）
前記触媒物質はさらに、陽イオン種を含む、項目１〜３２のいずれかに記載の電極。
（項目３４）
前記陽イオン種は、Ｋ＋である、項目３３に記載の電極。
（項目３５）
前記金属イオン種対陰イオン種対陽イオン種の比は、約２：１：１である、項目３３に記載の電極。
（項目３６）
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０５倍だけ異なる、項目１〜３５のいずれかに記載の電極。
（項目３７）
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１０倍だけ異なる、項目１〜３６のいずれかに記載の電極。
（項目３８）
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１５倍だけ異なる、項目１〜３７のいずれかに記載の電極。
（項目３９）
前記触媒物質は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っていない、項目１〜３８のいずれかに記載の電極。
（項目４０）
前記過電圧は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、約０．３５Ｖ未満である、項目１〜３９のいずれかに記載の電極。
（項目４１）
前記過電圧は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、約０．３２５Ｖ未満である、項目１〜４０のいずれかに記載の電極。
（項目４２）
前記電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間の表面積を有する、項目１〜４１のいずれかに記載の電極。
（項目４３）
前記電流コレクタは、約１０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、項目１〜４２のいずれかに記載の電極。
（項目４４）
前記電流コレクタは、約５０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、項目１〜４３のいずれかに記載の電極。
（項目４５）
前記電流コレクタは、約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、項目１〜４４のいずれかに記載の電極。
（項目４６）
前記電流コレクタは、約１５０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、項目１〜４５のいずれかに記載の電極。
（項目４７）
前記電流コレクタは、約２００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、項目１〜４６のいずれかに記載の電極。
（項目４８）
電流コレクタは、金属、金属酸化物、または金属合金のうちの少なくとも１つを含む、項目１〜４７のいずれかに記載の電極。
（項目４９）
前記金属、前記金属酸化物、または前記金属合金は、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、またはパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、項目４８に記載の電極。
（項目５０）
前記電流コレクタは、セラミック、無機伝導性材料、または有機伝導性材料を含む、項目１〜４９のいずれかに記載の電極。
（項目５１）
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズ、酸化フッ素スズ、アンチモンでドープした酸化スズ、アルミニウムでドープした酸化亜鉛、ガラス状炭素、炭素メッシュ、リチウム含有化合物、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む、項目１〜５０のいずれかに記載の電極。
（項目５２）
前記電流コレクタは、実質的に多孔質である、項目１〜５１のいずれかに記載の電極。
（項目５３）
前記電流コレクタは、実質的に非多孔質である、項目１〜５２のいずれかに記載の電極。
（項目５４）
前記電流コレクタは、少なくとも第１および第２の材料を含む、項目１〜５３のいずれかに記載の電極。
（項目５５）
前記第１の材料は、実質的に伝導性であり、前記第２の材料は、実質的に非伝導性である、項目５４に記載の電極。
（項目５６）
前記第１の材料は、前記第２の材料を実質的に被覆する、項目５５に記載の電極。
（項目５７）
前記コバルトイオンの少なくとも一部分、およびリンを含む前記陰イオン種は、使用中に、前記電極と結合し、該電極から解離する、項目１〜５６のいずれかに記載の電極。
（項目５８）
前記コバルトイオンの少なくとも一部分は、周期的に酸化および還元される、項目１〜５７のいずれかに記載の電極。
（項目５９）
前記電極はまた、酸素ガスから水を触媒的に産生することも可能である、項目１〜５８のいずれかに記載の電極。
（項目６０）
前記電極は、ガス状の水から酸素を触媒的に産生することができる、項目１〜５９のいずれかに記載の電極。
（項目６１）
前記電極は、液体の水から酸素を触媒的に産生することができる、項目１〜６０のいずれかに記載の電極。
（項目６２）
項目１〜６１のいずれかに記載の電極を備える、電解デバイス。
（項目６３）
項目１〜６２のいずれかに記載の電極を備える、燃料電池。
（項目６４）
項目１〜６３のいずれかに記載の電極を備える、再生燃料電池。
（項目６５）
水の電気分解のためのシステムであって、
太陽電池と、
水の電気分解のためのシステムであって、該太陽電池に電気的に接続可能であり、該太陽電池によって駆動されることが可能であり、デバイスは項目１〜６４のいずれかに記載の電極を含む、システムと
を含む、システム。
（項目６６）
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電極であって、コバルトイオンとリンを含む陰イオン種とを含む触媒物質を含む、電極を含む、システム。
（項目６７）
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
水、コバルトイオン、およびリンを含む陰イオン種を含む、溶液と、
該溶液に浸漬された電流コレクタと
を備え、
該システムの使用中に、該コバルトイオンの少なくとも一部分、およびリンを含む陰イオン種は、該電流コレクタと結合し、該電流コレクタから解離する、システム。
（項目６８）
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは本質的に白金から成っていない、第１の電極と、
第２の電極であって、該第２の電極は該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
水を含む溶液と
を備え、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該溶液と動的平衡にある、システム。
（項目６９）
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、第１の電極と、
第２の電極であって、該第２の電極は、該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
水を含む溶液と
を備え、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該溶液と動的平衡にある、システム。
（項目７０）
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極と、
第２の電極であって、該第２の電極は、該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
水を含む溶液と
を備え、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該溶液と動的平衡にあり、該第１の電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、システム。
（項目７１）
水の電気分解のためのシステムであって、
太陽電池と、
水の電気分解のためのデバイスであって、該デバイスは、該太陽電池に電気的に接続可能であり、該太陽電池によって駆動されることが可能である、デバイスと
を含み、
該デバイスは、ほぼ周囲条件において水を酸素ガスに触媒的に変換することが可能な電極を含み、該電極は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成らない触媒物質を含む、システム。
（項目７２）
水の電気分解のためのシステムであって、
容器と、
該容器の中の電解質と、
該容器の中に載置され、該電解質と接触している第１の電極であって、該第１の電極は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と陰イオン種とを含み、該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、該組成物は、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、第１の電極と、
該容器の中に載置され、該電解質と接触している第２の電極であって、該第２の電極は、該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
該第１の電極および該第２の電極を接続するための手段と
を含み、
それにより、電圧が該第１の電極と該第２の電極との間に印加されると、ガス状の水素が該第２の電極において発生させられ、ガス状の酸素が該第１の電極において産生される、システム。
（項目７３）
前記電解質のｐＨは、中性またはそれ以下である、項目１〜７２のいずれかに記載のシステム。
（項目７４）
ガス状の水素は、前記第２の電極において発生する、項目１〜７３のいずれかに記載のシステム。
（項目７５）
発生させられた前記ガス状の水素は、熱源を提供するために、デバイスに電力供給するために、または化学物質の産生において使用される、項目１〜７４のいずれかに記載のシステム。
（項目７６）
前記電極はさらに、電流コレクタを含む、項目１〜７５のいずれかに記載のシステム。
（項目７７）
前記金属イオン種および前記陰イオン種は、前記電流コレクタと結合した触媒物質を形成する、項目１〜７６のいずれかに記載のシステム。
（項目７８）
前記金属イオン種は、コバルトイオンを含む、項目１〜７７のいずれかに記載のシステム。
（項目７９）
前記金属イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の金属イオン種を含む、項目１〜７８のいずれかに記載のシステム。
（項目８０）
前記第１の種類の金属イオン種は、コバルトを含む、項目７９に記載のシステム。
（項目８１）
前記第１の種類の金属イオン種は、ニッケルまたはマンガンを含む、項目７９に記載のシステム。
（項目８２）
前記陰イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の陰イオン種を含む、項目１〜８１のいずれかに記載のシステム。
（項目８３）
前記第１の種類の陰イオン種は、酸化物または水酸化物を含む、項目８１に記載のシステム。
（項目８４）
前記第２の種類の陰イオン種は、リンを含む、項目８２に記載のシステム。
（項目８５）
前記陰イオン種は、リンを含む、項目１〜８４のいずれかに記載のシステム。
（項目８６）
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ３−３から成る群より選択される、項目１〜８５のいずれかに記載のシステム。
（項目８７）
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２である、項目１〜８６のいずれかに記載のシステム。
（項目８８）
リンを含む前記陰イオン種は、ＰＯ３Ｍｅ−２である、項目１〜８７のいずれかに記載のシステム。
（項目８９）
リンを含む前記陰イオン種は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じかまたは異なることができ、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り、全てが選択的に置換されるか、または選択的に欠けている、項目１〜８８のいずれかに記載のシステム。
（項目９０）
前記陰イオン種は、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から成る群より選択される、項目１〜８９のいずれかに記載のシステム。
（項目９１）
前記陰イオン種は、本質的に水酸化物または酸化物イオンから成っていない、項目１〜９０のいずれかに記載のシステム。
（項目９２）
前記電極はさらに、陽イオン種を含む、項目１〜９１のいずれかに記載のシステム。
（項目９３）
前記陽イオン種は、Ｋ＋である、項目９２に記載のシステム。
（項目９４）
前記金属イオン種対陰イオン種対陽イオン種の比は、約２：１：１である、項目９２に記載のシステム。
（項目９５）
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と陰イオン種とを含む触媒物質または組成物は、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、項目１〜９４のいずれかに記載のシステム。
（項目９６）
前記動的平衡は、周期的に酸化および還元されている前記金属イオン種の少なくとも一部分を含む、項目１〜９５のいずれかに記載のシステム。
（項目９７）
周期的に酸化および還元されている前記金属イオン種の少なくとも一部分は、それぞれ、前記電極と結合し、および該電極から解離している、項目９６に記載のシステム。
（項目９８）
前記第１の電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、項目１〜９７のいずれかに記載のシステム。
（項目９９）
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０５倍だけ異なる、項目１〜９８のいずれかに記載のシステム。
（項目１００）
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１０倍だけ異なる、項目１〜９９のいずれかに記載のシステム。
（項目１０１）
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１５倍だけ異なる、項目１〜１００のいずれかに記載のシステム。
（項目１０２）
前記電解質は、固体を含む、項目１〜１０１のいずれかに記載のシステム。
（項目１０３）
前記電解質は、固体ポリマー電解質である、項目１〜１０２のいずれかに記載のシステム。
（項目１０４）
前記電解質の前記ｐＨは、約９．５乃至約５．５の間である、項目１〜１０３のいずれかに記載のシステム。
（項目１０５）
前記電解質の前記ｐＨは、約８乃至約６の間である、項目１〜１０４のいずれかに記載のシステム。
（項目１０６）
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約４の間である、項目１〜１０５のいずれかに記載のシステム。
（項目１０７）
前記電解質の前記ｐＨは、約８未満である、項目１〜１０６のいずれかに記載のシステム。
（項目１０８）
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約１の間である、項目１〜１０７のいずれかに記載のシステム。
（項目１０９）
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約２の間である、項目１〜１０８のいずれかに記載のシステム。
（項目１１０）
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約３の間である、項目１〜１０９のいずれかに記載のシステム。
（項目１１１）
前記電解質は、非透過性電解質である、項目１〜１１０のいずれかに記載のシステム。
（項目１１２）
電流コレクタは、金属、金属酸化物、または金属合金のうちの少なくとも１つを含む、項目１〜１１１のいずれかに記載のシステム。
（項目１１３）
前記金属、前記金属酸化物、または前記金属合金は、金、銅、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、インジウム、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、またはパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、項目１１２に記載のシステム。
（項目１１４）
前記電流コレクタは、セラミック、無機伝導性材料、または有機伝導性材料を含む、項目１〜１１３のいずれかに記載のシステム。
（項目１１５）
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズ、酸化フッ素スズ、アンチモンでドープした酸化スズ、アルミニウムでドープした酸化亜鉛、ガラス状炭素、炭素メッシュ、リチウム含有化合物、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む、項目１〜１１４のいずれかに記載のシステム。
（項目１１６）
前記電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間の表面積を有する、項目１〜１１５のいずれかに記載のシステム。
（項目１１７）
前記電流コレクタは、約１０ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、項目１〜１１６のいずれかに記載のシステム。
（項目１１８）
前記電流コレクタは、約１００ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、項目１〜１１７のいずれかに記載のシステム。
（項目１１９）
前記電流コレクタは、約１５０ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、項目１〜１１８のいずれかに記載のシステム。
（項目１２０）
前記電流コレクタは、約２００ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、項目１〜１１９のいずれかに記載のシステム。
（項目１２１）
前記電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、項目１〜１２０のいずれかに記載のシステム。
（項目１２２）
前記電流コレクタは、約５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２１のいずれかに記載のシステム。
（項目１２３）
前記電流コレクタは、約１０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２２のいずれかに記載のシステム。
（項目１２４）
前記電流コレクタは、約１５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２３のいずれかに記載のシステム。
（項目１２５）
前記電流コレクタは、約２５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２４のいずれかに記載のシステム。
（項目１２６）
前記電流コレクタは、約５０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２５のいずれかに記載のシステム。
（項目１２７）
前記電流コレクタは、約７０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２６のいずれかに記載のシステム。
（項目１２８）
前記電流コレクタは、約８０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２７のいずれかに記載のシステム。
（項目１２９）
前記電流コレクタは、約９０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２８のいずれかに記載のシステム。
（項目１３０）
前記電流コレクタは、約９５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１２９のいずれかに記載のシステム。
（項目１３１）
前記電流コレクタは、約９９重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜１３０のいずれかに記載のシステム。
（項目１３２）
前記電気分解のための水は、気体状態で提供される、項目１〜１３１のいずれかに記載のシステム。
（項目１３３）
前記電気分解のための水は、液体状態で提供される、項目１〜１３２のいずれかに記載のシステム。
（項目１３４）
前記電解質または溶液は、水を含む、項目１〜１３３のいずれかに記載のシステム。
（項目１３５）
前記電気分解のための水は、少なくとも１つの不純物を含有する、項目１〜１３４のいずれかに記載のシステム。
（項目１３６）
前記少なくとも１つの不純物は、金属を含む、項目１３５に記載のシステム。
（項目１３７）
前記金属は、金属元素、金属イオン、金属原子を含む化合物、または金属イオンを含む陰イオン種である、項目１３６に記載のシステム。
（項目１３８）
前記金属は、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、イオン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、カルシウム、水銀、鉛、またはバリウムである、項目１３６に記載のシステム。
（項目１３９）
前記少なくとも１つの不純物は、有機物質、有機小分子、細菌、医薬品、除草剤、殺虫剤、タンパク質、または無機化合物である、項目１３５に記載のシステム。
（項目１４０）
前記無機化合物は、ホウ素、シリコン、硫黄、窒素、シアン化物、リン、またはヒ素を含む、項目１３９に記載のシステム。
（項目１４１）
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、ほぼ同じ活動レベルで動作することが可能である、項目１３５に記載のシステム。
（項目１４２）
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、項目１３５に記載のシステム。
（項目１４３）
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、項目１３５に記載のシステム。
（項目１４４）
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、項目１３５に記載のシステム。
（項目１４５）
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、項目１３５に記載のシステム。
（項目１４６）
前記少なくとも１つの不純物は、約１０００ｐｐｍ未満の量で存在する、項目１３５に記載のシステム。
（項目１４７）
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｍ未満の量で存在する、項目１３５に記載のシステム。
（項目１４８）
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｍ未満の量で存在する、項目１３５に記載のシステム。
（項目１４９）
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｍ未満の量で存在する、項目１３５に記載のシステム。
（項目１５０）
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｂ未満の量で存在する、項目１３５に記載のシステム。
（項目１５１）
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｂ未満の量で存在する、項目１３５に記載のシステム。
（項目１５２）
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｂ未満の量で存在する、項目１３５に記載のシステム。
（項目１５３）
前記少なくとも１つの不純物は、ガスである、項目１３５に記載のシステム。
（項目１５４）
前記ガスは、前記水の中に溶解させられる、項目１５４に記載のシステム。
（項目１５５）
前記ガスは、一酸化炭素である、項目１５４に記載のシステム。
（項目１５６）
前記ガスは、二酸化炭素である、項目１５４に記載のシステム。
（項目１５７）
前記不純物は、ハロゲン化物である、項目１３５に記載のシステム。
（項目１５８）
前記ハロゲン化物は、塩化物である、項目１５７に記載のシステム。
（項目１５９）
前記システムは、ほぼ周囲温度において操作される、項目１〜１５８のいずれかに記載のシステム。
（項目１６０）
前記システムは、約３０℃を上回る温度において操作される、項目１〜１５９のいずれかに記載のシステム。
（項目１６１）
前記システムは、約６０℃を上回る温度において操作される、項目１〜１６０のいずれかに記載のシステム。
（項目１６２）
前記システムは、約９０℃を上回る温度において操作される、項目１〜１６１のいずれかに記載のシステム。
（項目１６３）
前記電圧は、電源によって印加される、項目１〜１６２のいずれかに記載のシステム。
（項目１６４）
前記電源は、太陽電池である、項目１６３に記載のシステム。
（項目１６５）
前記デバイスは、太陽電池１ｃｍ２当たり少なくとも約１０ｍｍｏｌの酸素を産生することができる、項目１〜１６４のいずれかに記載のシステム。
（項目１６６）
前記触媒的活性種は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む、項目１〜１６５のいずれかに記載のシステム。
（項目１６７）
前記システムは、電気化学電池である、項目１〜１６６のいずれかに記載のシステム。
（項目１６８）
前記デバイスは、酸素ガスを水に触媒的に変換することが可能である、項目１〜１６７のいずれかに記載のシステム。
（項目１６９）
電極用の組成物であって、
コバルトイオンと、
リンを含む陰イオン種と
を含み、
コバルトイオン対リンを含む陰イオンの比は、約１０：１乃至約１：１０の間であり、
該組成物は、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、組成物。
（項目１７０）
水からの酸素ガスの形成を触媒することが可能な組成物であって、該組成物は、プロセスによって取得可能であり、該プロセスは、
コバルトイオンおよびリンを含む陰イオン種の供給源に電流コレクタの少なくとも１つの表面を暴露することと、
ある期間にわたって該電流コレクタに電圧を印加することであって、それにより、該電流コレクタの該表面に近接して、コバルトイオンの少なくとも一部分とリンを含む陰イオン種とを含む組成物を蓄積する、ことと
を含む、組成物。
（項目１７１）
水からの酸素ガスの形成を触媒することが可能な組成物であって、該組成物は、プロセスによって作製され、該プロセスは、
コバルトイオンおよびリンを含む陰イオン種の供給源に電流コレクタの少なくとも１つの表面を暴露することと、
ある期間にわたって該電流コレクタに電圧を印加することであって、それにより、該電流コレクタの該表面に近接して、該コバルトイオンの少なくとも一部分とリンを含む該陰イオン種とを含む組成物を蓄積する、ことと
を含む、組成物。
（項目１７２）
コバルトイオン対リンを含む陰イオンの比は、約５：１乃至約１：５の間である、項目１〜１７１のいずれかに記載の組成物。
（項目１７３）
コバルトイオン対リンを含む陰イオンの比は、約２：１である、項目１〜１７２のいずれかに記載の組成物。
（項目１７４）
前記組成物は、電流コレクタと結合した、項目１〜１７３のいずれかに記載の組成物。
（項目１７５）
前記組成物はさらに、陽イオン種を含む、請求項１〜１７４のいずれかに記載の組成物。
（項目１７６）
前記陽イオン種は、Ｋ＋である、項目１７５に記載の組成物。
（項目１７７）
コバルトイオン：リンを含む陰イオン種：陽イオン種の比は、約２：１：１である、項目１７６に記載の組成物。
（請求項１７８）
前記組成物はさらに、少なくとも第２の種類の陰イオン種を含む、請求項１〜１７７のいずれかに記載の組成物。
（項目１７９）
前記第２の種類の陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物イオンである、項目１７８に記載の組成物。
（項目１８０）
前記組成物はさらに、少なくとも１つの金属イオン種を含む、請求項１〜１７９のいずれかに記載の組成物。
（項目１８１）
前記少なくとも１つの金属イオン種は、マンガンまたはニッケルイオンを含む、項目１８０に記載の組成物。
（項目１８２）
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ３−３から成る群より選択される、項目１〜１８１のいずれかに記載の組成物。
（項目１８３）
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−４である、項目１〜１８２のいずれかに記載の組成物。
（項目１８４）
リンを含む前記陰イオン種は、ＰＯ３Ｍｅ−２である、項目１〜１８３のいずれかに記載の組成物。
（項目１８５）
リンを含む前記陰イオン種は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じかまたは異なることができ、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り、全てが選択的に置換されるか、または選択的に欠けている、項目１〜１８４のいずれかに記載の組成物。
（項目１８６）
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズを含む、項目１〜１８５のいずれかに記載の組成物。
（項目１８７）
前記電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、項目１〜１８６のいずれかに記載の組成物。
（項目１８８）
前記組成物は、層を形成することによって、前記電流コレクタと結合する、項目１〜１８７のいずれかに記載の組成物。
（項目１８９）
前記層は、約１０μｍ未満の厚さを有する、項目１８８に記載の組成物。
（項目１９０）
前記層は、前記電流コレクタ上に形成される複数の粒子の合体によって形成される、項目１８８に記載の組成物。
（項目１９１）
前記コバルトイオンと、リンを含む前記陰イオン種とを含む、錯体は、約１０−３乃至約１０−２０の間のＫｓｐ定数を有する、項目１〜１９０のいずれかに記載の組成物。
（項目１９２）
前記コバルトイオンと、リンを含む前記陰イオン種とを含む、錯体は、約１０−１０を下回るＫｓｐ定数を有する、項目１〜１９１のいずれかに記載の組成物。
（項目１９３）
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜１９２のいずれかに記載の組成物。
（項目１９４）
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３５ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜１９３のいずれかに記載の組成物。
（項目１９５）
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３２５ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜１９４のいずれかに記載の組成物。
（項目１９６）
前記電極は、約１００％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜１９５のいずれかに記載の組成物。
（項目１９７）
前記電極は、少なくとも約９９％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜１９６のいずれかに記載の組成物。
（項目１９８）
前記電極は、少なくとも約９５％のファラデー効によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜１９７のいずれかに記載の組成物。
（項目１９９）
前記電極は、少なくとも約９０％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜１９８のいずれかに記載の組成物。
（項目２００）
前記電極はまた、酸素ガスから水を触媒的に形成することも可能である、項目１〜１９９のいずれかに記載の組成物。
（項目２０１）
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、約３．０乃至約１１．０のｐＨにおける水から酸素ガスを産生することを含む、方法。
（項目２０２）
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを産生することを含み、該水はＮａＣｌを含む、方法。
（項目２０３）
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを産生することを含み、該水は、不純水源から取得され、前記電気分解で使用する前であって、該水源から引き出された後に、その抵抗率を２５％より大きい倍率だけ変化させる態様では浄化されない、方法。
（項目２０４）
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを産生することを含み、該水は、該水の中に少なくとも１００万分の１の量で存在する触媒反応に実質的に関与しない少なくとも１つの不純物を含む、方法。
（項目２０５）
１６ＭΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する水源からの水を使用して、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを産生することを含み、該水は、電気分解において使用する前であって、水源から引き出された後に、その抵抗率を２５％より大きい倍数だけ変化させる態様では浄化されない、方法。
（項目２０６）
水から酸素ガスを触媒的に産生する方法であって、
電気化学システムを提供することであって、該電気化学システムは、
電解質と、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは本質的に白金から成っていない、第１の電極と、
該第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極と
を含む、ことと、
該電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させることと
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う触媒反応に関与する、方法。
（項目２０７）
水から酸素ガスを触媒的に産生する方法であって、
電気化学システムを提供することであって、該電気化学システムは、
電解質と、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極と、
該第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極と
を含む、ことと、
該電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させることと
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う触媒反応に関与する、方法。
（項目２０８）
水から酸素ガスを触媒的に産生する方法であって、
電気化学システムを提供することであって、該電気化学システムは、
電解質と、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、第１の電極と、
該第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極と
を含む、ことと、
該電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させることと
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う触媒反応に関与する、方法。
（項目２０９）
水から酸素ガスを触媒的に産生する方法であって、
電気化学システムを提供することであって、該電気化学システムは、
電解質と、
電流コレクタ、金属イオン種、および陰イオン種を含む第１の電極と、
該第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極と
を含む、ことと、
該電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させることと
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う触媒反応に関与し、それにより、該電流コレクタと結合し、該電流コレクタから解離し、該システムは、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、該水から酸素ガスを産生することを触媒することが可能である、方法。
（項目２１０）
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該金属イオン種および陰イオン種は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、方法。
（項目２１１）
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該金属イオン種および陰イオン種は、約５．５乃至約９．５のｐＨにおいて水の電気分解を触媒することができる、方法。
（項目２１２）
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することであって、該電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、ことと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、該電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる、方法。
（項目２１３）
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することであって、該電流コレクタは０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、ことと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、
該電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる、方法。
（項目２１４）
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該組成物は、本質的に金属酸化物または金属水酸化物から成っておらず、
該電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる、方法。
（項目２１５）
約５．５乃至約８．５のｐＨの水において、水から酸素ガスを産生することを含む、項目１〜２１４のいずれかに記載の方法。
（項目２１６）
約７．０以下のｐＨの水において、水から酸素ガスを産生することを含む、項目１〜２１５のいずれかに記載の方法。
（項目２１７）
前記金属イオン種および陰イオン種は、前記電流コレクタと結合した組成物を形成する、請求項１〜２１６のいずれかに記載の方法。
（項目２１８）
酸素ガスの触媒産生を本質的に引き起こさせないレベルの電圧の印加によって、前記電流コレクタと結合した前記組成物を形成することを含む、項目１〜２１７のいずれかに記載の方法。
（項目２１９）
周期的に酸化および還元される金属イオン種の少なくとも一部分は、それぞれ、前記電極と結合され、該電極から解離される、項目１〜２１８のいずれかに記載の方法。
（項目２２０）
前記第２の電極において、水から水素ガスを産生することをさらに含む、項目１〜２１９のいずれかに記載の方法。
（項目２２１）
前記酸素ガスは、前記第１の電極において産生される、項目１〜２２０のいずれかに記載の方法。
（項目２２２）
熱を産生するために前記水素ガスまたは酸素ガスを使用することをさらに含む、項目１〜２２１のいずれかに記載の方法。
（項目２２３）
デバイスに電力供給するために前記水素ガスを使用することをさらに含む、項目２２０に記載の方法。
（項目２２４）
化学物質の産生のために前記水素ガスを使用することをさらに含む、項目２２０に記載の方法。
（項目２２５）
前記金属イオン種は、コバルトイオンを含む、項目１〜２２４のいずれかに記載の方法。
（項目２２６）
前記金属イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の金属イオン種を含む、項目１〜２２５のいずれかに記載の方法。
（項目２２７）
前記第１の種類の金属イオン種は、コバルトイオンを含む、項目１〜２２６のいずれかに記載の方法。
（項目２２８）
前記陰イオン種は、リンを含む、項目１〜２２７のいずれかに記載の方法。
（項目２２９）
リンを含む前記陰イオン種は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じかまたは異なることができ、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り、全てが選択的に置換されるか、または選択的に欠けている、項目１〜２２８のいずれかに記載の方法。
（項目２３０）
リンを含む前記陰イオン種は、ＰＯ３Ｍｅ−２である、項目１〜２２９のいずれかに記載の方法。
（項目２３１）
前記陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物ではない、項目１〜２３０のいずれかに記載の方法。
（項目２３２）
前記陰イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の陰イオン種を含む、項目１〜２３１のいずれかに記載の方法。
（項目２３３）
前記第１の種類の陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物を含む、項目２３２に記載の方法。
（項目２３４）
前記第２の種類の陰イオン種は、リンを含む、項目２３２に記載の方法。
（項目２３５）
前記組成物は、実質的に非晶質である、項目１〜２３４のいずれかに記載の方法。
（項目２３６）
前記動的平衡は、前記金属イオン種の前記酸化状態の変化を含む、項目１〜２３５のいずれかに記載の方法。
（項目２３７）
前記金属イオン種の前記酸化状態の変化は、（ｎ）から（ｎ＋ｘ）までであり、ｘは、任意の整数である、項目２３６に記載の方法。
（項目２３８）
前記組成物は、実質的に金属酸化物および／または金属水酸化物から成っていない、項目１〜２３７のいずれかに記載の方法。
（項目２３９）
前記電解質は、陰イオン種を含む、項目１〜２３８のいずれかに記載の方法。
（項目２４０）
前記電圧は、約８時間にわたって前記電流コレクタに印加される、項目１〜２３９のいずれかに記載の方法。
（項目２４１）
前記電圧は、約１分乃至約２４時間の間にわたって前記電流コレクタに印加される、項目１〜２４０のいずれかに記載の方法。
（項目２４２）
前記組成物は、前記電流コレクタと結合した材料の層を形成する、項目１〜２４１のいずれかに記載の方法。
（項目２４３）
前記層は、複数の突出粒子を含む、項目２４２に記載の方法。
（項目２４４）
前記層の厚さは、前記電圧が前記電流コレクタに印加される時間の長さに依存する、項目２４２に記載の方法。
（項目２４５）
前記層は、前記電流コレクタと結合した複数の粒子の合体から形成する、項目２４２に記載の方法。
（項目２４６）
前記層は、実質的に一様な厚さを有する、項目２４２に記載の方法。
（項目２４７）
前記層は、一様な厚さを有しない、項目２４２に記載の方法。
（項目２４８）
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、酸素ガスを触媒的に産生することができる、項目１〜２４７のいずれかに記載の方法。
（項目２４９）
前記触媒作用は、ほぼ周囲温度において遂行される、項目１〜２４８のいずれかに記載の方法。
（項目２５０）
前記触媒作用は、約３０℃を上回る温度において遂行される、項目１〜２４９のいずれかに記載の方法。
（項目２５１）
前記水は、少なくとも１つの不純物を含有する、項目１〜２５０のいずれかに記載の方法。
（項目２５２）
前記少なくとも１つの不純物は、ハロゲン化物イオンを含む、項目２５１に記載の方法。
（項目２５３）
前記ハロゲン化物イオンは、塩化物イオンである、項目２５２に記載の方法。
（項目２５４）
前記少なくとも１つの不純物は、金属を含む、項目２５１に記載の方法。
（項目２５５）
前記金属は、金属元素、金属イオン、金属元素を含む化合物、または金属イオンを含む陰イオン種である、項目２５４に記載の方法。
（項目２５６）
前記金属は、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、カルシウム、水銀、鉛、またはバリウムである、項目２５４に記載の方法。
（項目２５７）
前記少なくとも１つの不純物は、有機物質、有機小分子、細菌、医薬品、除草剤、殺虫剤、タンパク質、または無機化合物である、項目２５１に記載の方法。
（項目２５８）
前記無機化合物は、ホウ素、シリコン、硫黄、窒素、シアン化物、リン、またはヒ素を含む、項目２５７に記載の方法。
（項目２５９）
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、ほぼ同じ活動レベルで動作することが可能である、項目２５１に記載の方法。
（項目２６０）
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、前記少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、項目２５１に記載の方法。
（項目２６１）
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、項目２５１に記載の方法。
（項目２６２）
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、項目２５１に記載の方法。
（項目２６３）
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、項目２５１に記載の方法。
（項目２６４）
前記少なくとも１つの不純物は、約１０００ｐｐｍ未満の量で存在する、項目２５１に記載の方法。
（項目２６５）
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｍ未満の量で存在する、項目２５１に記載の方法。
（項目２６６）
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｍ未満の量で存在する、項目２５１に記載の方法。
（項目２６７）
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｍ未満の量で存在する、項目２５１に記載の方法。
（項目２６８）
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｂ未満の量で存在する、項目２５１に記載の方法。
（項目２６９）
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｂ未満の量で存在する、項目２５１に記載の方法。
（項目２７０）
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｂ未満の量で存在する、項目２５１に記載の方法。
（項目２７１）
前記少なくとも１つの不純物は、ガスである、項目２５１に記載の方法。
（項目２７２）
前記ガスは、水中で溶解させられる、項目２７１に記載の方法。
（項目２７３）
前記ガスは、一酸化炭素である、項目２７１に記載の方法。
（項目２７４）
前記ガスは、二酸化炭素である、項目２７１に記載の方法。
（項目２７５）
電流コレクタは、金属、金属酸化物、または金属合金のうちの少なくとも１つを含む、項目１〜２７４のいずれかに記載の方法。
（項目２７６）
前記金属、前記金属酸化物、または前記金属合金は、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、またはパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、項目２７５に記載の方法。
（項目２７７）
前記電流コレクタは、セラミック、無機伝導性材料、または有機伝導性材料を含む、項目１〜２７６のいずれかに記載の方法。
（項目２７８）
前記電流コレクタは、約５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２７７のいずれかに記載の方法。
（項目２７９）
前記電流コレクタは、約１０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２７８のいずれかに記載の方法。
（項目２８０）
前記電流コレクタは、約１５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２７９のいずれかに記載の方法。
（項目２８１）
前記電流コレクタは、約２５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２８０のいずれかに記載の方法。
（項目２８２）
前記電流コレクタは、約５０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２８１のいずれかに記載の方法。
（項目２８３）
前記電流コレクタは、約７０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２８２のいずれかに記載の方法。
（項目２８４）
前記電流コレクタは、約８０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２８３のいずれかに記載の方法。
（項目２８５）
前記電流コレクタは、約９０重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２８４のいずれかに記載の方法。
（項目２８６）
前記電流コレクタは、約９５重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２８５のいずれかに記載の方法。
（項目２８７）
前記電流コレクタは、約９９重量パーセント未満の白金を含む、項目１〜２８６のいずれかに記載の方法。
（項目２８８）
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズ、酸化フッ素スズ、アンチモンでドープした酸化スズ、アルミニウムでドープした酸化亜鉛、ガラス状炭素、炭素メッシュ、リチウム含有化合物、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む、項目１〜２８７のいずれかに記載の方法。
（項目２８９）
前記電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間の表面積を有する、項目１〜２８８のいずれかに記載の方法。
（項目２９０）
前記電流コレクタは、約１０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、項目１〜２８９のいずれかに記載の方法。
（項目２９１）
電流コレクタは、約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、項目１〜２９０のいずれかに記載の方法。
（項目２９２）
前記電流コレクタは、約１５０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、項目１〜２９１のいずれかに記載の方法。
（項目２９３）
前記電流コレクタは、約２００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、項目１〜２９２のいずれかに記載の方法。
（項目２９４）
前記酸素は、ガス状の水から触媒的に産生される、項目１〜２９３のいずれかに記載の方法。
（項目２９５）
前記酸素は、液体の水から触媒的に産生される、項目１〜２９４のいずれかに記載の方法。
（項目２９６）
前記層は、約１００μｍ未満の厚さを有する、項目２４５に記載の方法。
（項目２９７）
前記層は、約１０μｍ未満の厚さを有する、項目２４５に記載の方法。
（項目２９８）
前記層は、約１μｍ未満の厚さを有する、項目２４５に記載の方法。
（項目２９９）
前記層は、約１００ｎｍ未満の厚さを有する、項目２４５に記載の方法。
（項目３００）
前記層は、約１０ｎｍ未満の厚さを有する、項目２４５に記載の方法。
（項目３０１）
前記層は、約１ｎｍ未満の厚さを有する、項目２４５に記載の方法。
（項目３０２）
前記酸素ガスは、１時間当たり、電極１ｃｍ２当たり１０ｍｍｏｌの酸素の割合で産生される、項目１〜３０１のいずれかに記載の方法。
（項目３０３）
前記電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、項目１〜３０２のいずれかに記載の方法。
（項目３０４）
前記電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３５ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、項目１〜３０３のいずれかに記載の方法。
（項目３０５）
前記電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３２５ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項１〜３０４のいずれかに記載の方法。
（項目３０６）
前記電極は、約１００％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜３０５のいずれかに記載の方法。
（項目３０７）
前記電極は、少なくとも約９９％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜３０６のいずれかに記載の方法。
（項目３０８）
前記電極は、少なくとも約９５％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜３０７のいずれかに記載の方法。
（項目３０９）
前記電極は、少なくとも約９０％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、項目１〜３０８のいずれかに記載の方法。
（項目３１０）
前記過電圧は、標準条件下において決定される、項目１〜３０９のいずれかに記載の方法。
（項目３１１）
前記標準条件は、中性ｐＨを伴う電解質、周囲温度、周囲圧力、非多孔質で平面的である電流コレクタ、および約１ｍＡ／ｍ２の幾何学的電流密度を含む、項目３１０に記載の方法。
（項目３１２）
前記水素ガスおよび前記酸素ガスから水素を形成することをさらに含む、項目１〜３１１のいずれかに記載の方法。
（項目３１３）
前記電極はまた、酸素ガスから水を触媒的に形成することも可能である、項目１〜３１２のいずれかに記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極であって、
コバルトイオンと、リンを含む陰イオン種とを含む触媒物質を含む、電極。
【請求項２】
水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極であって、
電流コレクタと、
該電流コレクタと結合した触媒物質であって、該触媒物質にインターフェースしている電流コレクタ表面の１ｃｍ２当たり少なくとも約０．０１ｍｇの量である、触媒物質と、
を含み、
該電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能であり、該触媒物質は、本質的に金属酸化物および／または金属水酸化物から成っていない、電極。
【請求項３】
触媒電極であって、
触媒物質によって触媒される反応の少なくとも何らかの時点の間に、該電極上に吸収または電析される触媒物質を含み、
該電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨの水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能であり、該触媒物質は、本質的に金属酸化物および／または金属水酸化物から成っていない、触媒電極。
【請求項４】
水から酸素ガスを触媒的に産生するための電極であって、
電流コレクタであって、該電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、電流コレクタと、
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、
陰イオン種であって、該陰イオン種は、本質的に酸化物および／または水酸化物から成っていない、陰イオン種と
を含み、
該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、電極。
【請求項５】
再生触媒電極を含む触媒電極であって、該触媒電極は、触媒プロセスにおいて使用されるときに、再生される、触媒電極。
【請求項６】
前記触媒物質は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の電極。
【請求項７】
前記触媒物質は、電流コレクタと結合した、請求項１〜６のいずれかに記載の電極。
【請求項８】
前記触媒物質は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と、陰イオン種とを含み、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値より小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の電極。
【請求項９】
前記電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、請求項１〜８のいずれかに記載の電極。
【請求項１０】
前記電流コレクタは、約１０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜９のいずれかに記載の電極。
【請求項１１】
前記電流コレクタは、約１５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の電極。
【請求項１２】
前記電流コレクタは、約２５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の電極。
【請求項１３】
前記電流コレクタは、約５０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の電極。
【請求項１４】
前記電流コレクタは、約７０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１３のいずれかに記載の電極。
【請求項１５】
前記電流コレクタは、約８０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１４のいずれかに記載の電極。
【請求項１６】
前記電流コレクタは、約９０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１５のいずれかに記載の電極。
【請求項１７】
前記電流コレクタは、約９５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１６のいずれかに記載の電極。
【請求項１８】
前記電流コレクタは、約９９重量パーセント未満の白金を含む、請求項１〜１７のいずれかに記載の電極。
【請求項１９】
前記金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項１〜１８のいずれかに記載の電極。
【請求項２０】
前記金属イオン種は、少なくとも第１および第２の種類の金属イオン種を含む、請求項１〜１９のいずれかに記載の電極。
【請求項２１】
前記第１の種類の金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項２０に記載の電極。
【請求項２２】
前記第２の種類の金属イオン種は、ニッケルイオンまたはマンガンイオンを含む、請求項２１に記載の電極。
【請求項２３】
前記陰イオン種は、本質的に水酸化物および／または酸化物イオンから成らない、請求項１〜２２のいずれかに記載の電極。
【請求項２４】
前記陰イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の陰イオン種を含む、請求項１〜２３のいずれかに記載の電極。
【請求項２５】
前記第１の種類の陰イオン種は、酸化物または水酸化物を含む、請求項２４に記載の電極。
【請求項２６】
前記第２の種類の陰イオン種は、リンを含む、請求項２５に記載の電極。
【請求項２７】
前記陰イオン種は、リンを含む、請求項１〜２６のいずれかに記載の電極。
【請求項２８】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ３−３から成る群より選択される、請求項１〜２７のいずれかに記載の電極。
【請求項２９】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２である、請求項１〜２８のいずれかに記載の電極。
【請求項３０】
前記陰イオン種は、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から成る群より選択される、請求項１〜２９のいずれかに記載の電極。
【請求項３１】
前記触媒物質はさらに、陽イオン種を含む、請求項１〜３０のいずれかに記載の電極。
【請求項３２】
前記陽イオン種は、Ｋ＋である、請求項３１に記載の電極。
【請求項３３】
前記金属イオン種対陰イオン種対陽イオン種の比は、約２：１：１である、請求項３１に記載の電極。
【請求項３４】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０５倍だけ異なる、請求項１〜３３のいずれかに記載の電極。
【請求項３５】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１０倍だけ異なる、請求項１〜３４のいずれかに記載の電極。
【請求項３６】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１５倍だけ異なる、請求項１〜３５のいずれかに記載の電極。
【請求項３７】
前記触媒物質は、本質的に金属酸化物および／または金属水酸化物から成っていない、請求項１〜３６のいずれかに記載の電極。
【請求項３８】
前記過電圧は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、約０．３５Ｖ未満である、請求項１〜３７のいずれかに記載の電極。
【請求項３９】
前記過電圧は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、約０．３２５Ｖ未満である、請求項１〜３８のいずれかに記載の電極。
【請求項４０】
前記電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間の表面積を有する、請求項１〜３９のいずれかに記載の電極。
【請求項４１】
前記電流コレクタは、約１０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４０のいずれかに記載の電極。
【請求項４２】
前記電流コレクタは、約５０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４１のいずれかに記載の電極。
【請求項４３】
前記電流コレクタは、約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４２のいずれかに記載の電極。
【請求項４４】
前記電流コレクタは、約１５０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４３のいずれかに記載の電極。
【請求項４５】
前記電流コレクタは、約２００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１〜４４のいずれかに記載の電極。
【請求項４６】
電流コレクタは、金属、金属酸化物、または金属合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜４５のいずれかに記載の電極。
【請求項４７】
前記金属、前記金属酸化物、または前記金属合金は、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、またはパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項４６に記載の電極。
【請求項４８】
前記電流コレクタは、セラミック、無機伝導性材料、または有機伝導性材料を含む、請求項１〜４７のいずれかに記載の電極。
【請求項４９】
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズ、酸化フッ素スズ、アンチモンでドープした酸化スズ、アルミニウムでドープした酸化亜鉛、ガラス状炭素、炭素メッシュ、リチウム含有化合物、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜４８のいずれかに記載の電極。
【請求項５０】
前記電流コレクタは、実質的に多孔質である、請求項１〜４９のいずれかに記載の電極。
【請求項５１】
前記電流コレクタは、実質的に非多孔質である、請求項１〜５０のいずれかに記載の電極。
【請求項５２】
前記電流コレクタは、少なくとも第１および第２の材料を含む、請求項１〜５１のいずれかに記載の電極。
【請求項５３】
前記第１の材料は、実質的に伝導性であり、前記第２の材料は、実質的に非伝導性である、請求項５２に記載の電極。
【請求項５４】
前記第１の材料は、前記第２の材料を実質的に被覆する、請求項５３に記載の電極。
【請求項５５】
前記コバルトイオンの少なくとも一部分、およびリンを含む前記陰イオン種は、使用中に、前記電極と結合し、該電極から解離する、請求項１〜５４のいずれかに記載の電極。
【請求項５６】
前記コバルトイオンの少なくとも一部分は、周期的に酸化および還元される、請求項１〜５５のいずれかに記載の電極。
【請求項５７】
前記電極はまた、酸素ガスから水を触媒的に産生することも可能である、請求項１〜５６のいずれかに記載の電極。
【請求項５８】
前記電極は、ガス状の水から酸素を触媒的に産生することができる、請求項１〜５７のいずれかに記載の電極。
【請求項５９】
前記電極は、液体の水から酸素を触媒的に産生することができる、請求項１〜５８のいずれかに記載の電極。
【請求項６０】
請求項１〜５９のいずれかに記載の電極を備える、電解デバイス。
【請求項６１】
請求項１〜５９のいずれかに記載の電極を備える、燃料電池。
【請求項６２】
請求項１〜５９のいずれかに記載の電極を備える、再生燃料電池。
【請求項６３】
水の電気分解のためのシステムであって、
太陽電池と、
水の電気分解のためのシステムであって、該太陽電池に電気的に接続可能であり、該太陽電池によって駆動されることが可能であり、デバイスは請求項１〜５９のいずれかに記載の電極を含む、システムと
を含む、システム。
【請求項６４】
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
水、コバルトイオン、およびリンを含む陰イオン種を含む、溶液と、
該溶液に浸漬された電流コレクタと
を備え、
該システムの使用中に、該コバルトイオンの少なくとも一部分、およびリンを含む陰イオン種は、該電流コレクタと結合し、該電流コレクタから解離する、システム。
【請求項６５】
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電流コレクタ、金属イオン種、および酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは本質的に白金から成っていない、第１の電極と、
第２の電極であって、該第２の電極は該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
水を含む溶液と
を備え、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該溶液と動的平衡にある、システム。
【請求項６６】
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電流コレクタ、金属イオン種、ならびに酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない陰イオン種を含む第１の電極であって、該電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、第１の電極と、
第２の電極であって、該第２の電極は、該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
水を含む溶液と
を備え、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該溶液と動的平衡にある、システム。
【請求項６７】
水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステムであって、
電流コレクタ、金属イオン種、ならびに酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない陰イオン種を含む第１の電極と、
第２の電極であって、該第２の電極は、該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
水を含む溶液と
を備え、
該金属イオン種および該陰イオン種は、該溶液と動的平衡にあり、該第１の電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、システム。
【請求項６８】
水の電気分解のためのシステムであって、
太陽電池と、
水の電気分解のためのデバイスであって、該デバイスは、該太陽電池に電気的に接続可能であり、該太陽電池によって駆動されることが可能である、デバイスと
を含み、
該デバイスは、ほぼ周囲条件において水を酸素ガスに触媒的に変換することが可能な電極を含み、該電極は、本質的に金属酸化物および／または金属水酸化物から成らない触媒物質を含む、システム。
【請求項６９】
水の電気分解のためのシステムであって、
容器と、
該容器の中の電解質と、
該容器の中に載置され、該電解質と接触している第１の電極であって、該第１の電極は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない陰イオン種とを含み、該金属イオン種および該陰イオン種は、実質的に非晶質の組成物を規定し、該組成物は、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、第１の電極と、
該容器の中に載置され、該電解質と接触している第２の電極であって、該第２の電極は、該第１の電極に対して負にバイアスされる、第２の電極と、
該第１の電極および該第２の電極を接続するための手段と
を含み、
それにより、電圧が該第１の電極と該第２の電極との間に印加されると、ガス状の水素が該第２の電極において発生させられ、ガス状の酸素が該第１の電極において産生される、システム。
【請求項７０】
前記電解質のｐＨは、中性またはそれ以下である、請求項６３〜６９のいずれかに記載のシステム。
【請求項７１】
ガス状の水素は、前記第２の電極において発生する、請求項６３〜７０のいずれかに記載のシステム。
【請求項７２】
発生させられた前記ガス状の水素は、熱源を提供するために、デバイスに電力供給するために、または化学物質の産生において使用される、請求項６３〜７１のいずれかに記載のシステム。
【請求項７３】
前記電極はさらに、電流コレクタを含む、請求項６３〜７２のいずれかに記載のシステム。
【請求項７４】
前記金属イオン種および前記陰イオン種は、前記電流コレクタと結合した触媒物質を形成する、請求項６３〜７３のいずれかに記載のシステム。
【請求項７５】
前記金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項６３〜７４のいずれかに記載のシステム。
【請求項７６】
前記金属イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の金属イオン種を含む、請求項６３〜７５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７７】
前記第１の種類の金属イオン種は、コバルトを含む、請求項７６に記載のシステム。
【請求項７８】
前記第１の種類の金属イオン種は、ニッケルまたはマンガンを含む、請求項７６に記載のシステム。
【請求項７９】
前記陰イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の陰イオン種を含む、請求項６３〜７８のいずれかに記載のシステム。
【請求項８０】
前記第１の種類の陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物を含む、請求項７８に記載のシステム。
【請求項８１】
前記第２の種類の陰イオン種は、リンを含む、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８２】
前記陰イオン種は、リンを含む、請求項６３〜８１のいずれかに記載のシステム。
【請求項８３】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ３−３から成る群より選択される、請求項６３〜８２のいずれかに記載のシステム。
【請求項８４】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２である、請求項６３〜８３のいずれかに記載のシステム。
【請求項８５】
リンを含む前記陰イオン種は、ＰＯ３Ｍｅ−２である、請求項６３〜８４のいずれかに記載のシステム。
【請求項８６】
リンを含む前記陰イオン種は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じかまたは異なることができ、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り、全てが選択的に置換されるか、または選択的に欠けている、請求項６３〜８５のいずれかに記載のシステム。
【請求項８７】
前記陰イオン種は、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から成る群より選択される、請求項６３〜８６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８８】
前記陰イオン種は、本質的に水酸化物および／または酸化物イオンから成っていない、請求項６３〜８７のいずれかに記載のシステム。
【請求項８９】
前記電極はさらに、陽イオン種を含む、請求項６３〜８８のいずれかに記載のシステム。
【請求項９０】
前記陽イオン種は、Ｋ＋である、請求項８９に記載のシステム。
【請求項９１】
前記金属イオン種対陰イオン種対陽イオン種の比は、約２：１：１である、請求項８９に記載のシステム。
【請求項９２】
（ｎ＋ｘ）の酸化状態を伴う金属イオン種と陰イオン種とを含む触媒物質または組成物は、（ｎ）の酸化状態を伴う該金属イオン種と該陰イオン種とを含む組成物のＫｓｐ値よりも小さい、少なくとも１０３分の１倍の、Ｋｓｐ値を有する、請求項６３〜９１のいずれかに記載のシステム。
【請求項９３】
前記動的平衡は、周期的に酸化および還元されている前記金属イオン種の少なくとも一部分を含む、請求項６３〜９２のいずれかに記載のシステム。
【請求項９４】
周期的に酸化および還元されている前記金属イオン種の少なくとも一部分は、それぞれ、前記電極と結合し、および該電極から解離している、請求項９３に記載のシステム。
【請求項９５】
前記第１の電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項６３〜９４のいずれかに記載のシステム。
【請求項９６】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０５倍だけ異なる、請求６３〜９５のいずれかに記載のシステム。
【請求項９７】
前記Ｋｓｐ値は、少なくとも１０１０または１０１５倍だけ異なる、請求項６３〜９６のいずれかに記載のシステム。
【請求項９８】
前記システムは、電解質をさらに含む、請求項６３〜９７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９９】
前記電解質は、固体を含む、請求項６３〜９８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１００】
前記電解質は、固体ポリマー電解質である、請求項６３〜９９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０１】
前記電解質の前記ｐＨは、約９．５乃至約５．５の間である、請求項６３〜１００のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０２】
前記電解質の前記ｐＨは、約８乃至約６の間である、請求項６３〜１０１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０３】
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約４の間である、請求項６３〜１０２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０４】
前記電解質の前記ｐＨは、約８未満である、請求項６３〜１０３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０５】
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約１の間である、請求項６３〜１０４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０６】
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約２の間である、請求項６３〜１０５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０７】
前記電解質の前記ｐＨは、約７乃至約３の間である、請求項６３〜１０６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０８】
前記電解質は、非透過性電解質である、請求項６３〜１０７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０９】
電流コレクタは、金属、金属酸化物、または金属合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項６３〜１０８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１０】
前記金属、前記金属酸化物、または前記金属合金は、金、銅、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、インジウム、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、またはパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０９に記載のシステム。
【請求項１１１】
前記電流コレクタは、セラミック、無機伝導性材料、または有機伝導性材料を含む、請求項６３〜１１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１２】
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズ、酸化フッ素スズ、アンチモンでドープした酸化スズ、アルミニウムでドープした酸化亜鉛、ガラス状炭素、炭素メッシュ、リチウム含有化合物、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む、請求項６３〜１１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１３】
前記電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間の表面積を有する、請求項６３〜１１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１４】
前記電流コレクタは、約１０ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、請求項６３〜１１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１５】
前記電流コレクタは、約１００ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、請求項６３〜１１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１６】
前記電流コレクタは、約１５０ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、請求項６３〜１１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１７】
前記電流コレクタは、約２００ｍ２／ｇよりも大きい表面積を有する、請求項６３〜１１６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１８】
前記電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、請求項６３〜１１７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１９】
前記電流コレクタは、約５重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１１８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２０】
前記電流コレクタは、約１０重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１１９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２１】
前記電流コレクタは、約１５重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１２０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２２】
前記電流コレクタは、約２５重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１２１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２３】
前記電流コレクタは、約５０重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１２２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２４】
前記電流コレクタは、約７０重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１２３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２５】
前記電流コレクタは、約８０重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１２４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２６】
前記電流コレクタは、約９０重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１２５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２７】
前記電流コレクタは、約９５重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１２６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２８】
前記電流コレクタは、約９９重量パーセント未満の白金を含む、請求項６３〜１２７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２９】
前記電気分解のための水は、気体状態で提供される、請求項６３〜１２８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３０】
前記電気分解のための水は、液体状態で提供される、請求項６３〜１２９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３１】
前記電解質または溶液は、水を含む、請求項６３〜１３０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３２】
前記電気分解のための水は、少なくとも１つの不純物を含有する、請求項６３〜１３１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３３】
前記少なくとも１つの不純物は、金属を含む、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１３４】
前記金属は、金属元素、金属イオン、金属原子を含む化合物、または金属イオンを含む陰イオン種である、請求項１３３に記載のシステム。
【請求項１３５】
前記金属は、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、イオン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、カルシウム、水銀、鉛、またはバリウムである、請求項１３３に記載のシステム。
【請求項１３６】
前記少なくとも１つの不純物は、有機物質、有機小分子、細菌、医薬品、除草剤、殺虫剤、タンパク質、または無機化合物である、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１３７】
前記無機化合物は、ホウ素、シリコン、硫黄、窒素、シアン化物、リン、またはヒ素を含む、請求項１３６に記載のシステム。
【請求項１３８】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、ほぼ同じ活動レベルで動作することが可能である、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１３９】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４０】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４１】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４２】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４３】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０００ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４４】
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４５】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４６】
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４７】
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４８】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１４９】
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１５０】
前記少なくとも１つの不純物は、ガスである、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１５１】
前記ガスは、前記水の中に溶解させられる、請求項１５０に記載のシステム。
【請求項１５２】
前記ガスは、一酸化炭素である、請求項１５１に記載のシステム。
【請求項１５３】
前記ガスは、二酸化炭素である、請求項１５１に記載のシステム。
【請求項１５４】
前記不純物は、ハロゲン化物である、請求項１３２に記載のシステム。
【請求項１５５】
前記ハロゲン化物は、塩化物である、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５６】
前記システムは、ほぼ周囲温度において操作される、請求項６３〜１５５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５７】
前記システムは、約３０℃を上回る温度において操作される、請求項６３〜１５６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５８】
前記システムは、約６０℃を上回る温度において操作される、請求項６３〜１５７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５９】
前記システムは、約９０℃を上回る温度において操作される、請求項６３〜１５８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６０】
前記電圧は、電源によって印加される、請求項６３〜１５９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６１】
前記電源は、太陽電池である、請求項１６０に記載のシステム。
【請求項１６２】
前記デバイスは、太陽電池１ｃｍ２当たり少なくとも約１０ｍｍｏｌの酸素を産生することができる、請求項６３〜１６１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６３】
前記触媒的活性種は、金属イオン種と、陰イオン種とを含む、請求項６３〜１６２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６４】
前記システムは、電気化学電池である、請求項６３〜１６３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６５】
前記デバイスは、酸素ガスを水に触媒的に変換することが可能である、請求項６３〜１６４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６６】
電極用の組成物であって、
コバルトイオンと、
リンを含む陰イオン種と
を含み、
コバルトイオン対リンを含む陰イオンの比は、約１０：１乃至約１：１０の間であり、
該組成物は、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、組成物。
【請求項１６７】
水からの酸素ガスの形成を触媒するための組成物であって、該組成物は、プロセスによって取得可能であり、該プロセスは、
コバルトイオンおよびリンを含む陰イオン種の供給源に電流コレクタの少なくとも１つの表面を暴露することと、
ある期間にわたって該電流コレクタに電圧を印加することであって、それにより、該電流コレクタの該表面に近接して、コバルトイオンの少なくとも一部分とリンを含む陰イオン種とを含む組成物を蓄積する、ことと
を含む、組成物。
【請求項１６８】
水からの酸素ガスの形成を触媒するための組成物であって、該組成物は、プロセスによって作製され、該プロセスは、
コバルトイオンおよびリンを含む陰イオン種の供給源に電流コレクタの少なくとも１つの表面を暴露することと、
ある期間にわたって該電流コレクタに電圧を印加することであって、それにより、該電流コレクタの該表面に近接して、該コバルトイオンの少なくとも一部分とリンを含む該陰イオン種とを含む組成物を蓄積する、ことと
を含む、組成物。
【請求項１６９】
コバルトイオン対リンを含む陰イオンの比は、約５：１乃至約１：５の間である、請求項１６６〜１６８のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７０】
コバルトイオン対リンを含む陰イオンの比は、約２：１である、請求項１６６〜１６９のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７１】
前記組成物は、電流コレクタと結合した、請求項１６６〜１７０のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７２】
前記組成物はさらに、陽イオン種を含む、請求項１６６〜１７１のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７３】
前記陽イオン種は、Ｋ＋である、請求項１７２に記載の組成物。
【請求項１７４】
コバルトイオン：リンを含む陰イオン種：陽イオン種の比は、約２：１：１である、請求項１７３に記載の組成物。
【請求項１７５】
前記組成物はさらに、少なくとも第２の種類の陰イオン種を含む、請求項１６６〜１７４のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７６】
前記第２の種類の陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物イオンである、請求項１７５に記載の組成物。
【請求項１７７】
前記組成物はさらに、少なくとも１つの金属イオン種を含む、請求項１６６〜１７６のいずれかに記載の組成物。
【請求項１７８】
前記少なくとも１つの金属イオン種は、マンガンまたはニッケルイオンを含む、請求項１７７に記載の組成物。
【請求項１７９】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−２、Ｈ２ＰＯ４−２、ＰＯ４−３、Ｈ３ＰＯ３、ＨＰＯ３−２、Ｈ２ＰＯ３−２、またはＰＯ３−３から成る群より選択される、請求項１６６〜１７８のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８０】
リンを含む前記陰イオン種は、ＨＰＯ４−４である、請求項１６６〜１７９のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８１】
リンを含む前記陰イオン種は、ＰＯ３Ｍｅ−２である、請求項１６６〜１８０のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８２】
リンを含む前記陰イオン種は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じかまたは異なることができ、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り、全てが選択的に置換されるか、または選択的に欠けている、請求項１６６〜１８１のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８３】
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズを含む、請求項１６６〜１８２のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８４】
前記電流コレクタは、本質的に白金から成っていない、請求項１６６〜１８３のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８５】
前記組成物は、層を形成することによって、前記電流コレクタと結合する、請求項１６６〜１８４のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８６】
前記層は、約１０μｍ未満の厚さを有する、請求項１８５に記載の組成物。
【請求項１８７】
前記層は、前記電流コレクタ上に形成される複数の粒子の合体によって形成される、請求項１８５に記載の組成物。
【請求項１８８】
前記コバルトイオンと、リンを含む前記陰イオン種とを含む、錯体は、約１０−３乃至約１０−２０の間のＫｓｐ定数を有する、請求項１６６〜１８７のいずれかに記載の組成物。
【請求項１８９】
前記コバルトイオンと、リンを含む前記陰イオン種とを含む、錯体は、約１０−１０を下回るＫｓｐ定数を有する、請求項１６６〜１８８のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９０】
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１６６〜１８９のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９１】
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３５ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１６６〜１９０のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９２】
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．３２５ボルト未満の過電圧によって、水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１６６〜１９１のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９３】
前記電極は、約１００％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１６６〜１９２のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９４】
前記電極は、少なくとも約９９％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１６６〜１９３のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９５】
前記電極は、少なくとも約９５％のファラデー効によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１６６〜１９４のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９６】
前記電極は、少なくとも約９０％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１６６〜１９５のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９７】
前記電極はまた、酸素ガスから水を触媒的に形成することも可能である、請求項１６６〜１９６のいずれかに記載の組成物。
【請求項１９８】
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、約３．０乃至約１１．０のｐＨにおける水から酸素ガスを、金属酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない触媒物質によって、触媒的に産生することを含む、方法。
【請求項１９９】
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを、金属酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない触媒物質によって産生することを含み、該水は少なくとも約１００ｐｐｍの量のＮａＣｌを含み、該過電圧、電極電流密度、および／または酸素の産生速度のうちの１つは、仮にあったとしても、１ヵ月当たり約２０％未満の速度で変化する、方法。
【請求項２００】
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを、金属酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない触媒物質によって産生することを含み、該水は、不純水源から取得され、前記電気分解で使用する前であって、該水源から引き出された後に、その抵抗率を２５％より大きい倍率だけ変化させる態様では浄化されず、該過電圧、電極電流密度、および／または酸素の産生速度のうちの１つは、仮にあったとしても、１ヵ月当たり約２０％未満の速度で変化する、方法。
【請求項２０１】
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを、金属酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない触媒物質によって産生することを含み、該水は、該水の中に少なくとも１００万分の１の量で存在する触媒反応に実質的に関与しない少なくとも１つの不純物を含み、該過電圧、電極電流密度、および／または酸素の産生速度のうちの１つは、仮にあったとしても、１ヵ月当たり約２０％未満の速度で変化する、方法。
【請求項２０２】
１６ＭΩ・ｃｍ未満の抵抗率を有する水源からの水を使用して、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを、金属酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない触媒物質によって産生することを含み、該水は、電気分解において使用する前であって、水源から引き出された後に、その抵抗率を２５％より大きい倍数だけ変化させる態様では浄化されず、該過電圧、電極電流密度、および／または酸素の産生速度のうちの１つは、仮にあったとしても、１ヵ月当たり約２０％未満の速度で変化する、方法。
【請求項２０３】
水から酸素ガスを触媒的に産生する方法であって、
電気化学システムを提供することであって、該電気化学システムは、
酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない第１の種類の陰イオン種を含む電解質と、
電流コレクタ、金属イオン種、ならびに酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない第２の種類の陰イオン種を含む第１の電極と、
該第１の電極に対して負にバイアスされる第２の電極と
を含む、ことと、
該電気化学システムに、水からの酸素ガスの産生を触媒させることと
を含み、
該金属イオン種および該第２の種類の陰イオン種は、該金属イオン種の少なくとも一部分が周期的に酸化および還元される動的平衡を伴う触媒反応に関与する、方法。
【請求項２０４】
電極を作製するための方法であって、
（ｎ）の酸化状態を有する金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することであって、該陰イオン種のうちの少なくとも一部は酸化物および／または水酸化物ではない、ことと、
電流コレクタを提供することと、
該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成することと
を含み、
該組成物は、該金属イオン種および酸化物および／または水酸化物ではない少なくともいくつかの陰イオン種を含み、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能であり、該組成物内の該金属イオン種は、（ｎ＋ｘ）の酸化状態を有し、ｎは零ではなく、ｘは１、２、３または４である、方法。
【請求項２０５】
電極を作製するための方法であって、
金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することであって、該陰イオン種は酸化物および／または水酸化物ではない、ことと、
電流コレクタを提供することと、
該金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該金属イオン種および陰イオン種は、約３乃至約１１のｐＨにおいて水の電気分解を触媒することができる、方法。
【請求項２０６】
電極を作製するための方法であって、
第１の種類の金属イオン種、第２の種類の金属イオン種、および陰イオン種を含む溶液を提供することと、
電流コレクタを提供することと、
該第１の種類の金属イオン種、該第２の種類の金属イオン種および該陰イオン種に、該電流コレクタへの電圧の印加によって該電流コレクタと結合した組成物を形成させることと
を含み、
該組成物は、本質的に金属酸化物および／または金属水酸化物から成っておらず、
該電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生することができる、方法。
【請求項２０７】
約５．５乃至約８．５のｐＨの水において、水から酸素ガスを産生することを含む、請求項１９８〜２０６のいずれかに記載の方法。
【請求項２０８】
約７．０以下のｐＨの水において、水から酸素ガスを産生することを含む、請求項１９８〜２０７のいずれかに記載の方法。
【請求項２０９】
前記金属イオン種および陰イオン種は、前記電流コレクタと結合した組成物を形成する、請求項１９８〜２０８のいずれかに記載の方法。
【請求項２１０】
酸素ガスの触媒産生を本質的に引き起こさせないレベルの電圧の印加によって、前記電流コレクタと結合した前記組成物を形成することを含む、請求項１９８〜２０９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１１】
周期的に酸化および還元される金属イオン種の少なくとも一部分は、それぞれ、前記電極と結合され、該電極から解離される、請求項１９８〜２１０のいずれかに記載の方法。
【請求項２１２】
前記第２の電極において、水から水素ガスを産生することをさらに含む、請求項１９８〜２１１のいずれかに記載の方法。
【請求項２１３】
前記酸素ガスは、前記第１の電極において産生される、請求項１９８〜２１２のいずれかに記載の方法。
【請求項２１４】
熱を産生するために前記水素ガスまたは酸素ガスを使用することをさらに含む、請求項１９８〜２１３のいずれかに記載の方法。
【請求項２１５】
デバイスに電力供給するために前記水素ガスを使用することをさらに含む、請求項２１２に記載の方法。
【請求項２１６】
化学物質の産生のために前記水素ガスを使用することをさらに含む、請求項２１２に記載の方法。
【請求項２１７】
前記金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項１９８〜２１６のいずれかに記載の方法。
【請求項２１８】
前記金属イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の金属イオン種を含む、請求項１９８〜２１７のいずれかに記載の方法。
【請求項２１９】
前記第１の種類の金属イオン種は、コバルトイオンを含む、請求項１９８〜２１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２２０】
前記陰イオン種は、リンを含む、請求項１９８〜２１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２２１】
リンを含む前記陰イオン種は、構造ＰＯ（ＯＲ１）（ＯＲ２）（Ｒ３）を含み、Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、同じかまたは異なることができ、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り、全てが選択的に置換されるか、または選択的に欠けている、請求項１９８〜２２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２２】
リンを含む前記陰イオン種は、ＰＯ３Ｍｅ−２である、請求項１９８〜２２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２２３】
前記陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物ではない、請求項１９８〜２２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２２４】
前記陰イオン種は、少なくとも第１の種類および第２の種類の陰イオン種を含む、請求項１９８〜２２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２２５】
前記第１の種類の陰イオン種は、酸化物および／または水酸化物を含む、請求項２２４に記載の方法。
【請求項２２６】
前記第２の種類の陰イオン種は、リンを含む、請求項２２４に記載の方法。
【請求項２２７】
前記組成物は、実質的に非晶質である、請求項１９８〜２２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２２８】
前記動的平衡は、前記金属イオン種の前記酸化状態の変化を含む、請求項１９８〜２２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２２９】
前記金属イオン種の前記酸化状態の変化は、（ｎ）から（ｎ＋ｘ）までであり、ｘは、任意の整数である、請求項２２８に記載の方法。
【請求項２３０】
前記組成物は、実質的に金属酸化物および／または金属水酸化物から成っていない、請求項１９８〜２２９のいずれかに記載の方法。
【請求項２３１】
前記電解質は、陰イオン種を含む、請求項１９８〜２３０のいずれかに記載の方法。
【請求項２３２】
前記電圧は、約８時間にわたって前記電流コレクタに印加される、請求項１９８〜２３１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３３】
前記電圧は、約１分乃至約２４時間の間にわたって前記電流コレクタに印加される、請求項１９８〜２３２のいずれかに記載の方法。
【請求項２３４】
前記組成物は、前記電流コレクタと結合した材料の層を形成する、請求項１９８〜２３３のいずれかに記載の方法。
【請求項２３５】
前記層は、複数の突出粒子を含む、請求項２３４に記載の方法。
【請求項２３６】
前記層の厚さは、前記電圧が前記電流コレクタに印加される時間の長さに依存する、請求項２３４に記載の方法。
【請求項２３７】
前記層は、前記電流コレクタと結合した複数の粒子の合体から形成する、請求項２３４に記載の方法。
【請求項２３８】
前記層は、実質的に一様な厚さを有する、請求項２３４に記載の方法。
【請求項２３９】
前記層は、一様な厚さを有しない、請求項２３４に記載の方法。
【請求項２４０】
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、酸素ガスを触媒的に産生することができる、請求項１９８〜２３９のいずれかに記載の方法。
【請求項２４１】
前記触媒作用は、ほぼ周囲温度において遂行される、請求項１９８〜２４０のいずれかに記載の方法。
【請求項２４２】
前記触媒作用は、約３０℃を上回る温度において遂行される、請求項１９８〜２４１のいずれかに記載の方法。
【請求項２４３】
前記水は、少なくとも１つの不純物を含有する、請求項１９８〜２４２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４４】
前記少なくとも１つの不純物は、ハロゲン化物イオンを含む、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２４５】
前記ハロゲン化物イオンは、塩化物イオンである、請求項２４４に記載の方法。
【請求項２４６】
前記少なくとも１つの不純物は、金属を含む、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２４７】
前記金属は、金属元素、金属イオン、金属元素を含む化合物、または金属イオンを含む陰イオン種である、請求項２４６に記載の方法。
【請求項２４８】
前記金属は、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、カルシウム、水銀、鉛、またはバリウムである、請求項２４６に記載の方法。
【請求項２４９】
前記少なくとも１つの不純物は、有機物質、有機小分子、細菌、医薬品、除草剤、殺虫剤、タンパク質、または無機化合物である、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２５０】
前記無機化合物は、ホウ素、シリコン、硫黄、窒素、シアン化物、リン、またはヒ素を含む、請求項２４９に記載の方法。
【請求項２５１】
前記電極は、本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、ほぼ同じ活動レベルで動作することが可能である、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２５２】
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、前記少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２５３】
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約９０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２５４】
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８５％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２５５】
本質的に同一の条件下で前記少なくとも１つの不純物を実質的に含有しない水と対比して、該少なくとも１つの不純物を含有する水を使用して、約８０％を上回る活動レベルで動作することが可能である、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２５６】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０００ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２５７】
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２５８】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２５９】
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｍ未満の量で存在する、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２６０】
前記少なくとも１つの不純物は、約１００ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２６１】
前記少なくとも１つの不純物は、約１０ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２６２】
前記少なくとも１つの不純物は、約１ｐｐｂ未満の量で存在する、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２６３】
前記少なくとも１つの不純物は、ガスである、請求項２４３に記載の方法。
【請求項２６４】
前記ガスは、水中で溶解させられる、請求項２６３に記載の方法。
【請求項２６５】
前記ガスは、一酸化炭素である、請求項２６３に記載の方法。
【請求項２６６】
前記ガスは、二酸化炭素である、請求項２６３に記載の方法。
【請求項２６７】
電流コレクタは、金属、金属酸化物、または金属合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９８〜２６６のいずれかに記載の方法。
【請求項２６８】
前記金属、前記金属酸化物、または前記金属合金は、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、またはパラジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項２６７に記載の方法。
【請求項２６９】
前記電流コレクタは、セラミック、無機伝導性材料、または有機伝導性材料を含む、請求項１９８〜２６８のいずれかに記載の方法。
【請求項２７０】
前記電流コレクタは、約５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２６９のいずれかに記載の方法。
【請求項２７１】
前記電流コレクタは、約１０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２７０のいずれかに記載の方法。
【請求項２７２】
前記電流コレクタは、約１５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２７１のいずれかに記載の方法。
【請求項２７３】
前記電流コレクタは、約２５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２７２のいずれかに記載の方法。
【請求項２７４】
前記電流コレクタは、約５０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２７３のいずれかに記載の方法。
【請求項２７５】
前記電流コレクタは、約７０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２７４のいずれかに記載の方法。
【請求項２７６】
前記電流コレクタは、約８０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２７５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７７】
前記電流コレクタは、約９０重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２７６のいずれかに記載の方法。
【請求項２７８】
前記電流コレクタは、約９５重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２７７のいずれかに記載の方法。
【請求項２７９】
前記電流コレクタは、約９９重量パーセント未満の白金を含む、請求項１９８〜２７８のいずれかに記載の方法。
【請求項２８０】
前記電流コレクタは、酸化インジウムスズ、酸化フッ素スズ、アンチモンでドープした酸化スズ、アルミニウムでドープした酸化亜鉛、ガラス状炭素、炭素メッシュ、リチウム含有化合物、または黒鉛のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９８〜２７９のいずれかに記載の方法。
【請求項２８１】
前記電流コレクタは、約０．０１ｍ２／ｇ乃至約３００ｍ２／ｇの間の表面積を有する、請求項１９８〜２８０のいずれかに記載の方法。
【請求項２８２】
前記電流コレクタは、約１０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１９８〜２８１のいずれかに記載の方法。
【請求項２８３】
電流コレクタは、約１００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１９８〜２８２のいずれかに記載の方法。
【請求項２８４】
前記電流コレクタは、約１５０ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１９８〜２８３のいずれかに記載の方法。
【請求項２８５】
前記電流コレクタは、約２００ｍ２／ｇより大きい表面積を有する、請求項１９８〜２８４のいずれかに記載の方法。
【請求項２８６】
前記酸素は、ガス状の水から触媒的に産生される、請求項１９８〜２８５のいずれかに記載の方法。
【請求項２８７】
前記酸素は、液体の水から触媒的に産生される、請求項１９８〜２８６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８８】
前記層は、約１００μｍ未満の厚さを有する、請求項２３７に記載の方法。
【請求項２８９】
前記層は、約１０μｍ未満の厚さを有する、請求項２３７に記載の方法。
【請求項２９０】
前記層は、約１μｍ未満の厚さを有する、請求項２３７に記載の方法。
【請求項２９１】
前記層は、約１００ｎｍ未満の厚さを有する、請求項２３７に記載の方法。
【請求項２９２】
前記層は、約１０ｎｍ未満の厚さを有する、請求項２３７に記載の方法。
【請求項２９３】
前記層は、約１ｎｍ未満の厚さを有する、請求項２３７に記載の方法。
【請求項２９４】
前記酸素ガスは、１時間当たり、電極１ｃｍ２当たり１０ｍｍｏｌの酸素の割合で産生される、請求項１９８〜２９３のいずれかに記載の方法。
【請求項２９５】
前記電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．４ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項１９８〜２９４のいずれかに記載の方法。
【請求項２９６】
前記電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．３５ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項１９８〜２９５のいずれかに記載の方法。
【請求項２９７】
前記電極は、本質的に白金から成っておらず、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において０．３２５ボルト未満の過電圧によって、ほぼ中性のｐＨにおける水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項１９８〜２９６のいずれかに記載の方法。
【請求項２９８】
前記電極は、約１００％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１９８〜２９７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９９】
前記電極は、少なくとも約９９％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１９８〜２９８のいずれかに記載の方法。
【請求項３００】
前記電極は、少なくとも約９５％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１９８〜２９９のいずれかに記載の方法。
【請求項３０１】
前記電極は、少なくとも約９０％のファラデー効率によって水から酸素ガスを触媒的に形成することが可能である、請求項１９８〜３００のいずれかに記載の方法。
【請求項３０２】
前記過電圧は、標準条件下において決定される、請求項１９８〜３０１のいずれかに記載の方法。
【請求項３０３】
前記標準条件は、中性ｐＨを伴う電解質、周囲温度、周囲圧力、非多孔質で平面的である電流コレクタ、および約１ｍＡ／ｍ２の幾何学的電流密度を含む、請求項３０２に記載の方法。
【請求項３０４】
前記水素ガスおよび前記酸素ガスから水素を形成することをさらに含む、請求項１９８〜３０３のいずれかに記載の方法。
【請求項３０５】
前記電極はまた、酸素ガスから水を触媒的に形成することも可能である、請求項１９８〜３０４のいずれかに記載の方法。
【請求項３０６】
水から酸素ガスを触媒的に産生するための触媒物質を含む電極であって、該触媒物質は、コバルトおよび／またはニッケルイオン、ならびにリンおよび／ホウ素を含む陰イオン種を含む、電極。
【請求項３０７】
前記電極は、少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧によって水から酸素ガスを触媒的に産生することが可能である、請求項１〜５９、および３０６のいずれかに記載の電極。
【請求項３０８】
請求項１に記載の電極を含む、水から酸素ガスを触媒的に産生するためのシステム。
【請求項３０９】
少なくとも１ｍＡ／ｃｍ２の電極電流密度において、０．４ボルト未満の過電圧で、水から酸素ガスを、金属酸化物および／または水酸化物から本質的に成っていない触媒物質によって産生することを含み、該水は、少なくとも約１００ｐｐｍの量のＮａＣｌを含み、本質的に同一の条件下においてＮａＣｌを実質的に含有しない水と対比して約８０％を上回る活動レベルである、方法。
【請求項３１０】
前記電極は、閉鎖システムにおいて再生される、請求項５に記載の触媒電極。
【請求項３１１】
前記電流コレクタに結合した前記触媒物質は、電流コレクタ表面１ｃｍ２当たり少なくとも約０．０１ｍｇの量の触媒物質が存在する、請求項１〜５７、３０６〜３０７、および３１０のいずれかに記載の電極。
【請求項３１２】
前記電極は、水から酸素ガスを触媒的に産生するためのものである、請求項１〜５７、３０６〜３０７、および３１０〜３１１のいずれかに記載の電極。
【請求項３１３】
前記電極は、イオン伝導性物質を含む、請求項６３〜１６５、および３０８のいずれかに記載のシステム。
【請求項３１４】
前記システムは、少なくとも１つの膜を含む、請求項６３〜１６５、３０８、および３１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項３１５】
前記膜は、陽子の伝導を可能にする、請求項３１４に記載のシステム。
【請求項３１６】
前記膜は、電子の伝達を可能にする、請求項３１５に記載のシステム。
【請求項３１７】
前記触媒物質は、第１の陰イオン種を含み、第２の陰イオン種を含む電解液と連絡して動作させられる、請求項１〜５９および６３〜３１６のいずれかに記載の触媒物資、電極、システム、または方法。
【請求項３１８】
第１の陰イオン種は、リンを含み、前記第２のイオン種はホウ素を含む、請求項３１７に記載の触媒物資、電極、システム、または方法。
【国際調査報告】
2011525217.tif 000055
2011525217.tif 000056
2011525217.tif 000057
2011525217.tif 000058
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2011525217.tif 000061
2011525217.tif 000062