新しい安定した水

研究者らは、陽子交換膜 (PEM) 水電気分解用のニッケル安定化二酸化ルテニウム (Ni-RuO2) アノード触媒を開発しました。 より豊富に存在する貴金属であるルテニウムは、現在電解用の実用的なアノード触媒であるより希少で高価なイリジウムの有望な代替品として機能します。

Ni-RuO2 触媒は、PEM 水電解用の酸性 OER において高い活性と耐久性を示します。 元の RuO2 は酸性 OER 安定性が低く、短期間の連続運転中に劣化しますが、Ni を組み込むことで RuO2 格子が大幅に安定化し、その耐久性が 1 桁以上延長されます。

概略図は、ニッケルをドープしたルテニウム触媒を使用するためにライス大学で開発された実験用水電解装置を示しています。 イラスト：Zhen-Yu Wu

ライス大学ジョージ・R・ブラウン工学院の化学・生体分子工学者ハオティアン・ワン研究室とピッツバーグ大学およびバージニア大学の同僚らによる研究に関する論文が、Nature Materials誌に掲載された。

当社の Ni-RuO2 触媒を PEM 水電解装置のアノードに適用すると、200 mA cm-2 の水分解電流下で 1,000 時間以上の安定性が実証され、実用化の可能性が示唆されました。 密度汎関数理論の研究とオペランド示差電気化学質量分析分析を組み合わせた結果、Ni-RuO2 上の吸着質進化機構と、OER 耐久性向上のための表面 Ru と表面下の酸素の安定化における Ni ドーパントの重要な役割が確認されました。

イリジウムの価格はルテニウムのおよそ8倍で、特に将来の大規模導入においては、商用デバイスの製造費用の20～40％を占める可能性があるとワン氏は述べた。

水の分解には、分極触媒が水分子を再配列して酸素と水素を放出する、酸素と水素の発生反応が含まれます。

カソードは非常に安定しており、大きな問題はありませんが、酸性電解液を使用するとアノードが腐食しやすくなります。 マンガン、鉄、ニッケル、コバルトなどの一般的に使用される遷移金属は酸化され、電解液に溶解します。 そのため、市販の固体高分子型水電解装置で使用されている唯一の実用材料はイリジウムです。 数万時間安定していますが、非常に高価です。

同研究所は、ルテニウム触媒を改良して現在の工業プロセスに組み込めるように取り組んでいます。

この安定性のマイルストーンに到達したので、私たちの課題は、この種の安定性を維持しながら、電流密度を少なくとも 5 ～ 10 倍増加させることです。 これは非常に困難ですが、それでも可能です。

イリジウムの年間生産量では、今日必要な量の水素を生産することはできません。 世界中で生産されているイリジウムをすべて使用しても、水の電気分解によって水素を生成したい場合に必要な量の水素を生成することはできません。 つまり、イリジウムに完全に依存することはできないということです。 その使用を減らすか、プロセスから完全に排除するには、新しい触媒を開発する必要があります。

ピッツバーグ大学のボーヤン・リー氏はこの論文の共同筆頭著者である。 共著者はライス大学院生のPeng Zhu氏です。 バージニア大学の大学院生シェンウェイ・ユー。 アルゴンヌ国立研究所の物理学者ゾウ・フィンフロック氏。 アルゴンヌとカナダの光源の科学者デボラ・モッタ・メイラ。 バージニア州の卒業生、チョウヤン・イン。 中国科学技術大学合肥校のQiang-Qiang Yan氏、Ming-Xi Chen氏、Tian-Wei Song氏、Hai-Wei Liang氏。 共同執筆者は、バージニア大学化学准教授のセン・チャン氏とピッツバーグ大学機械・材料科学教授のグオフェン・ワン氏です。 Haotian Wang は、ライス大学のウィリアム・マーシュ理事長であり、化学および生体分子工学の助教授です。

この研究は、ウェルチ財団 (C-2051-20200401)、デイビッド & ルシル・パッカード財団 (2020–71371)、ロイ E. キャンベル教員育成賞、国立科学財団 (1905572、2004808)、アメリカ大学の支援を受けました。ピッツバーグ研究コンピューティングセンターとアルゴンヌ国立研究所の高度な光子源。

リソース

Wu、ZY.、Chen、FY.、Li、B. 他。 (2022) 「プロトン交換膜水電気分解における耐久性のある酸性酸素発生反応のための非イリジウムベースの電極触媒」。 ナット。 メーター。 土井: 10.1038/s41563-022-01380-5

投稿日: 2022 年 10 月 22 日 in 触媒, 水素, 水素製造, 市場の背景 | パーマリンク | コメント (1)