ユタ州エルパソ

テキサス大学エルパソ校（UTEP）のエンジニア率いる研究者らは、より安価かつ効率的に水を分解できるよう、サボテンからインスピレーションを得た低コストのニッケルベースの材料を提案した。 この材料は、ACS Applied Materials & Interfaces 誌の論文で説明されています。

水を分解する現在の電気分解技術は、触媒としてプラチナに大きく依存しているが、プラチナは非常に高価であり、そのため大規模に使用するのは現実的ではないと、研究を主導したUTEP機械工学教授のラマナ・チンタラパル博士は述べた。 。

筆頭著者の Navid Attarzadeh 氏は、UTEP の先端材料研究センターへ歩いているときに初めてウチワサボテンに気づきました。 研究チームは、地球上に豊富に存在し、プラチナよりも1,000倍安い金属であるプラチナの触媒代替品としてニッケルを研究していた。 しかし、ニッケルは水を水素に分解するのにそれほど迅速かつ効果的ではありません。

私は毎日この同じ植物の前を通りました。 そして私はそれを触媒の問題に結び付け始めました。 私の注意を引いたのは、その葉と果実が他の砂漠の植物と比較してどれほど大きいかということでした。 ウチワサボテンは並外れた表面積を持っています。

アタルザデ氏は、ウチワサボテンの形をした 3D ニッケルベースの触媒を設計したらどうなるだろうかと考えました。 より大きな表面積はより多くの電気化学反応に対応でき、通常のニッケルよりも多くの水素を生成できます。

研究チームは、リン硫化プロセスを使用して、整列した Ni5P4-Ni2P/NiS (プレート/ナノシート) の 3D ナノアーキテクチャを合成しました。

広大な表面を通して水分を吸収することによる砂漠環境におけるウチワサボテンの耐久性とユニークなデザイン、そして葉の端に実を結ぶ能力が、この研究に同様の 3D 構造を採用し、それを利用して HER 活性のための効率的なヘテロ構造触媒を設計するきっかけとなった。

この触媒は、垂直に整列したNi5P4-Ni2PプレートとNiSナノシートの2つのコンパートメントで構成されており、ウチワサボテンの葉と果実の役割に似ています。 Ni5P4-Ni2P プレートは界面領域に電荷を供給し、NiS ナノシートは HER 活性の Had および電子移動に大きな影響を与えます。 実際、ヘテロ界面とエピタキシャル NiS ナノシートの相乗的な存在により、リン化ニッケル触媒と比較して触媒活性を大幅に向上させることができます。

特に、最もよく改質された三元触媒の開始過電位は、リン化ニッケル触媒に必要な電位の半分（35 mV）を示します。 この有望な触媒は、それぞれ 10 および 100 mA cm-2 の電流密度を達成するために 70 mV および 115 mV の過電圧を示します。 得られたターフェル勾配は 50 mV dec-1 で、最良の三元電極触媒のサイクリック ボルタンメトリー (CV) から測定された二重層静電容量は 13.12 mF cm-2 で、リン化ニッケル電極触媒の 3 倍です。

さらに、陰極電位における電気化学インピーダンス分光法 (EIS) により、430 ～ 1.75 Ω cm-2 の範囲の最も低い電荷移動抵抗が最良の三元電極触媒に関係していることが明らかになりました。 この改善は、界面での電子交換性の促進に起因すると考えられます。 我々の発見は、エピタキシャルNiSナノシートが活性触媒表面積を拡大し、同時にヘテロ界面を導入することで固有の触媒活性を高め、界面により多くのHadを収容できることを示しています。

この研究プロジェクトは、国立科学財団の材料研究と教育のためのパートナーシップ (PREM) プログラムからの助成金によって支援されました。

リソース

Navid Attarzadeh、Debabrata Das、Srija N. Chintalapalle、Susheng Tan、V. Shutthanandan、および CV Ramana (2023) 「水素発生反応の電極触媒活性を強化するための、ナノ構造で整列した Ni5P4-Ni2P/NiS アレイの自然にインスピレーションを受けたデザイン ( HER)」ACS アプライド マテリアルズ & インターフェイス 15 (18)、22036-22050 doi: 10.1021/acsami.3c00781

投稿日: 2023 年 5 月 16 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 (0)