水の電気分解でイリジウムに代わる安価な材料が発見され、水素が生成される

スペインのさまざまな研究機関の研究者の協力により、アノードに希土類元素であるイリジウムを使用せず、水の分解に使用して水素と酸素を得ることができる電極の開発に成功しました。

水素には炭素を含まない環境に優しい燃料としての可能性があり、いつかは飛行機も飛ばせる可能性があります。しかし、現在の水素製造方法は化石燃料に依存しており、炭素排出をもたらします。

このため、世界中の研究者が無公害の水素生成方法の開発に取り組んできました。水の電気分解に対するプロトン交換膜 (PEM) アプローチは、高レベルの効率を達成しました。よりクリーンな電源を使用してデバイスに電力を供給することで、グリーン水素も生成できます。

イリジウムなどの反応に使用される触媒は地球上で非常に希少であるため、電極には欠点もあります。そこで、スペインの研究者たちは、イリジウムフリーの電解槽を実現できる適切な代替品を見つけることに熱心でした。

研究チーム

電気分解は複雑な反応であり、水素の生成は強酸性環境で発生します。低い pH と高い電位の条件下では、金属は不安定で、反応中に溶解する傾向があり、触媒として機能しなくなります。

一方、酸化イリジウムは、高レベルの活性を維持しながら酸性環境で高い安定性を示すため、PEM 電解槽で最適な金属となっています。

イリジウムを含まない触媒に関するこれまでの研究により、研究者は酸化マンガンや酸化コバルトなどの材料にたどり着きました。ただし、これらの材料は大規模な環境では満足のいく性能を発揮しておらず、広範な展開には適していません。

問題は、イリジウムが信じられないほど稀少で、年間生産量がわずか 7.5 トンと推定されていることです。したがって、経済的に便利な水の電気分解プロセスを実現したい場合は、電極内のイリジウムを交換することが絶対に必要です。水素製造を便利にするためにコストを削減する方法を見つける必要があります。

ICFO光科学研究所のF.ペラヨ・ガルシア・デ・アルケル教授率いる研究者は、コバルトは豊富に入手できるため、コバルトをベースにした触媒を開発したいと考えていました。しかし、このアプローチでは以前に失敗があったため、研究者たちは革新的で異なるアプローチを採用しました。

「私たちは、その構造に反応成分（水とその破片）を積極的に組み込む新しい材料を設計しました」とガルシア・デ・アルケール氏はプレスリリースで説明した。

研究チームは、材料の一部を水に置き換える剥離と呼ばれるプロセスを使用し、コバルト触媒を以前よりも堅牢にしました。

「触媒構造への水を組み込むことで、このような過酷な条件下で触媒を保護できることが分かりました。これにより、産業用途にとって重要な高電流密度での安定した動作が可能になります」とガルシア・デ・アルケール氏は付け加えた。

研究チームはコバルトタングステン酸化物 (CoWO4 または CWO) を使用し、格子構造内の酸化タングステンを水を使用して置き換えました。この触媒は電気分解中にアノード電極に使用され、以前のコバルトベースの触媒よりも優れた安定した性能を有することが判明しました。

これは、酸化タングステンの除去により穴が残り、その穴が水と水酸化物イオンによって満たされたためです。これにより、コバルトが反応中に溶解するのが防止され、その安定性が保護されました。この触媒は 600 時間以上稼働し、この材料で達成された以前の記録を破りました。

これは市販の PEM の安定性には程遠いですが、この研究により、研究者らは将来的にはより適切な候補を使用して研究できるという希望を得ることができました。

「必要に応じて、周期表全体を調べます。そして私たちは、研究で報告した触媒を設計するためのこの新しい戦略を彼らと一緒に探求し、テストしていきます」とガルシア・デ・アルケル氏はプレスリリースで述べた。

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