より安価な水素製造:バイメタルの卵殻型ナノ粒子による水と尿素の効率的な電気分解

より安価な水素製造:バイメタルの卵殻型ナノ粒子による水と尿素の効率的な電気分解 化学

再生可能エネルギーを利用した電解水素製造は、地球温暖化やエネルギー問題を解決するための環境に優しい手段として注目されています。このたび、研究チームは、高効率で省エネな水素製造を可能にする、安価で新しい電極材料である多孔質リン化CoNi2S4卵殻ナノ粒子をAngewandte Chemie誌に発表しました。

水の電気分解では、水素発生と酸素発生の両方の反応が起こりますが、残念ながら反応速度は遅く、多くの電力を必要とします。触媒効果のある電極、特に貴金属を用いた電極は、電気化学プロセスを加速し、エネルギー効率を向上させることができます。しかし、これらの触媒は、高コスト、限られた量しか存在しない、安定性が低いなどの理由で、大規模な使用が妨げられています。豊富で安価な金属をベースにした代替品は、通常、どちらの半減期においても満足に機能しません。

今回、Shuyan Gao(中国・河南師範大学)氏とXiong Wen (David) Lou(シンガポール・南洋理工大学)氏が率いるチームは、効率的な電極触媒による水素製造のために、コバルト(Co)とニッケル(Ni)をベースにした、安価で多機能な新しい電極材料を開発しました。この材料を作るために、コバルト-ニッケル-グリセリドからなるナノスフェアに、水熱硫化と気相リン酸化を組み合わせた処理を施します。これにより、リンを添加した硫化コバルトニッケル(P-CoNi2S4)からなる「卵殻ナノ粒子」と呼ばれる物体が形成されます。これは、コンパクトな核と多孔質の殻の間に空間がある小さな球体です。卵の黄身が卵白に囲まれて殻に接していないように。

© Angewandte Chemie

リンを添加することで、中空粒子中のNi2+に対するNi3+の割合が高まり、電荷の移動が速くなるため、電極触媒反応がより速く進行します。この材料は、陽極または陰極のいずれかとして使用することができ、水の電気分解で水素と酸素を生成する際に高い活性と安定性を示します。

電気分解セルの全体的な電圧を下げるために、ハイブリッド電気分解のコンセプトも研究されています。例えば、酸素を生成するのではなく、尿素を酸化することで水素を生成すると、必要なエネルギーが大幅に少なくなります。尿素の供給源としては、工業製品の合成過程で発生する廃棄物や下水などが考えられます。新しいナノ粒子は、この半反応にも非常に有効です。

水と尿素の電気分解は、どちらも比較的低いセル電圧(10 mA cm-2で100時間使用した場合、それぞれ1.544Vと1.402V)で行うことができます。このように、この二元的な卵殻粒子は、これまでに知られている硫化ニッケル系や貴金属系の電極触媒よりも優れています。この粒子は、電気化学的な水素製造や、尿素を含む廃水の処理に有望なアプローチを提供するものです。

Published by Wiley. Xue Feng Lu et al, Phosphorized CoNi 2 S 4 Yolk‐Shell Spheres for Highly Efficient Hydrogen Production via Water and Urea Electrolysis, Angewandte Chemie International Edition (2021). DOI: 10.1002/anie.202108563

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