最高の触媒粒子: 立方体は球よりも優れた性能を発揮

ルール大学ボーフム校、2023年2月5日

電極触媒は、電気化学セル内の化学反応を促進する物質です。 これらは、燃料電池、バッテリー、電解槽などの多くのエネルギー変換および貯蔵技術において重要なコンポーネントであり、これらのシステムの効率と安定性が向上します。

気候変動との戦いにおいては、CO2 排出量の削減が極めて重要です。 現在、石油や天然ガスから生成されるグレー水素が広く使用されていますが、これを再生可能資源から生成されるグリーン水素に置き換える取り組みが進められています。 グリーン水素は、電気分解、つまり電気で水を水素と酸素に分解するプロセスによって生成されます。 その可能性にもかかわらず、電気分解を実行可能な選択肢にするためには、いくつかの課題を克服する必要があります。

現時点では、水分解プロセスの効率性は限られており、強力で耐久性があり、費用対効果の高い触媒が十分にありません。

「現在、最も活性な電極触媒は、希少で高価な貴金属であるイリジウム、ルテニウム、プラチナをベースとしています」とクリスティーナ・チュリク氏は述べています。 「したがって、研究者としての私たちの仕事は、貴金属を含まない新しい高活性電極触媒を開発することです。」

彼女の研究グループは、人間の髪の毛よりも 100 万分の 1 小さい卑金属酸化物ナノ粒子の形の触媒を研究しています。 工業規模で製造されるため、形状、サイズ、化学組成は異なります。

クリスティーナ・チュリク氏（左）とハテム・アミン氏は、緑色水素の触媒としてのナノ粒子を研究している。 クレジット: © RUB、マーカード

「私たちは測定を使用して、数十億の粒子がバインダーや添加剤と混合された、いわゆる触媒インクを検査します」とクリスティーナ・チュリク氏は概説します。 この方法では、研究者は平均的なパフォーマンスのみを測定できますが、本当に重要である個々の粒子の活動は測定できません。

ルール大学ボーフム校の分析化学の博士研究員であるハテム・アミン博士は、「どの粒子形状または結晶ファセット（外側を向いた表面）が最も活性であるかを知っていれば、その正確な形状を持つ粒子を具体的に生成できるでしょう」と述べています。

研究グループは、溶液中の個々の粒子を直接分析する方法を開発しました。 これにより、粒子の形状や組成などの粒子特性が水の分解に与える影響を理解するために、さまざまなナノマテリアルの活性を相互に比較することができます。 「私たちの結果は、個々の立方体の形をした酸化コバルト粒子が球よりも活性であることを示しています。球には常に活性の低い他の面がいくつかあるからです。」

ボーフムグループの実験結果は、共同研究センター/トランスレジオ247の一環として、デュイスブルク・エッセン大学のロシッツァ・ペンチェヴァ教授が率いる協力パートナーによって確認された。後者の理論分析は、活性触媒領域、すなわちコバルトからの変化を示している。八面体を形成する酸素原子に囲まれた原子から四面体に囲まれたコバルト原子まで。

「粒子の形状と活性の相関関係についての私たちの洞察は、実行可能な触媒材料の知識に基づいた設計の基礎を築き、その結果、化石エネルギーと化学産業を再生可能エネルギー源と高活性エネルギーに基づく循環経済に向けて変革するための基礎を築きました。 、長続きする触媒です」とクリスティーナ・チュリク氏は結論づけています。

参考文献: 「酸素発生反応のための単一 Co3O4 ナノ粒子のファセット依存固有活性 (Adv. Functiont. Mater. 1/2023)」Zhibin Liu、Hatem MA Amin、Yuman Peng、Manuel Corva、Rossitza Pentcheva、Kristina Tschulik、1 月 3 日2023、先端機能材料.DOI: 10.1002/adfm.202370006