2019/1/3ｱﾒﾘｶ合衆国デラウェア大学(UD)
・UD が、銅-チタン触媒による水の電気分解で水素を生成するプロセスを開発。
・ 同大学研究チームはこれまで、CO2 をエタノールやエチレン等の有益な化学物質に、また CO2 を酸素に効率的に転換するプロセスの研究開発を実施。その過程で、賦存量が比較的多く安価な銅-チタン合金が、水素発生反応で水を水素ガスと酸素に分離できる卑金属ベースの触媒であることを偶然に発見した。
・ 現在、天然ガスと高温でメタンから水素分子を取り出す水蒸気メタン改質により水素が生成されているが、CO2 を排出する。
・ 導電性と伝熱性に優れる銅に微量のチタンを添加すると、銅ーチタン触媒では銅のみの場合に比して性能が約 100 倍向上。これらの金属の組合せは、高価な白金ベース触媒の性能に匹敵するような、水素原子と触媒表面との強力な相互作用を助ける特殊な活性部位を形成する。
・ 石炭や天然ガスに酸素を加える従来プロセスで生成する化学物質は、CO2 に水素を加える逆化学反応プロセスでも生成できるため、CO2 削減の多大な可能性を提供する。
・ 同触媒試験の初期結果では、最高性能の白金触媒の 2 倍超の反応速度での水素生成を確認。同電気化学プロセスでは、その大部分が 70～176℉(21～77℃)の室温に近い温度下で作用できる。このことが触媒のエネルギー効率を向上させてシステム全体の資本コストを大幅に低減する。
・ 同プロセスについて、UD の Office of Economic Innovation and Partnerships の支援により特許出願済み。商業利用には同プロセスのスケールアップが必要。
・ 今後の研究では、水電解槽のサイズを研究室レベルから商用レベルにスケールアップする方法に取り組む。また、触媒安定性についても試験を実施予定。他の金属との組合せについて研究を続け、性能とコスト間の最も優れたバランスを探求する。
・ 同研究には、米国立科学財団(NSF)、米国航空宇宙局(NASA)および米国エネルギー省(DOE)が資金を提供した。
URL: https://www.udel.edu/udaily/2019/january/greener-hydrogen-catalyst/
(関連情報)
ACS Catalysis 掲載論文(アブストラクトのみ：全文は有料）
Role of Surface Oxophilicity in Copper-Catalyzed Water Dissociation
URL: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.8b01710
＜NEDO海外技術情報より＞
Abstract
Understanding water dissociation on nonprecious metal surfaces is essential toward designing efficient catalysts for important chemical reactions such as water-splitting and carbon dioxide reduction. Hydrogen binding energy (HBE) has been proposed to be a good descriptor to predict hydrogen evolution reaction (HER) activity in alkaline electrolytes. In this work, we showed that although HBE values could predict the HER activity reasonably well, the oxophilicity of the catalyst surface also played a significant role in water dissociation. To elucidate the role of surface oxophilicity, a series of nonprecious copper-based bimetallic materials were systematically studied for HER activity in alkaline conditions. By alloying copper with small amounts of oxophilic transition metals such as Ti, Co, or Ni, a significant enhancement in HER activity was achieved in comparison to pure copper. However, if the HBE was considered as the sole descriptor, the experimentally measured HER activity trend did not match the theoretical trend as predicted by density functional theory (DFT) calculations. Further studies combining both computational efforts and experimental investigation of metal oxide/hydroxide (MO/OH) clusters deposited on Cu surfaces showed that oxygen binding energies (i.e., the oxophilicity of the dopant metal) together with HBEs should be used as descriptors to predict HER activity in alkaline conditions due to the synergistic interactions between copper and the oxophilic metal.
