白金-ニッケル触媒で 20 倍効果的に水素にエネルギーを貯蔵

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(Storing energy in hydrogen 20 times more effective using platinum-nickel catalyst)

2019/11/15 オランダ・アイントホーフェン工科大学 (TU/e)

・ TU/e は中国、シンガポール、日本の研究者らと共同で、ニッケルと白金の合金のナノケージから成る触媒を開発。

・ 太陽光や風力発電等の再生可能エネルギー源から得たエネルギーを、電解槽での水電解で水素として貯蔵する際、また、燃料電池で水素をエネルギーとして使用する際に触媒を使用する。

・ 通常、このような触媒は高価で賦存量が限られる白金から成り、電解槽や燃料電池での大規模利用の際の課題になる。ニッケルと白金を使用した新触媒は、コストを低減して触媒活性を向上させる。

・ 水素生成で鍵となる反応段階におけるニッケルの影響を調査するため、電子顕微鏡による画像をベースとしたコンピューターモデルを開発。量子化学計算により新合金の活性を予測し、新触媒の有効性の根拠を解明した。

・ このような適切な金属の選択に加え、触媒の形状も大幅に変更。水素生成反応では触媒の原子が水と酸素分子に結合する部位が多いほど触媒活性が高まることから、より大きな表面積を提供するナノケージ構造を作製。この構造は、外部と内部の双方からの分子のアクセスを可能にする。

・ また、量子化学計算により、同ナノケージ表面の特定の構造が活性をさらに向上させることを実証。これらのソリューションを組合せた同新触媒では、現行の白金触媒の 20 倍高い活性を確認できた。

・ 実際のアプリケーションでの同触媒の有効性も実証。燃料電池での 50,000 サイクル後も活性の低下がほとんどみられなかった。

・ 同新触媒は、燃料電池車や水電解で利用できるが、長期的には地域毎に導入する冷蔵庫サイズの電解槽に、屋根の太陽光パネルによる発電エネルギーを日中に水素として貯蔵したいと考える。地下のガス管で水素を輸送し、各家庭のセントラルヒーティングボイラーが燃料電池に代わる、太陽光を最も有効に利用する将来を想定。

・ このような電解槽の開発をさらに進め、ブラバント地域の産業パートナーらとのスタートアップ企業にて、現行の商用電解槽から約 10MW の冷蔵庫サイズの電解槽へのスケールアップを目指す。

URL: https://www.tue.nl/en/news/news-overview/storing-energy-in-hydrogen-20-times-moreeffective-using-platinum-nickel-catalyst/

(関連情報)

Science 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)

Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells

URL: https://science.sciencemag.org/content/366/6467/850

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

Development of efficient and robust electrocatalysts is critical for practical fuel cells. We report one-dimensional bunched platinum-nickel (Pt-Ni) alloy nanocages with a Pt-skin structure for the oxygen reduction reaction that display high mass activity (3.52 amperes per milligram platinum) and specific activity (5.16 milliamperes per square centimeter platinum), or nearly 17 and 14 times higher as compared with a commercial platinum on carbon (Pt/C) catalyst. The catalyst exhibits high stability with negligible activity decay after 50,000 cycles. Both the experimental results and theoretical calculations reveal the existence of fewer strongly bonded platinum-oxygen (Pt-O) sites induced by the strain and ligand effects. Moreover, the fuel cell assembled by this catalyst delivers a current density of 1.5 amperes per square centimeter at 0.6 volts and can operate steadily for at least 180 hours.

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