海水から水素を安価に製造する新触媒を開発(New Catalyst Offers a More Affordable Way to Produce Hydrogen from Seawater)

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2022-09-08 ヒューストン大学(UH)

研究者らは、海水と淡水の両方から水素と酸素を効率的に製造する、1つの化合物に依存する2電極触媒という大きな前進を報告した。
研究者らは、ニッケル/モリブデン/窒素化合物に少量の鉄を加えて調整し、ニッケルフォーム上で成長させて、効率的に水素を発生させた後、サイクル電圧による電気化学再構成のプロセスを経て、同様に強力な酸素発生反応を起こす化合物に変換した。
この新しい触媒は単一の触媒で効率的に操作できるだけでなく、海水でも淡水でも同じように機能する
アルカリ性海水を使用し、準工業的な条件で動作させたところ、この触媒は海水中でわずか1.56ボルトで1,000ミリアンペア/センチメートル四方の電流密度を実現し、80時間の試験でも安定した状態を維持した。
新しい触媒は純粋な酸素を発生させるので、一部の触媒で発生する腐食性の塩素ガスの副産物を避けることができる。
水素発生反応(HER)には鉄を調整したニッケル・モリブデン・窒素化合物という1つの材料を用い、酸素発生反応(OER)にはサイクル電圧によって電気化学的再構成を起こし、酸化鉄・モリブデン・ニッケルという少し変わった材料を用いることで、2つ目の触媒を必要とせず、技術要件も単純になる。
アルカリ性海水を使用し、準工業的な条件で動作させたところ、この触媒は海水中でわずか1.56ボルトで1,000ミリアンペア/センチメートル四方の電流密度を実現し、80時間の試験でも安定した状態を維持した。

<関連情報>

電気化学的再構成によるアルカリ性淡水・海水電解の高効率化 Boosting efficient alkaline fresh water and seawater electrolysis via electrochemical reconstruction

Minghui Ning, Fanghao Zhang, Libo Wu, Xinxin Xing, Dezhi Wang, Shaowei Song,Qiancheng Zhou, Luo Yu, Jiming Bao, Shuo Chen and Zhifeng Ren
Energy & Environmental Science  Published:03 Aug 2022
DOI:https://doi.org/10.1039/D2EE01094A

Abstract

Electrochemical reconstruction is a powerful tool for generating highly active oxygen evolution reaction (OER) catalysts. Utilizing electrochemical reconstruction to fabricate an OER active catalyst based on a hydrogen evolution reaction (HER) catalyst enables the development of a bifunctional catalyst that possesses state-of-the-art HER and OER activity simultaneously. Here we successfully synthesized Fe-doped Ni&Ni0.2Mo0.8N (Fe0.01-Ni&Ni0.2Mo0.8N) on Ni foam and, after rapid electrochemical reconstruction, the Fe-doped Ni&Ni0.2Mo0.8N compound was reconstructed into NiO co-doped with Fe and Mo (Fe0.01&Mo-NiO). The Fe0.01-Ni&Ni0.2Mo0.8N and Fe0.01&Mo-NiO compounds were found to exhibit state-of-the-art HER and OER performance, respectively. Alkaline fresh water/seawater electrolysis was then systematically studied using the two-electrode electrolyzer Fe0.01-Ni&Ni0.2Mo0.8N‖Fe0.01&Mo-NiO. Due to the excellent seawater HER and OER activity of the individual catalysts, the electrolyzer exhibited record-high performance for seawater electrolysis, achieving a current density of 688 mA cm−2 at 1.7 V. Further experiments under quasi-industrial conditions (6 M KOH & seawater, 60 °C) showed that the electrolyzer delivers a current density of 1000 mA cm−2 at the extremely low voltage of 1.562 V, which is only 1.49% higher than that required for fresh water under the same conditions. Stability testing of the electrolyzer showed that it exhibits good durability over 80 h under the harsh industrial conditions. Therefore, the findings in this research promote the development of bifunctional catalysts and address the small performance differences between alkaline fresh water and seawater electrolysis under industrial conditions.

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