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まったく新しい、安価な触媒が水からの酸素の生成をスピードアップ

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(oneechanblog) – 図は、水分子(右は酸素原子が赤、2つの水素原子は白)を酸素分子(左)に分割する電気化学反応を示しています。これは、チームの金属水酸化物有機フレームワークの構造内で発生します。上部と下部の格子。 クレジット:研究者の礼儀

この材料はレアメタルに取って代わり、カーボンニュートラル燃料のより経済的な生産につながる可能性があります。

水分子を分解して酸素を生成する電気化学反応は、輸送用の代替燃料を生成することを目的とした複数のアプローチの中心です。 しかし、この反応は触媒材料によって促進される必要があり、今日のバージョンでは、イリジウムなどの希少で高価な元素を使用する必要があり、そのような燃料生産の可能性が制限されています。

今、の研究者

MITや他の場所では、安価で豊富な成分でできている金属水酸化物-有機フレームワーク(MHOF)と呼ばれるまったく新しいタイプの触媒材料を開発しました。材料ファミリーにより、エンジニアは特定の化学プロセスのニーズに合わせて触媒の構造と組成を正確に調整でき、従来のより高価な触媒の性能に匹敵するか、それを超えることができます。

調査結果は、2022年2月24日、ネイチャーマテリアルズ誌、MITのポスドクShuai Yuan、大学院生のJiayu Peng、Yang Shao-Horn教授、YuriyRomán-Leshkov教授など9名の論文に記載されています。

酸素発生反応は、燃料、化学物質、および材料の電気化学的生産に共通する反応の1つです。これらのプロセスには、酸素発生の副産物としての水素の生成が含まれます。水素は、燃料として直接使用することも、化学反応を起こして他の輸送用燃料を生成することもできます。肥料または化学原料として使用するためのアンモニアの製造。排出量を抑えるための二酸化炭素の削減。

しかし、助けがなければ、「これらの反応は鈍いです」とShao-Hornは言います。 「反応速度が遅い反応の場合、反応速度を上げるために電圧またはエネルギーを犠牲にする必要があります。」余分なエネルギー入力が必要なため、「全体的な効率は低くなります。だから人々は触媒を使うのです」と彼女は言います。これらの材料はエネルギー入力を下げることによって自然に反応を促進するからです。

しかし、これまで、これらの触媒はすべて、「酸化物イリジウムなどの非常に希少な高価な材料または後期遷移金属に依存しており、同じものを含む地球に豊富な材料に基づく代替品を見つけるためにコミュニティで大きな努力が払われてきました。活動と安定性の観点からのパフォーマンス」とRomán-Leshkovは言います。チームは、まさにその特性の組み合わせを提供する材料を見つけたと言います。

他のチームは、ニッケル-鉄水酸化物などの金属水酸化物の使用を検討している、とRomán-Leshkovは言います。しかし、そのような材料は、特定のアプリケーションの要件に合わせて調整することは困難でした。しかし今では、「私たちの仕事が非常にエキサイティングで関連性が高い理由は、これらの金属水酸化物を独自の方法でナノ構造化することにより、特性を調整する方法を見つけたからです。」

チームは、有機リンカー分子で結合された金属酸化物ノードでできた一種の結晶構造である金属有機フレームワーク(MOF)として知られる関連クラスの化合物について行われた研究から借用しました。そのような材料の金属酸化物を特定の金属水酸化物で置き換えることにより、チームは、触媒として潜在的に有用であるために必要な安定性も備えた正確に調整可能な材料を作成することが可能になりました。

「これらの有機リンカーのこれらの鎖を隣り合わせに配置すると、実際には、これらの有機リンカーと相互接続され、積み重ねられ、より高い安定性を持つ金属水酸化物シートの形成が指示されます」とRomán-Leshkov氏は言います。これには、ナノ構造のパターン化を正確に制御できること、金属の電子特性を正確に制御できること、さらに安定性が向上し、長期間の使用に耐えられることなど、複数の利点があると彼は言います。

そのような材料をテストしたところ、研究者たちは触媒の性能が「驚くべき」ものであることに気づきました、とShao-Hornは言います。 「これは、酸素発生反応を触媒する最先端の酸化物材料に匹敵します。」

チームはまだ完全な経済分析を行っていませんが、主にニッケルと鉄で構成されているため、これらの材料は既存の触媒よりも少なくとも100倍安価であるはずだと彼らは言います。

この材料ファミリーは、「水分解を触媒してエネルギー入力を減らして水素を生成するための活性部位を調整するための新しいスペースを実際に提供します」とShao-Hornは、そのような触媒が必要な特定の化学プロセスの正確なニーズを満たすために言います。

材料は、化合物のニッケルの代わりに異なる金属を使用するだけで、既存のニッケルベースの触媒よりも「5倍優れた調整可能性」を提供できるとPeng氏は言います。 「これは、将来の発見に関連する多くの手段を提供する可能性があります。」材料は非常に薄いシートで製造することもでき、それを別の材料にコーティングすることで、このようなシステムの材料費をさらに削減できます。

これまでのところ、材料は小規模の実験室試験装置で試験されており、チームは現在、プロセスを商業的に適切な規模に拡大しようとする問題に取り組んでいます。数年。 しかし、Shao-Horn氏によると、このアイデアには、クリーンで排出物のない水素燃料の生産を促進する大きな可能性があります。これにより、「貴金属の入手可能性に制約されることなく、このプロセスから水素のコストを削減できます。 。 スケーリング可能な水素製造技術が必要なので、これは重要です。」

参考:「酸素発生を触媒するための調整可能な金属水酸化物-有機フレームワーク」、Shuai Yuan、Jiayu Peng、Bin Cai、Zhehao Huang、Angel T. Garcia-Esparza、Dimosthenis Sokaras、Yirui Zhang、Livia Giordano、Karthik Akkiraju、Yun Guang Zhu、 RenéHübner、Xiaodong Zou、YuriyRomán-Leshkov、Yang Shao-Horn、2022年2月24日、NatureMaterials。
DOI:10.1038 / s41563-022-01199-0

研究チームには、MIT、スウェーデンのストックホルム大学、SLAC国立加速器研究所、ドイツのドレスデンにあるイオンビーム物理材料研究所の他のメンバーが含まれていました。 作品は豊田研究所の支援を受けました。

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