新型合金催化剤が緑色水素の生産における貴金属使用量を減少させ、運行安定性は300時間に達する

ポルトガルのブラガに位置する研究者たちは、新型催化剤を開発し、緑色水素の生産に必要な貴金属の量を減少させる可能性がある。この材料の性能は商業基準を超えており、貴金属含量は基準の半分に過ぎない。国際イベリアナノテクノロジー研究所（INL）のチームは、プラチナ、ニッケル、ルテニウムを合成して合金を作り、プロトン交換膜水電解（PEMWE）用に設計した。研究報告によれば、60 °C（140°F）でこのユニットの安定運行時間は300時間を超えた。この発見は、電解槽の性能を維持しつつ高価な材料への依存を減少させるという課題を解決した。

催化剤の性能が基準を超える

PEMWEは電力を利用して水を水素と酸素に分解する。再生可能電力によって、これは緑色水素生産の道を提供する。しかし、陰極での水素生成反応は、主に希少な白金族金属に依存している。INLのKolen’ko研究チームは、連続流合成反応器を使用してプラチナ-ニッケル-ルテニウムの中熵合金ナノ粒子を生産した。これらの粒子の直径はわずか1.5ナノメートルで、欠陥の多いグラフェンに均一に固定されている。この催化剤の貴金属含量は20.5%であり、商業基準の40%のプラチナ含量と比較して顕著な優位性を示している。

貴金属含量が低いにもかかわらず、いくつかの測定においてその性能は依然として基準を超えている。

単電池PEMWE装置において、この催化剤は1.6ボルトで1平方センチメートルあたり1.0アンペアの電流密度を実現した。催化剤の運行挙動はその性能にとって重要である。最初は、ニッケル酸化物種が粒子表面を覆っている。陰極極化後、これらの酸化物は還元され、金属合金の表面が露出する。この研究の通信著者Sitaramanjaneya Mouli Thalluriは、「催化剤は劣化せず、活性化される。これは直感に反し、長期運行に必要な特性である」と述べている。シンクロトロンX線吸収スペクトルは、表面再構築が電気化学的に駆動されていることを確認した。

60 °C（140°F）という典型的な工業運転温度で、このユニットは300時間を超える間、安定した電圧を維持した。これに対し、商業基準はテスト中に性能の低下が持続的に見られた。

合金の生産プロセスの潜在能力

これらの結果は、合金の表面変化が持続的な活動を支えることができ、安定性を妥協することなく催化性能を向上させる難しさを解決できることを示している。研究者たちはまた、生産プロセスの潜在能力を強調している。著しく異なる還元電位を持つ金属を組み合わせることは挑戦であり、期待される合金を生成するためにはその形成を調整する必要がある。共同通信著者Srinivas Katamは、「連続流合成はここでのゲームチェンジャーである」と述べている。チームは、この反応器が金属の成核を同期させ、大規模生産への道を提供することを指摘している。

INLのKolen’ko研究チームの責任者Dr. Yury V. Kolen’koは、「この研究は、中熵合金が連続流合成によって生産される際、従来の活性と安定性のトレードオフを克服できることを示している」と述べた。研究者たちはまた、この技術が水素生産以外の潜在的な応用を持つことを確認しており、他の電気化学的エネルギー変換技術にも広がる可能性がある。この研究は、ポルトガル復興とレジリエンス計画（PRR）の下で次世代EUフレームワークから資金を受け、Moving2Neutralityイノベーション協定を通じて実施された。

単電池の結果は、大型電解槽システムのさらなる開発の基盤を築いており、貴金属の需要を減少させつつ耐久性を維持することが依然として重要な目標である。この研究は『Chemical Engineering Journal』に発表された。

新型催化剤が緑色水素生産に与える影響

再生可能エネルギーの需要が高まる中、緑色水素の生産は重要な研究分野となっている。この新型催化剤の開発は、希少な貴金属への依存を減少させるだけでなく、安定性と性能の面でも新たな高みを達成した。これは将来の大規模な緑色水素生産にとって重要な意義を持ち、生産コストを削減し効率を向上させることができる。また、この技術の潜在的な応用は他の電気化学的エネルギー変換技術にも広がり、持続可能なエネルギーの発展をさらに推進する可能性がある。