ナノ

Feb 01, 2024

2022 年 12 月 15 日

粒子学による

貴金属であるプラチナは、次世代のよりコンパクトで高性能な水素燃料電池の中心となる化学反応の重要な触媒です。 しかし、プラチナのコストが高いため、この技術の普及が妨げられています。

しかし研究者らは、触媒として使用する白金とコバルトのナノスケール合金を考案し、同等またはそれ以上の性能を達成するために必要な白金の量を大幅に削減した。

この新しいプラチナコバルト電極触媒とその製造に使用された技術の説明は、12 月 15 日付けのジャーナル Particuology に掲載されました。

水素燃料電池は、電池技術を使用して電化することが難しい経済分野、特に重量輸送分野のクリーンな移行に必要となります。 残念なことに、最も一般的に使用される燃料電池であるアルカリ燃料電池は依然として非常にかさばっており、スペースが貴重な船舶や航空などの分野での用途は限られています。

次世代の燃料電池である固体高分子型燃料電池 (PEMFC、高分子電解質膜型燃料電池とも呼ばれる) は、はるかにコンパクトです。

悲しいことに、PEMFCS（酸素還元反応、ORR）に関わる重要な反応で使用される主な触媒（化学反応の速度を上げるのに役立つ物質）は、希少で高価な金属プラチナです。 プラチナの高コストは、すでに PEMFC の広範な普及に対する最大の障壁の 1 つとなっています。 米国エネルギー省のデータによると、現在、燃料電池の白金族金属触媒がコストの 40% 以上を占めています。 実際、世界のプラチナ生産量の半分は自動車産業で使用されています。

「これは、プラチナの高コストが自動車への燃料電池の採用を制限しているにもかかわらず、これ以上広く採用されると、このレアメタルの需要がさらに高まり、価格が上昇するため、問題を悪化させるだけであることを意味します。 」と論文の著者であり、北京化工大学の電気化学者であるZhonghua Xiang氏は述べた。

したがって、燃料電池技術をより広く普及させるには、白金を他の触媒材料に置き換えるか、性能を犠牲にすることなく必要な白金の量を減らすことによって、必要な白金の量をある程度削減することが必然的に必要となる。

後者のアプローチに焦点を当てた研究が数多く行われています。 研究者らは、プラチナとコバルトの合金化に特に焦点を当てており、事実上、同じ結果を達成するために必要なプラチナの量を薄めることになります。 その理由は、さまざまなプラチナとコバルトの合金がより高い「活性表面積」、つまり関連する化学反応が起こる触媒分子上の空間を持っているためです。

しかし、最適な ORR 性能を達成するために合金化の程度を微調整することは依然として大きな課題です。

そこでXiang教授は、ジメチルアミンボラン（DMAB）を還元剤（他の化合物に電子を与える物質）として使用して、白金-コバルト-炭素前駆体（第2の化合物、この場合は白金-コバルト合金を生成する化合物）を合成した。化学反応によるもの）。 この前駆体を水素とアルゴンガスの環境で高温に加熱し、コバルト原子1個に対して白金原子3個を含む白金コバルト合金をナノスケール粒子の形で生成させた。

この特定の白金コバルト合金の電子の構造により、燃料電池の電極の膜表面での大量の活性が可能になります。 その結果、燃料電池の性能が向上し、燃料電池の優れた安定性が実現される。 この後者の利点は、燃料電池の 10,000 サイクル後の性能のわずかな低下によって実証されました。 単一燃料電池内でのさらなるテストにより、そのアプローチが米国エネルギー省の基準の要件を大幅に上回っていることが判明しました。