ナノ構造ニッケルシリサイドはグリーン水素の可能性を示す

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風や太陽からの電気エネルギーは、優れた燃料およびエネルギー媒体である水素に化学エネルギーとして貯蔵できます。 ただし、その前提条件は、安価な触媒を使用して水を効率的に電気分解することです。 アノードでの酸素発生反応に関しては、ナノ構造ニッケルシリサイドによって効率が大幅に向上することが期待されています。 これは、CatLab 研究プラットフォームの一部として、HZB、ベルリン工科大学、ベルリン自由大学のグループによって、特に BESSY II での測定により実証されました。

電気分解は、学校の化学の授業でおなじみの概念かもしれません。2 つの電極を水に浸し、電圧をかけます。 この電圧により、水分子がその成分に分解され、電極でガスの泡が上昇します。陽極では酸素ガスが形成され、陰極では水素の泡が形成されます。 電気分解は、必要な電力が太陽や風力などの化石を含まないエネルギー形態によって生成される限り、CO2 ニュートラルな方法で水素を生成することができます。

唯一の問題は、これらの反応があまり効率的ではなく、非常に遅いことです。 反応をスピードアップするために、白金、ルテニウム、イリジウムなどの貴金属や希少金属をベースにした触媒が使用されます。 しかし、大規模に使用するには、そのような触媒は広く入手可能で非常に安価な元素で構成されなければなりません。

アノードでの酸素発生反応を加速するには、ニッケルベースの材料が良い候補と考えられます。 ニッケルは腐食に強く、毒性がほとんどなく、また安価です。 しかしこれまで、ニッケルベースの触媒材料の製造には、エネルギー集約型の高温プロセスが主に使用されてきました。

Prashanth Menezes 博士 (HZB/TU ベルリン) が率いるチームは、ニッケル - シリコン金属間化合物ナノ結晶をベースにした効率的な触媒を製造する「ソフトケミカル」方法を発見しました。

「私たちはニッケルという元素を、地球の地殻で2番目に豊富な元素であるシリコンと組み合わせ、化学反応によってナノ構造を実現しました。得られた材料は優れた触媒特性を持っています。」とメネゼス氏は言います。 結晶性Ni2Siは、アノードでのアルカリ酸素発生反応の前触媒として機能し、動作条件下で表面変態を受けて活性触媒として水酸化ニッケル(オキシ)を形成します。 注目すべきことに、水の電気分解は付加価値のある有機酸化反応とさらに組み合わされており、温和な条件下で選択的かつ完全な変換により第一級アミンから工業的に価値のあるニトリル化合物の電気合成が生成されます。 このような電気合成法は、カソードでの水素の生成を促進することができ、同時にアノードで貴重な工業製品へのアクセスを提供することができます。

ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、イリジウムをベースとした最新の触媒と比較して、ナノ多孔質 Ni2Si は活性が大幅に高く、工業レベルの条件でより長い反応時間にわたって安定性を保ちます。 Ni2Si の挙動をより詳細に理解するために、チームは、BESSY II での元素分析、電子顕微鏡、最新の分光測定など、さまざまな測定方法を組み合わせました。 「将来的には、工業用アルカリ水電解装置にもこのナノ多孔質ニッケルシリサイドのコーティングが装備される可能性があります」とメネゼス氏は言う。

参考文献: Mondal I、Hausmann JN、Vijaykumar G、他。 陽極酸素発生反応および第一級アミンの選択的脱水素用のナノ構造金属間ニッケルシリサイド（プレ）触媒。 アドバンスエナジーマット。 2022;12(25):2200269。 土井:10.1002/aenm.202200269

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