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出典: Nature

研究チームは、アンモニアから電気化学的に水素を製造する際、白金触媒の劣化を抑える方法を報告しました。触媒の再生に加え、パルス電解、断続的な酸洗浄、アンモニアの補充を組み合わせ、一定の条件で2000時間を超える水素製造を維持しました。

白金の酸化と窒素による被毒が課題

アンモニアは貯蔵や輸送が容易で、水素を運ぶ物質として利用できます。利用先で電気化学的に分解して水素を得る方法では、電極でアンモニアが酸化される際に、白金系触媒の酸化と窒素による被毒が起こります。これらは触媒の活性と耐久性を制限します。

今回の研究では、原子単位で分散した鉄を含む、窒素を導入した炭素に白金のナノ粒子を担持した触媒「Pt/Fe-NC」を用いました。アンモニア酸化の質量活性は、白金1グラム当たり733アンペアでした。

水を介して窒素を反応可能な中間体に変換

触媒を支える材料から白金への電子移動は、白金の酸化を抑え、反応速度を決める脱水素の段階を速めます。

また、鉄を含む炭素材料は、水の働きを介して触媒を反応中に再生する経路を促します。この経路では、触媒を被毒させる窒素に水素が付加され、窒素と水素を含む反応性の中間体になります。中間体は、その後の二量化に関わります。

電流密度を変えた2条件で運転

水素製造の試験では、触媒にパルス電解を組み合わせ、酸洗浄とアンモニアの補充を行いました。電流密度が1平方センチメートル当たり10ミリアンペアの条件では2000時間を超え、同1.5アンペアの条件では500時間、水素製造を維持しました。

熱を使う分解と電気化学分解

アンモニアから水素を取り出す方法には、触媒を使って高温で分解する方法もあります。この方法では、ニッケルやルテニウムを基にした固体触媒が一般に使われます。一方、電気化学分解はより低い温度で動作し、電力を直接供給できます。