高濃度CoNi-C界面による効率的なアルカリ水電解水素発生

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• 触媒

背景:

• 持続可能なエネルギー技術には、効率的な水素発生反応（HER）が不可欠である。
• 従来の金属-炭素界面は、触媒活性を制限する低濃度であることが多い。
• 界面密度を高める戦略の開発は、HER性能を向上させる鍵である。

研究 の 目的:

• 高濃度CoNi合金-炭素界面を持つ自立型電極を設計すること。
• 前駆体サイズ工学が金属分散と界面密度に及ぼす影響を調査すること。
• アルカリ媒体およびアニオン交換膜水電解装置（AEMWE）における開発された電極のHER性能と安定性を評価すること。

主な方法:

• ZIF-67とNi(NO3)2およびトリメシン酸の電気めっきにより、調整可能なCo、Ni含有トリメシン酸（Co$_{x}$Ni-BTC）前駆体を合成した。
• 前駆体を熱分解して、制御された界面濃度のCo$_{x}$Ni-C/NF電極を形成した。
• HER性能（過電圧、Tafel傾斜）の電気化学的特性評価および長期安定性試験。
• 強化されたHERのメカニズムを解明するための密度汎関数理論（DFT）計算。

主要な成果:

• 前駆体サイズ工学により、ニッケルフォーム（Co$_{x}$Ni-C/NF）上に高濃度CoNi-炭素界面（最大4%）を達成した。
• Co$_{50}$Ni-C/NF電極は、1 M KOH中で優れたHER性能を示した：低過電圧（10 mA cm$^{-2}$で30 mV）、Tafel傾斜（45.1 mV dec$^{-1}$）、および72時間の安定性。
• AEMWEでは、Co$_{50}$Ni-C/NF||RuO$_{2}$/NFシステムは1.93 Vで0.5 A cm$^{-2}$を達成し、0.2 A cm$^{-2}$で100時間安定性を維持した。

結論:

• 高濃度界面を持つ開発されたCoNi-C/NF電極は、アルカリHER性能と耐久性を大幅に向上させる。
• 前駆体サイズ工学は、触媒における金属分散と界面密度を制御するための効果的な戦略である。
• DFT計算は、密な界面が導電性、水の吸着、水素発生速度を改善することを確認し、高度なHER電極のための有望なルートを提供する。