海流MHD発電・水素製造用新規電極の開発に向けた海水電解反応機構と磁場の影響解明

Research Project

Project/Area Number	22K14764
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 36020:Energy-related chemistry
Research Institution	Ochanomizu University
Principal Investigator	青木誠お茶の水女子大学, ラジオアイソトープ実験センター, 特任助教 (40796059)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000) Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	海流MHD発電 / 水素製造 / 海水電解 / 電極表面構造解析
Outline of Research at the Start	本研究は、海流の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する海流MHD発電に着目し、高効率な発電・水素製造用電極の開発指針を得ることを目的としている。海流MHD発電中には電極上で海水電解が進行し水素が生成するため、電力と水素の両方を一挙に取得可能なシステムとして期待できる。しかし、海水電解では塩素などの有害な副生成物が発生するため、副生成物の発生を抑制し水素を効率よく生成する新規電極の開発が必須である。また、海流MHD発電は強磁場下で作動するため、磁場が海水電解反応に影響を及ぼす可能性が高い。本研究では、電極表面構造解析による海水電解反応機構、および海水電解反応に及ぼす磁場の影響を解明する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、海洋再生可能エネルギーを活用した海流MHD（Magneto-Hydro-Dynamics）発電に着目し、海流MHD発電・水素製造用の新規電極の開発指針を得ることを目的としている。海流MHD発電中には海水の電気分解が進行しカソードで水素が発生するため、発電と同時に水素を製造することが可能である。しかし、アノードでは塩化物イオンが関与した副反応が進行し、有害物質発生や電極劣化などの問題を引き起こす。海流MHD発電・水素製造の実用化のためには、海水電気分解反応機構を解明し、水素発生効率向上および副反応の抑制を達成することが必須である。電極反応において重要なファクターである反応活物質の吸着サイトや吸着の強さは、電極表面の原子配列などの電極表面構造に依存する。そこで、白金単結晶電極を用いて3.5 % NaCl水溶液中で電気化学測定を行い、酸化および還元反応の電極表面構造依存性について検討を行った。その結果、Pt(111)に比べPt(100)の方が水素発生反応活性が高く、水素発生電極触媒としては高効率と言えるが、副反応によって生成した残留塩素濃度もPt(100)の方がわずかに高いことが分かった。また、海流MHD発電は強磁場下で進行するため、磁場が海水電気分解反応に影響を及ぼし、水素や有害物質の発生効率が変化すると考えられる。そこで、溶液中のイオンにローレンツ力が働くように設計したチャンネルフロー電気化学セルを使用し、3.5 % NaCl水溶液フロー・磁場印加条件下で電気化学測定を行い、水素発生効率の変化を観測した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は、２種類の白金単結晶電極での電気化学反応測定を行い、海水の電気分解のカソードおよびアノード反応が電極表面構造依存性を確認すること成功している。また、磁場印加条件下での電気化学測定も実施することができた。
Strategy for Future Research Activity	海水電解のアノード反応について、より詳細に検討を行う。アノード反応では、塩化物イオンと水酸化物イオンが関与する酸化反応が起こるので、NaCl濃度を変えた溶液や、塩化物イオンを含まない硫酸ナトリウム水溶液での電気化学測定を行い、Pt(111)とPt(100)電極での残留塩素濃度の違いなどをより定量的に明らかにする。また、磁場印加条件下でも同様の実験を行い、塩化物イオンが関与する反応と、水酸化物イオンが関与する反応それぞれが磁場から受ける影響についても検討する。