2021 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of an advanced catalyst for hydrogen evolution reaction
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19K05379
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
三輪 寛子 電気通信大学, 燃料電池イノベーション研究センター, 特任准教授 (90570911)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素生成反応 / Ni2P / 表面構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は、Ni2P(10-10)面に形成する1x1構造上では当初期待していたようなPtを大幅に上回る活性を見出すことが容易ではないことがわかった。これは、当初水素の結合エネルギーから高活性と期待していたP終端表面では、表面を終端しているPと水素原子との結合と比べ、同Pと表面第二層のNiとの結合が弱いため、水素生成よりPH3脱離が優先してしまうためだと考えられる。Pが脱離しNiが露出した表面では、水素の吸着エネルギーを指標とするとそれほど高い水素生成能は期待できないことを我々は第一原理計算から既に示している。複雑な表面構造を形成する金属―典型元素化合物では、水素生成反応中に表面構造が変化することもあるため、一般的に用いられているような水素吸着エネルギーを指標としたvolcano plotから単純に触媒活性を予測することはできず、その反応経路も含めて検討する必要があることが示された。本研究のもう一つの目的は、水素生成反応の機構を解明することであるので、既に高い活性が知られているPtナノ粒子の電気化学条件下での表面状態を明らかとするためオペランド条件でのXAFS測定と第一原理計算を行った。Pt単結晶表面上では、その構造と吸着種の状態が広く研究され、既にわかっていることも多いが、実際触媒として用いられるPtナノ粒子の構造やエッジ、コーナーなどの局所構造の活性予測などはほとんど進んでいない。Pt粒子が劣化すると水酸基の吸着量が増え、一方で水素の吸着量が減少することがわかった。これらの相関の理解は、更なる第一原理計算による検討が必要であるが、Pt粒子の構造の制御が水素生成能の向上に必要であると考えられる。今後、Pt粒子の準安定構造を含め、様々な構造について、水素の吸着状態を明らかとしていくことが課題と考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定通り、Ni2P表面の活性比較をし、現状最も水素生成活性の高い物質の一つであるPtの活性と比較した。その結果、Ni2P表面でPtと比べても高い活性を示すと予測した(10-10)表面１ｘ１構造上でも、Ｐｔほどの活性は示さないことがわかった。また、その原因を第一原理計算の結果から示すことができたため、当初の目標を通り進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
他の水素生成反応に活性の高い物質について（Ｐｔナノ粒子など）、これまでNi2Pで示したように局所構造がどのように反応活性に寄与しているかを示していきたいと考えている。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルスの影響で当初計上していた実験旅費、及び、学会参加旅費を使用しなかったが、その分は次年度参加する予定である。
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