Design of Earth-abundant and Robust Water Splitting Electrocatalysts with Autocatalytic Feedback Mechanisms

2021 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 20K15388
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分36020:エネルギー関連化学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 李 愛龍 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 特別研究員 (30854682)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: Electrocatalysts / Redox / Hydrogen

研究成果の概要

Mnは2+から7+までの幅広い酸化状態を持ち、酸化状態を段階的に変化させるとともに、Mn種の個別の酸化還元状態をつなぐ電荷の比例・不均化反応も存在します。Mn酸化物の水分酸化の主な触媒サイクルは、2+、3+、4+の順次酸化還元サイクルであり、正の電位が印加されているときに進行する。しかし、電位が正しすぎると、Mn7+の形でMn酸化物の溶出が起こります。ガイヤール反応はリン酸によって促進される電荷の比例反応であり、Mn2+とMn7+が再結合してMn3+が生成される。新たに生成した価数7+以下のMn種は、OER酸化還元サイクルに再係合し、触媒の安定性に寄与する可能性がある。

自由記述の分野

Chemistry

研究成果の学術的意義や社会的意義

開発したシステムは、太陽電池や風力発電による再生可能な電力を水素、アモルファス、炭化水素などの化学エネルギーに変換するための水電解槽に不可欠な水の酸化を行うことができます。水酸化の酸化環境は最先端のレアメタル触媒をも腐食させ、太陽光や風力エネルギーの断続性により変動する運転電圧のわずかな変化が腐食の動態を著しく悪化させるため、水酸化の酸化還元力を高めることが重要です。しかし、たった1つの酸化還元反応の導入で触媒の寿命が大きく変化することから、触媒研究におけるネットワーク設計の重要性が明らかになりました。