2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Chlorine-Free Seawater Electrolysis based on the Control of Oxygen Vacancies in Layered Manganese Dioxide
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20H02844
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
中山 雅晴 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (70274181)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 真明 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授(テニュアトラック) (00582206)
藤井 健太 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (20432883)
隅本 倫徳 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (40414007)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 積層二酸化マンガン / 塩素発生 / 酸素発生 / 海水電解 / 酸素選択性 / 塩素フリー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
化石燃料の枯渇と環境懸念から、エネルギーキャリアとしての水素の重要性が増している。再生可能エネルギー由来の電力を使った水の電気分解による水素製造は二酸化炭素を発生しない理想のプロセスである。その際、無尽蔵に存在する天然の電解質、すなわち、海水から水素を製造できれば、水電解の優位性は一気に高まる。しかし、既存の電極を使った海水電解では、カソード(陰極)では水素が、アノード(陽極)では塩化物イオンの酸化による塩素が主に生成する。これは塩化物イオンの酸化が水の酸化よりも速度論的にはるかに有利なためである。これまで塩化物イオン存在下での選択的酸素発生はほとんどの場合、i)海水にアルカリを添加する方法、ii)触媒層(イリジウム酸化物など)と塩化物イオンを排除する層を組み合わせる方法のどちらかによって達成されてきた。本研究では、アルカリを添加しない塩水中、単独で酸素選択性を有する電極触媒の合成を目指し、87%という高い酸素発生効率を達成した。電極触媒は、電気化学法により導電性基板上に作製した、ナトリウムをインターカレートした積層二酸化マンガンを300℃以上で加熱処理することにより調製した。X線光電子分光、X線回折、X線吸収分光法により、熱処理後は積層構造が崩れ(乱層化)、酸素欠陥が導入されていることが明らかになった。酸素および塩素発生効率はヨウ素滴定法とオンラインガスクロマトグラフィーにより決定した。
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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
積層二酸化マンガンを電気化学法により作製し、熱処理を施すことにより触媒を調製した。この触媒を使った塩水(0.5M NaCl)の電気分解において、酸素発生割合を90%以上まで増大させることができた。これは酸化イリジウムや酸化ルテニウムなどの一般できな電極触媒よりもはるかに高い。構造解析も進んでおり、酸素選択性の要因を特定することができた。以上より、(2)と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)新規触媒の開発 二酸化マンガン以外に、ニッケル鉄酸化物やルテニウム酸化物の海水電解への適用を試みる。作製法は電析に拘らず、焼結法などを採用する。
(2)pHおよび塩化物イオン濃度の影響 電解液中の塩濃度やpHが酸素発生選択性に与える影響を解明する。各触媒の酸素および塩素過電圧をpHや塩濃度の関数として整理する。
(3)酸素選択性の発現メカニズムの解明 オペランド観測により、酸素発生選択性の起源を明らかにする。
(4)耐久性試験 定電流電解を行い、電位および酸素/塩素発生効率の経時・経日変化を追跡し、耐久性を調査する。また、劣化メカニズムを調べ、長寿命化を目指す。
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Research Products
(3 results)
