Development of Chlorine-Free Seawater Electrolysis based on the Control of Oxygen Vacancies in Layered Manganese Dioxide

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02844
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: Nakayama Masaharu 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (70274181)
• 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 (00582206) ; 藤井 健太 山口大学, 大学院創成科学研究科, 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)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 海水電解 / 二酸化マンガン / 酸素欠陥 / 酸素発生反応 / 塩化物イオン酸化反応

Outline of Final Research Achievements

Oxygen evolution reaction (OER) is thermodynamically more favorable than chloride ion oxidation reaction (COR), but kinetically less favorable. Therefore, in electrolysis of chloride-containing solutions, chlorine-containing oxidized species (e.g., Cl2) are preferentially generated. In this study, selective OER was achieved in an aqueous NaCl solution by means of a thin film of manganese dioxide with oxygen vacancies. X-ray photoelectron spectroscopy revealed that oxygen vacancies started to form at 200℃, accompanied by a decrease in the valence of Mn in the oxide. X-ray diffraction and X-ray absorption fine structure data suggest that the stacking structure of Na|MnO2 formed during electrodeposition was disrupted above 300℃, and that the MnOx sheets with oxygen vacancies led to improved catalytic activity and selectivity for the OER.

Free Research Field

電気化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

水の電気分解による水素製造はCO2を発生しない理想のプロセスであり，電力源に再生可能エネルギーを使えば，間欠性の再エネを水素に変換して貯蔵できる。現在，水電解には真水が必要なため，水電解が大規模導入された場合は，いずれ枯渇という問題に直面する。そこで，本研究では無尽蔵に存在する海水の直接電解によって水素を製造することを目的とした。海水を従来の電極で電解すると，陽極から塩素ガスが発生する。塩素は毒性・腐食性を有するため，水素製造が目的の場合は，塩素の代わりに酸素が発生する方が好ましい。本研究では，酸素欠陥の導入により，単一物質（触媒）の特異な反応選択性によって塩素を出さない海水電解に成功した。