新開發可穩定進行水電解之錳觸媒

 

刊登日期:2019/4/29
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日本理化學研究所在一項國際共同研究中,開發了一項可以穩定進行水電解的錳(Mn)觸媒。研究團隊透過水電解反應的可視化技術,對觸媒的劣化機制進行調查,因此特定出不會溶出氧化錳的反應條件,並藉此透過調整反應環境,成功地達到了非貴金屬類觸媒之最高活性的水電解。由於顛覆了錳等水電解觸媒在有氧環境下立即溶出的一般常識,將可望有助於開發不須仰賴稀有元素之水電解技術。

由於石化燃料的大量消費,造成環境破壞的深刻化,因此在落實環境友善的能源轉換技術中,人工光合作用也受到高度矚目。為了實現人工光合作用的研發,最重要的就是水電解反應,然而為了有效率地進行水電解反應,銥(Ir)等稀有金屬觸媒是必要的。若利用鐵或錳等豐富存在的非貴金屬做為觸媒的話,則因活性低而有立即分解、劣化的問題。

此次研究團隊則是著眼於氧化錳(MnO2),透過熱分解法,在氟摻雜氧化錫(Fluorine-doped Tin Oxide)電極上進行合成,做為作用電極進行水電解反應的特性評估。研究中使用了水電解反應之反應路徑可視化技術,進而發現了可以穩定地進行水電解電壓範圍的存在(相對於做為基準的可逆氫電極(Reversible Hydrogen Electrode;RHE)為1.6~1.75 V)。研究團隊則以此穩定電位範圍為基礎,對反應環境進行調整之後,成功地以非貴金屬類的觸媒在世界最高的活性(為了製作出電流密度10 mA∕cm2的水電解電流,必要的過電壓為489 mV)進行了水電解。

此外,經過實證實驗,新觸媒在同樣條件下持續了11個月以上的活性。除此之外,應用做為固體高分子型水電解槽的觸媒使用,確認可以能源轉換效率約70%,從真水製作出氫氣與氧氣達350小時(約15天)。


資料來源: 化學工業日報 / 材料世界網編譯
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