日本理化學研究所(RIKEN)的研究團隊利用白金/碳奈米複合材料,開發了一項製氫用觸媒。透過使用太陽能或風能等可再生能源進行水電解,將能生產不排放二氧化碳的氫氣。其中尤以高能源效率、高製氫效率的質子交換膜(PEM)水電解,其商機備受市場期待。然而質子交換膜水電解的製氫觸媒須使用高價的貴金屬白金(Pt),因此理化學研究所積極推動研究,期開發出能以較少白金担載量,提高觸媒性能之技術。
理化學研究所選擇了單層奈米碳管(SWCNT)、石墨烯、乙炔黑等3種類的奈米碳材(CNM),並將其個別與水分散性白金奈米粒子(PtNP)混合後進行超音波處理,藉此獲得了由PtNP/SWCNT(C6)、PtNP/石墨烯(Gr5)、PtNP/乙炔黑(AB20)之各複合物組成的水分散液。將得到的複合物以電子顯微鏡進行觀察後,確認直徑約2 nm的PtNP直接附著在CNM的表面。
研究團隊接著將3種水分散液應用做為墨水,透過噴塗形成PEM水電解的陰極。成膜的PtNP/CNM複合材料C6、Gr5、AB20中的Pt担載量為μg量級,分別為6 μgPt/cm2、5 μgPt/cm2、20 μgPt/cm2。此外,研究團隊在陰極的背面噴塗氧化銥,形成陽極膜,製作了PEM水電解用電極。
當對製作之PEM水電解電極施加電壓後,伴隨氫氣產生而生成了電流。在2.0 V下的C6、Gr5、AB20複合物質量活性(每單位質量白金的電流值)分別為89,300 A/gPt、40,400 A/gPtt及17,100 A/gPt。
研究報告中指出,與既有的白金類製氫觸媒相比,製氫的白金担載量約為1/100。此外,這些觸媒的法拉第效率為95~99%,產氫效率與商業Pt/C觸媒處於相同水準。產生的氣體中H2與O2的比例約為2:1,藉此可知是由水電解產生的(2H2O→2H2+O2)。另在常壓、25℃的條件下進行觸媒的穩定性調查後,發現在電流密度100 mA/cm2之際,可連續產生氫氣150小時。
在此次的研究成果中,尤其是C6的Pt担載量(6 μgPt/cm2)僅為市售Pt/C觸媒(2.8 mgPt/cm2)的470分之1,且展現了市售觸媒270倍的高質量活性。此外,C6製氫的運行成本為5.3美元/kg,而在美國能源部以Pt担載量為2 mgPt/cm2的最新製氫觸媒所製作之PEM水電解的運行成本為3.7美元/kg。由化石燃料生產之氫氣的運營成本則為1.5美元/ kg