水素製造のためのより良いソリューションは表面にあるかもしれない

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ペロブスカイト酸化物、その変化する表面層、OER に対して活性な鉄種の間の独特な相互作用は、活性で安定した材料の設計に新たな道を切り開き、効率的で手頃なグリーン水素生産に一歩近づきます。クレジットアルゴンヌ国立研究所

要約：
水素燃料によって推進されるクリーンエネルギーの未来は、水を確実かつ効率的に分解する方法を見つけ出すかどうかにかかっています。それは、たとえ水素が豊富に存在するとしても、それはそれを含む別の物質に由来する必要があるためです。そして今日、その物質は多くの場合メタンガスです。科学者たちは、化石燃料を使用せずにこのエネルギーを運ぶ元素を分離する方法を模索しています。そうすれば、例えばテールパイプから水と暖かい空気だけを排出する水素燃料自動車への道が開かれることになる。

水素を作るためのより良い解決策は、表面だけにあるかもしれません

イリノイ州アルゴンヌ |投稿日: 9 年 2021 月 XNUMX 日

水、つまり H2O は水素と酸素を結合します。この化合物からは分子状水素の形の水素原子を分離する必要があります。そのプロセスは、酸素発生反応 (OER) という重要な (しかし多くの場合遅い) ステップに依存します。 OER は水から酸素分子を解放するものであり、この反応を制御することは、水素の生成だけでなく、電池で見られるものを含むさまざまな化学プロセスにとって重要です。

「酸素発生反応は非常に多くのプロセスの一部であるため、ここでの適用範囲は非常に広いです。」 — ピエトロ・パパ・ロペス、アルゴンヌ研究員助手

米国エネルギー省（DOE）のアルゴンヌ国立研究所の科学者らが主導した研究は、OERを高速化するための有望な材料であるペロブスカイト酸化物の形状変化の性質を解明した。ペロブスカイト酸化物には、同様の結晶構造を持つさまざまな化合物が含まれます。これらは通常、A サイトにアルカリ土類金属または La や Sr などのランタニドを、B サイトに Co などの遷移金属を含み、式 ABO3 で酸素と結合しています。この研究は、再生可能燃料の製造だけでなく、エネルギーの貯蔵にも使用できる新しい材料の設計に使用できる洞察を提供します。

ペロブスカイト酸化物は OER を引き起こす可能性があり、同様に機能するイリジウムやルテニウムなどの貴金属よりも安価です。しかし、ペロブスカイト酸化物はこれらの金属ほど活性ではなく（言い換えれば、OERの加速に効率的ではなく）、ゆっくりと劣化する傾向があります。

「これらの材料がどのようにして活性で安定するのかを理解することは、私たちにとって大きな原動力でした」と、この研究を主導したアルゴンヌ大学材料科学部門の科学助手ピエトロ・パパ・ロペス氏は語った。「私たちは、これら 2 つの特性の関係と、それがペロブスカイト自体の特性にどのように関係するのかを探りたかったのです。」

これまでの研究は、ペロブスカイト材料のバルク特性と、それらが OER 活動にどのように関連するかに焦点を当ててきました。しかし、研究者たちは、この話にはもっと何かがあるのではないかと考えました。結局のところ、周囲と反応する材料の表面は、他の部分とは完全に異なる場合があります。このような例は自然界のいたるところにあります。半分に切ったアボカドを考えてください。空気に触れた部分はすぐに茶色になりますが、中は緑色のままです。ペロブスカイト材料の場合、バルクとは異なる表面は、その特性を理解する方法に重要な影響を与える可能性があります。

水を水素と酸素に分解する水電解装置システムでは、ペロブスカイト酸化物が水と特殊な塩種からなる電解質と相互作用し、装置の動作を可能にする界面を形成します。電流が印加されると、その界面が水の分解プロセスを開始する上で重要になります。「材料の表面は、酸素発生反応がどのように進行するかについて最も重要な側面です。どのくらいの電圧が必要か、どのくらいの量の酸素と水素が生成されるかです」とロペス氏は言う。

ペロブスカイト酸化物の表面は他の材料と異なるだけでなく、時間の経過とともに変化します。「電気化学システムに入ると、ペロブスカイトの表面は進化し、薄いアモルファス膜に変わります」とロペス氏は言う。「最初に作った素材とまったく同じということはありません。」

研究者らは、理論計算と実験を組み合わせて、OER 中にペロブスカイト材料の表面がどのように変化するかを調べました。これを正確に行うために、彼らはランタンコバルト酸化物ペロブスカイトを研究し、より反応性の高い金属であるストロンチウムをランタンに「ドーピング」することで調整しました。最初の材料に追加されるストロンチウムが多ければ多いほど、その表面はより速く進化し、OER に対して活性化します。このプロセスを研究者は透過型電子顕微鏡で原子分解能で観察することができました。研究者らは、ストロンチウムの溶解とペロブスカイトからの酸素損失がこの非晶質表面層の形成を促進していることを発見しました。これは、DOE科学局のユーザー施設であるナノスケール材料センターを使用して実行された計算モデリングによってさらに説明されました。

「なぜペロブスカイトがOERに対して活性を示すのかを理解するために最後に欠けていた部分は、電解質中に存在する少量の鉄の役割を探ることでした」とロペス氏は述べた。同じ研究者グループは最近、微量の鉄が他のアモルファス酸化物表面の OER を改善できることを発見しました。ペロブスカイト表面がアモルファス酸化物に変化することが判明すると、なぜ鉄がそれほど重要なのかが明らかになりました。

「計算機研究は、科学者がペロブスカイト表面と電解質の両方が関与する反応機構を理解するのに役立ちます」とアルゴンヌ大学の物理学者で研究共著者のピーター・ザポル氏は述べた。「私たちは、ペロブスカイト材料の活性と安定性の両方の傾向を促進する反応機構に焦点を当てました。これは、活動の原因となる反応メカニズムのみに焦点を当てる傾向がある計算研究では通常行われません。」

この研究では、ペロブスカイト酸化物の表面が、厚さわずか数ナノメートルのコバルトに富んだ非晶質膜に変化したことが判明した。電解質中に鉄が存在すると、鉄は OER の加速に役立ち、コバルトを豊富に含む膜は鉄に安定化効果をもたらし、鉄を表面で活性に保ちました。

この結果は、ペロブスカイト材料を設計するための新しい戦略の可能性を示唆しています。ロペス氏によると、より安定し、OER を促進できる 2 層システムを作成することも想像できるとのことです。

「OER は非常に多くのプロセスの一部であるため、ここでの適用範囲は非常に広範です」と Lopes 氏は言います。「材料のダイナミクスとその表面プロセスへの影響を理解することで、エネルギー変換および貯蔵システムをより優れ、より効率的かつ手頃な価格で実現できるようになります。」

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この研究は、Journal of the American Chemical Society の 24 月 XNUMX 日の表紙で発表され強調された論文「酸素進化中のペロブスカイト材料の表面進化からの動的安定活性部位」に記載されています。 Lopes と Zapol に加えて、共著者には Dong Young Chung、Hong Zheng、Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins、Dusan Strmcnik、Vojislav Stamenkovic、Nenad Markovic、およびアルゴンヌの John Mitchell が含まれます。イリノイ大学シカゴ校のXue Rui氏とRobert Klie氏。そしてバルパライソ大学の何海英氏。この研究はDOEの基礎エネルギー科学局から資金提供を受けました。

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アルゴンヌ国立研究所について
アルゴンヌ国立研究所は、科学技術における差し迫った国家問題の解決策を模索しています。国内初の国立研究所であるアルゴンヌは、事実上すべての科学分野で最先端の基礎および応用科学研究を行っています。アルゴンヌの研究者は、何百もの企業、大学、連邦、州、地方自治体の研究者と緊密に協力して、特定の問題を解決し、アメリカの科学的リーダーシップを高め、国のより良い未来に備える手助けをしています。 60か国以上からの従業員を擁するアルゴンヌは、米国エネルギー省科学局のUChicago Argonne、LLCによって管理されています。

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