韓国の研究者たちは、新しいタイプのプラチナ-ニッケル触媒を開発しました。この触媒は、連続運転3000時間の条件下でもほぼすべての性能を維持でき、これは水の電解とグリーン水素の生産が直面する最大の課題の一つを解決する可能性があります。この触媒は原子レベルの構造を採用しており、運転中にニッケルが溶解するのを防ぎます。このプロセスは、従来の触媒が時間とともに劣化する原因となります。大規模な三電池電解スタックでテストした結果、この新しい材料は約4か月の連続運転で性能が2%未満に低下しました。研究者たちは、この方法が触媒の寿命を延ばし、メンテナンスと交換コストを削減し、再生可能エネルギーを使用してより商業的に実行可能な水素生産システムを開発するのを支援できると説明しています。
新型プラチナ-ニッケル触媒の開発が水素生産効率を向上
触媒の原子レベルの変化がその効率を高めています。この触媒は陰イオン交換膜水電解（AEMWE）技術のために開発されており、この技術はアルカリ環境で水を分解して水素を生成します。AEMWEが注目される理由は、特定の従来の電解技術と比較して、高価な貴金属への依存を減らすことができるからです。課題は、水素生成反応がアルカリ環境では遅いため、高い活性を提供できる触媒が必要であり、性能を迅速に失わないことです。従来のプラチナ-ニッケル触媒は初期の性能は良好ですが、運転時間が延びるにつれてニッケルが徐々に溶解します。
ニッケルの流出は材料の成分と電子構造を変化させ、触媒性能を低下させます。
韓国材料科学研究院（KIMS）の研究者たちは、原子の配置を変更することでこの問題を解決しました。彼らはプラチナとニッケルをランダムに混合するのではなく、2つの元素が格子内で明確な位置を占める秩序ある金属間構造を作成しました。計算モデルは、この配置がニッケルの溶解に対する抵抗を高めることを示しています。この材料は低温で合成され、その後窒素雰囲気中で熱処理されます。このプロセスにより、初期の無秩序なプラチナとニッケルの原子がより安定した秩序構造に再編成されます。
4か月の連続水素生産テストでは、従来の触媒と秩序あるバージョンとの間に顕著な違いが示されました。耐久性テストの結果、従来の材料は元のニッケルの約54%を失ったのに対し、秩序ある触媒は約9%しか失いませんでした。研究者たちはその後、実験室規模のテストを超え、触媒を大規模な三電池スタックに統合しました。活性面積は約99平方インチです。このシステムは3000時間連続運転し、約4か月の耐久性はグリーン水素の経済性にとって重要です。
触媒の交換とメンテナンスは、特に電解槽が大規模に展開され、再生可能エネルギー源に接続されると、運用コストを大幅に増加させる可能性があります。これにより、変動する運転条件が導入される可能性があります。研究者たちは、この技術が最終的に再生可能エネルギー駆動の水素施設、分散型電解槽、大型電解スタックに適用できると述べています。さらに、原子秩序のアプローチは水素生産以外にも拡張できる可能性があります。チームは、同じ原子秩序戦略が他のプラチナ-遷移金属触媒、燃料電池、電気化学エネルギーシステムにも適用でき、耐久性と性能を改善し、長期運転中の材料の劣化を減少させる可能性があると考えています。