二酸化炭素電解還元用の新しい触媒の開発

2023 年 8 月 11 日

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中国科学技術大学による

炭素回収・利用・貯蔵 (CCUS) 技術の重要な部分として、炭素ベースの燃料および化学物質に対する CO2 削減反応 (CO2RR) は、再生可能エネルギーの貯蔵と CO2 のマイナス排出において幅広い応用の可能性を示しています。

最近、中国科学院（CAS）の中国科学技術大学（USTC）国立放射光実験室のSong Li教授とHe Qun准研究員が率いるチームは、このメカニズムについての新たな理解を発表した。ニッケル (Ni) 単一原子サイト上の CO2RR の変化。 「効率的なCO2電気還元のための非対称二窒素配位ニッケル単一原子サイト」と題された彼らの研究は、Nature Communicationsに掲載された。

理想的な CO2RR 触媒は、生成物に対して低い過電圧と高い電流密度を必要とします。 しかし、金（Au）や銀（Ag）などの従来の触媒はコストが高く、電流密度が低いという特徴があり、通常、Fe、Co、NiなどのAuやAgよりもはるかに高い過電圧を示し、反応効率が制限されます。

したがって、CO2RR 用の貴金属触媒に代わる、過電圧が低く、電流密度が高く、豊富な 3D 金属ベースの触媒を開発することが不可欠です。 これらの課題に対処するために、研究者らは非対称二窒素配位ニッケル単一原子触媒 (Ni-NC) を提案しました。 サイトの不飽和および非対称特性を利用することにより、電気化学プロセス中の構造の自己最適化が達成され、それによって CO2RR におけるサイトの固有の活性が強化されます。

研究では、チームは二窒素配位（ピリジン性窒素およびピロール性窒素）を特徴とするNi-NCを設計および合成し、それを中性およびアルカリ性媒体中でのCO2電気還元反応に利用しました。 放射光 X 線吸収スペクトルと発光スペクトルにより、触媒内の Ni サイトの局所配位構造が明らかになりました。 電気化学試験の結果は、Ni-NC 触媒が中性 (H 型セル) 電解質とアルカリ性 (ガス拡散電極、GDE) 電解質の両方で非常に高い電気化学的性能を達成できることを示しました。

特にアルカリ性条件において、この触媒は可逆水素電極 (VRHE) に対して -0.15 V で 20.1 mA cmgeo-2 の CO 部分電流密度を達成でき、-0.15 ～ - の電位範囲で CO に対して 90% 以上のファラデー効率を達成できました。 0.9 VRHE、および -1.0 VRHE で 274,000 サイト-1 h-1 を超える高いターンオーバー頻度 (TOF) は、報告されているほとんどの触媒を上回ります。

この研究は、CO2 電気還元反応における触媒の役割について新たな理解をもたらし、将来の CO2 削減技術に新たな光を当てることが期待されます。

詳しくは： Yuzhu Zhou ら、効率的な CO2 電気還元のための非対称二窒素配位ニッケル単一原子サイト、Nature Communications (2023)。 DOI: 10.1038/s41467-023-39505-2

雑誌情報:ネイチャーコミュニケーションズ

中国科学技術大学提供