ナノコンポジット

2023 年 8 月 30 日のダイアログ

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アンクル・クマールとササンカ・デカ著

化石燃料に基づく従来のエネルギー資源の減少とそれに関連する環境への影響は、再生可能エネルギー資源の開発に世界中で注目を集めています。 これらの再生可能エネルギー資源は、世界の人口全体のエネルギー需要を満たさない可能性があります。 ただし、化石燃料の燃焼によって引き起こされる温室効果ガスや大気汚染の影響は制限されます。 代替資源の中で、水素は最もクリーンなエネルギー媒体であると考えられています。

しかし、水素は酸素のように純粋な状態で自然界には存在せず、天然ガス（メタン）、石炭、バイオマス、水などの水素含有資源から改質、熱分解、電気分解などにより製造する必要があります。 しかし、天然ガス、石炭、バイオマスからの水素の製造は、温室効果ガスである二酸化炭素（CO2）の排出につながります。

私たちは、水 (H2O) が水素原子と酸素原子からできていることを知っています。 したがって、海水は無限の水素源である可能性があります。 したがって、水素は化石燃料の代替となる可能性があると考えられています。 再生可能エネルギー（風力、太陽光、水力、波力などを使用）による発電は「グリーン水素」と呼ばれます。 このシナリオでは、堅牢な電極触媒の表面にある電解槽で再生可能電力を使用して水を水素と酸素に分解することが提案された技術の 1 つです。

この分野の進歩にもかかわらず、手頃な価格のグリーン水素を生成するための水を吐き出すプロセスは、効率的な電極触媒に関連する制限により依然として停滞している。 理論上、水は 1.23 V で分解します。しかし、実際には、この値は 1.5 V より大きくなります (追加のエネルギーの無駄を意味します)。 この最小エネルギーは理論的には水分子を破壊するのに必要です。 このプロセスの電解槽には、Pt、Pd、Au、Rh、Ir などの高価な貴金属および貴金属ベースの電極触媒が使用されます。

業界と専門家が直面している主な問題は、水を酸化して O2 を生成することと、工業用の過酷なアルカリ条件下での触媒の安定性です。 最初の問題では、半電池反応は 4 つの電子が関係する上り坂の反応であり、さまざまなコンポーネント (電解質、接続、触媒など) の抵抗率に関連するエネルギー損失とは別にエネルギーの大部分が必要となります。電解槽。 2 番目の問題では、高価な触媒は表面劣化により活性を失うことがよくあります。 このような条件下では、このような水分解反応には、安価で手頃な価格でありながら、活性が高く安定した電極触媒が必要です。

最近の研究で、Sasanka Deka 率いる私たちのチームは、水全体を分解するための新しいナノコンポジットベースの高効率でありながらコスト効率の高い電極触媒を設計および開発しました。 ナノ複合材料は、ナノメートル範囲で存在する 2 つ以上の材料の均質な混合物です。 本ナノ複合材料は、階層的な Co ナノシート上の NiCu 脱合金ナノ粒子に基づくナノアーキテクチャです。 私たちの研究結果は、ACS Catalyses 誌に掲載されています。

貴金属に比べて原料が安価であり、合成手順も利便性が高い。 この新しい触媒は、水を分解するために水酸化カリウム (KOH) 電解質の電解槽で使用されました。 興味深いことに、このシステムは、1.46 V のセル電圧で NiCu/Co 電極触媒を使用して水の分解と水素ガスの生成を示しています。 したがって、電極触媒は家庭用の 1.5 ボルト電池のみを使用して水を分解できます。