代替、低

Oct 27, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9368 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

電気化学的水素発生反応 (HER) は、通常、3 電極システムで研究されます。 このシステムでは、高速反応を保証するために、Pt、金、ガラス状炭素などの複数の対極が一般的に使用されます。 しかし、このような電極の広範な適用により、そのような電極から溶解し、作用電極の表面に再堆積する酸化還元活性種が、測定された過電圧に寄与するという警告が生じている。 その結果、これは作用電極触媒の実際の電気化学的特徴と混同されることが多く、その結果、記録された過電位が誤って増大する結果となっています。 この問題は、電気分解測定に活性化ステップが含まれる場合にさらに重要になり、特に HER 研究で電解質として一般的に使用される酸性媒体中で安定した代替の対電極が必要になります。 ここでは、そのような問題を体系的に明らかにする一方で、それらの問題を克服する代替の対電極を実証します。 具体的には、作用電極の面積と対極の面積との相関関係、対極の溶解速度、および溶解速度を加速する際の表面の活性化/洗浄に使用される電位範囲を調査し、詳細に議論します。 最後に、市販の Ti メッシュが代替の新たな対電極として実証され、酸性媒体中での HER の研究に非常に安定で便利であることが証明されています。

過去数十年にわたり、水素は従来の化石燃料に代わる有望な代替燃料として導入されてきました。 この点において、電気分解は水素を大量に生成するために一般的に使用されるプロセスです。 このシステムでは、Pt がその効率的な導電率、高い機械的強度、および優れた触媒活性により、水還元半反応に最も広く使用されている電極触媒です1。 しかし、コストが高いため、大規模生産での使用は大幅に制限されてきました。 したがって、安価でありながら、Ptに匹敵する触媒活性を有する、地球上に豊富に存在する水素発生反応電極触媒を開発する必要性が高まっている。 たとえば、以前の研究ではモリブデンカーバイドとrGOの組み合わせが導入されており、Pt/C2の水素発生反応（HER）に対してほぼ同じ活性が明らかになりました。 また、Ni − C ベースの触媒は、HER3 の Pt と同等の性能を示しました。 それにもかかわらず、HER に関連する公表された研究のほぼ半数は、イオン交換膜を使用せずに対電極として Pt を使用しました 4,5。 ただし、Pt は安定ではなく、電位サイクル中に化学的/電気化学的溶解が起こります 4、6、7。 次に、溶解した Pt イオンが作用電極の表面に再堆積し、その結果、測定される過電位が誤って増加します 4、6、7。 さらに、イオン交換膜（ナフィオン）を使用した場合でも、Pt の溶解と作用極への析出は依然として起こります 8。 これらの懸念により、代替の対電極の探索が必要になりました。 その結果、ガラス状カーボンやグラファイトロッドなどの炭素系材料が代わりに使用されてきました。 しかし、疑問はまだ残っています。 その電極は安定していますか？ そうでない場合、抜け出す方法はありますか？

この問題に対処するために、本明細書では、酸性媒体中での HER 中の最も一般的に使用される対電極 (Pt、Au、およびガラス状炭素) の安定性を調査しました。 対電極に対する作用電極の相対面積と、表面の活性化/洗浄に使用される電位範囲が対電極の溶解速度に及ぼす影響と、記録された過電位との相関について十分に取り上げ、議論します。 最後に、酸性媒体中での HER の安定かつ機能的な対電極としての市販のチタン メッシュの可能性を実証します。