プラチナとレアアースを合金化する触媒

清華大学出版局

画像: 電気と水を生成する水素燃料電池内の化学反応を加速する電極触媒として機能する白金ランタン ナノ粒子もっと見る

クレジット: Nano Research、清華大学出版局

研究者らは、次世代燃料電池の触媒として機能する合金として、高コストのプラチナと低コストの希土類元素であるランタンを組み合わせる方法を考案し、性能を向上させ、コストを削減した。 この開発により、動力としてバッテリーを使用するのが難しい大型輸送車両の脱炭素化が容易になるはずです。

この方法は、2022 年 9 月 22 日に雑誌 Nano Research に掲載される論文に記載されています。

バッテリーは、自動車にクリーンな電力を供給するための水素燃料電池との戦いに勝利したかもしれないが、他の多くの交通機関では、バッテリーの重量や体積などのさまざまな障害により、内燃エンジンをバッテリーに置き換えることが困難であると考えられている。提供するサービスの種類に応じて必要となります。 これは、海運、航空、長距離トラック輸送などの重量物輸送に特に当てはまります。 このような場合、ほとんどの交通アナリストは、代わりにある種のクリーンな燃料に依存する可能性が高いと示唆しています。

燃料電池は、水素の化学エネルギーを電気に変換することで車両や他の機械に動力を供給することができ、他の出力は水と熱だけです。 これまで、人工衛星からスペースシャトルに至るまで、多くの機器で最も一般的に使用されてきた燃料電池の種類は、アルカリ燃料電池であり、その発明の歴史はほぼ 1 世紀前に遡ります。 次世代は高分子電解質膜燃料電池のようなものになる可能性が高く、これも水素を使用して発電しますが、はるかにコンパクトであり、重量輸送車両にとって特に魅力的です。

このような電気化学反応をより効率的にするため、つまり燃料電池のコストを削減して化石燃料を使用する場合との競争力を高めるための鍵は、より優れた触媒、つまり反応を加速する材料を見つけることです。

残念なことに、関与する重要な化学反応（酸素還元反応、または ORR）を可能にするこれらすべての「電極触媒」の中で、プラチナが群を抜いて最良です。 そして、レアメタルであるプラチナは決して安いものではありません。 特に PEMFC の場合、プラチナの信じられないほどの高コストが、その導入に対する大きな障壁となっています。 このすでに高価な電極触媒を、腐食性の高い PEMFC 環境で比較的少数のサイクルで使用した後の急速な劣化は、状況を悪化させるだけです。

「そのため、低コストで劣化に強く、長期間にわたって安定でありながら、優れた電流密度、つまり単位体積あたりの電流量を実現できる電極触媒が求められています。」と同氏は述べた。論文著者の一人で中国科学院長春応用化学研究所の電気化学者であるSiyuan Zhu氏は、「これにより、PEMFCのコンパクトさの約束を守ることができた」と述べた。

コスト削減のために検討されている主な選択肢は、白金の触媒特性を補助したり強化したりできる他の安価な金属と合金化することで、電極触媒として必要な白金の量を「希釈」することです。

そして、これまでプラチナと合金化する主な候補は、いわゆる後期遷移金属でした。 遷移金属は、周期表の中央、つまり d ブロックにある元素です。 鉄、マンガン、クロムは中央のブロックの中央にある遷移金属で、カドミウムや亜鉛などの「後期」遷移金属はその右側にあります。

しかし、後期遷移金属は、過酷で腐食性の PEMFC 環境では溶解しないことが証明されています。 これにより、パフォーマンスが着実に低下するだけでなく、溶解した金属が酸素還元反応の副生成物とさらに反応し、システム全体に制御不能な損傷を引き起こします。