クリーンエネルギー技術の領域では、プロトン交換膜（PEM）電解因子が緑の水素を生成するための有望なソリューションとして浮上しています。の大手サプライヤーとしてPEM Electrololyzerスタック、これらのシステムの効率とパフォーマンスを向上させる方法を常に模索しています。 PEMスタック電解器の操作における最も重要な要因の1つは触媒であり、水素と酸素を生成する電気化学反応を促進する上で極めて重要な役割を果たします。このブログ投稿では、アクティビティ、安定性、コスト、環境への影響などのさまざまな要因を考慮して、PEMスタック電解器に最適な触媒を構成するものの問題を掘り下げます。
PEM電解の基本
触媒について議論する前に、の原則を簡単に確認しましょう陽子交換膜電解器テクノロジー。 PEM電解器は、アノード、カソード、およびそれらの間に挟まれた陽子交換膜（PEM）で構成されています。電流が適用されると、水分子はアノードでプロトン、電子、酸素ガスに分割されます。その後、プロトンはPEMを通過してカソードに向かい、そこで電子と結合して水素ガスを形成します。
全体的な反応は次のように要約できます。
- アノード反応：（2H_2O \ rightArrow o_2 + 4h^ + + 4e^ - ）
- カソード反応：（4h^ + + 4e^ - \ rightArrow 2h_2）
- 全体的な反応：（2H_2O \ rightArrow 2H_2+O_2）
これらの反応の効率は、電極、PEM、そして最も重要なこととして、アノードとカソードで使用される触媒など、いくつかの要因に依存します。
PEM電解器の触媒要件
PEMスタック電解器の理想的な触媒には、いくつかの重要な特性があるはずです。
高い触媒活性
触媒は、電気化学反応の活性化エネルギーを低下させることができ、それらをより速い速度で発生させることができなければなりません。これは、電流密度と電解剤の全体的な効率を達成するために重要です。非常に活性な触媒は、特定の量の水素を生成するために必要なエネルギー入力を減らすことができ、プロセスをより経済的に実行可能にします。
安定性
触媒は、高温、酸性環境（プロトンの使用による膜の使用による）、および反応性酸素種の存在など、PEM電解因子の過酷な動作条件の下で安定している必要があります。触媒分解は、時間の経過とともにパフォーマンスの低下につながり、メンテナンスコストが増加し、電解剤の寿命が減少する可能性があります。
低コスト
緑の水素の需要が増加するにつれて、コストはPEM電解器の商業化の重要な要因になります。貴金属などの高価な触媒の使用は、この技術の広範な採用を制限する可能性があります。したがって、効果的でコストの両方の競争力のある触媒を開発するための強力なインセンティブがあります。
環境への親しみやすさ
クリーンエネルギーを生成することを目標に並んで、触媒は環境への影響を最小限に抑える必要があります。これには、豊富で非有毒な材料の使用、触媒合成プロセス中の廃棄物の生成を最小限に抑えることが含まれます。
PEM電解器の一般的な触媒
高貴な金属
プラチナ（PT）やイリジウム（IR）などの貴金属は、触媒活性が高いため、PEM電解剤の触媒として広く使用されています。
- プラチナ（PT）：プラチナは、一般的にPEM電解器のカソード触媒として使用されます。カソードでの水素進化反応（HER）の優れた活性を持ち、水素の迅速かつ効率的な生産を可能にします。ただし、プラチナはまれで高価な金属であり、電解剤のコストを大幅に増加させます。
- イリジウム（IR）：イリジウムは、PEM電解器の酸素進化反応（OER）に最も一般的に使用されるアノード触媒です。酸性環境で高い安定性と活動を示します。しかし、プラチナと同様に、イリジウムは世界の埋蔵量が限られている貴重な金属であり、高コストとサプライチェーンのリスクにつながります。
ノン - 高貴な金属触媒
高貴な金属に関連するコストの問題に対処するために、研究者はPEM電解器の非貴金属触媒を積極的に調査してきました。
- 遷移金属酸化物：ニッケル - 鉄（Ni -Fe）酸化物などの遷移金属酸化物は、代替アノード触媒として有望であることを示しています。これらの材料は、貴金属よりも豊富で安価です。 Ni -Fe酸化物はOERに対して良好な触媒活性を持ち、ドーピングやナノ構造などのさまざまな修飾技術を通じて、その性能をさらに強化することができます。
- 遷移金属ジカルコゲン化物：ジスルフィドモリブデン（（MOS_2））やタングステンジスルフィド（（WS_2））などの材料は、HEの潜在的なカソード触媒として調査されています。これらの化合物には、水素進化反応を促進できるユニークな電子および表面特性があります。ただし、PEM電解器の酸性環境での安定性は、対処する必要がある課題のままです。
最高の触媒の検索
PEMスタック電解器に最適な触媒を見つけることは、進行中の研究課題です。現在、触媒性能を最適化するためにアプローチの組み合わせが取られています。
触媒設計とエンジニアリング
密度汎関数理論（DFT）計算などの高度な計算方法は、カスタマイズされた電子および幾何学的特性を備えた新しい触媒を設計するために使用されています。原子レベルでの電気化学反応の基本的なメカニズムを理解することにより、研究者はさまざまな材料の触媒活性を予測し、より効率的な触媒を設計することができます。
触媒サポート
適切な触媒サポートを使用すると、触媒の性能と安定性が向上します。サポートは、触媒分散のための高い表面積を提供し、電子と物質移動を強化し、触媒を分解から保護することができます。たとえば、炭素ベースの材料は、PEM電解器の希少金属触媒のサポートとして一般的に使用されます。
ハイブリッド触媒
さまざまな材料を組み合わせて個々の特性を活用するハイブリッド触媒も調査されています。たとえば、ハイブリッド触媒は、非質の金属酸化物マトリックスで支えられている貴金属ナノ粒子で構成されている場合があります。このアプローチは、同時に高い活動、安定性、およびコストの有効性を潜在的に達成できます。
PEMスタック電解サプライヤーとしてのアプローチ
のサプライヤーとしてPEM電解システム、私たちは製品に最適な触媒を開発し、使用することに取り組んでいます。私たちは、新しい触媒材料と合成方法を探索するために、研究開発に投資しています。科学者とエンジニアのチームは、学術機関や研究センターと緊密に連携して、触媒技術の最前線にとどまります。
また、コストを最小限に抑えながらパフォーマンスを最大化するために、電解スタック内の触媒の負荷と分布の最適化にも焦点を当てています。製造プロセスを慎重に制御することにより、触媒の品質と一貫性を確保することができ、信頼性が高く効率的なPEM電解器につながります。
結論
PEMスタック電解器に最適な触媒の選択は、活動、安定性、コスト、環境への影響など、複数の要因のバランスをとることを伴う複雑な決定です。 Noble Metalsは現在、高性能のために市場を支配していますが、非貴金属触媒の開発は、PEM電気分解技術の将来にとって有望な道です。
緑の水素の需要が増加し続けるにつれて、コストを見つけることの重要性 - 効果的で効率的な触媒を誇張することはできません。当社では、触媒研究開発の境界を押し広げることに専念しており、お客様に最高のクラスのペム電解機を提供しています。
PEM電解剤についてもっと知りたい場合や購入を検討している場合は、詳細な議論のためにお問い合わせください。私たちの専門家チームは、水素の生産ニーズに最適なソリューションを見つけるのを支援する準備ができています。
参照
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- Kuznetsov、Am、＆Savinova、ER（2010）。電気触媒：理論的および実験的側面。 CRCプレス。
- Shao -Horn、Y。、＆Kocha、SS（2009）。電気触媒自動車燃料電池のアプローチと課題。自然素材、8（6）、45-56。
