[論文レビュー] A durable and efficient electrocatalyst for saline water splitting with current density exceeding 2000 mA cm -2

Fengning Yang, Yuting Luo+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Electrocatalysts for Energy Conversion参考文献 1被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、腐食耐性マトリクス上にアンカーされた Pt/Ni-Mo 電解触媒が saline-alkaline electrolyte で 113 mV の過剰電位で 2000 mA cm-2 を達成し、厳しい条件下での耐久性とスケーラブルな生産を実証する。

ABSTRACT

Water electrolysis is promising for industrial hydrogen production to achieve a sustainable and green hydrogen economy, but the high cost of the technology limits its market share. Developing efficient yet economic electrocatalysts is crucial to decrease the cost of electricity and electrolytic cell. Meanwhile, electrolysis in seawater electrolyte can further reduce feedstock cost. Here we synthesize a type of electrocatalyst where trace precious metals are strongly anchored on corrosion-resistive matrix. As an example, the produced Pt/Ni-Mo electrocatalyst only needs an overpotential of 113 mV to reach an ultrahigh current density of 2000 mA cm-2 in saline-alkaline electrolyte, standing as the best performance so far. It shows high activity and long durability in various electrolytes and under harsh conditions, including strong alkaline and simulated seawater electrolytes, and under elevated temperatures up to 80 degree Celsius). This electrocatalyst is produced on a large scale at low cost and shows good performance in a commercial membrane electrode assembly stack, demonstrating its feasibility for practical water electrolysis

研究の動機と目的

• cost-effective かつ耐久性のある電解触媒を海水または saline-alkaline 電解に適用し、水素製造コストを低減する。
• 低い過電位での ultrahigh current density 性能（>2000 mA cm-2）を実証する。
• さまざまな電解質、高温、および simulated seawater 条件における耐久性を示す。
• 大規模生産と MEA スタックでの性能によりスケーラビリティを検証する。

提案手法

• trace precious metal（Pt）を corrosion-resistant matrix（Ni-Mo）にアンカーして Pt/Ni-Mo 電解触媒を作成する。
• saline-alkaline electrolyte で electrochemical performance を測定し、2000 mA cm-2 での過剰電位を決定する。
• 強アルカリ性および simulated seawater 電解質、温度最大 80 °C を含む厳しい条件下での耐久性を特徴づける。
• 大規模生産の実現可能性を評価し、商用 MEA スタックでの性能をテストして実用性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 saline-alkaline および simulated seawater 電解質で、 corrosion-resistant matrix にアンカーされた trace precious metal カタリストが ultrahigh current densities を低過電位で達成できるか？
• RQ2 Pt/Ni-Mo の厳しいアルカリ性、温度上昇、海水様条件での耐久性と安定性はどうか？
• RQ3 この触媒は大規模生産にスケーラブルで、商用 MEA スタックと互換性があるか？

主な発見

• saline-alkaline electrolyte で 2000 mA cm-2 を 113 mV の過剰電位で達成している。
• さまざまな電解質や厳しい条件下での高活性と長期耐久性を示し、 simulated seawater を含む条件や最大 80 °C までの耐性を実証する。
• 大規模生産が低コストで可能であり、商用 MEA スタックで機能するため、実用的な実現性を示している。