[論文レビュー] A Ni-Fe Layered Double Hydroxide-Carbon Nanotube Complex for Water Oxidation

Ming Gong, Yanguang Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2013

Electrocatalysts for Energy Conversion被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、やや酸化した多層カーボンナノチューブ（MWCNT）上に成長した超薄いNi-Fe層状水酸化物ハイドロキシド（LDH）ナノプレートで構成される、高効率で安定的かつ低コストな電気触媒を提示している。このハイブリッド構造は、電気伝導性と物質移動を向上させ、酸素発生反応（OER）の活性を顕著に向上させ、商業的Irベース触媒を上回る性能を示しており、水素分解や金属-空気電池を含む再生可能エネルギー応用分野における有望な代替材料である。

ABSTRACT

Highly active, durable and cost-effective electrocatalysts for water oxidation to evolve oxygen gas hold a key to a range of renewable energy solutions including water splitting and rechargeable metal-air batteries. Here, we report the synthesis of ultrathin nickel iron layered double hydroxide nanoplates on mildly oxidized multi-walled carbon nanotubes. Incorporation of Fe into the nickel hydroxide induced the formation of NiFe-layered double hydroxide. The nanoplates were covalently attached to a network of nanotubes, affording excellent electrical wiring to the nanoplates. The ultra-thin Ni-Fe layered double hydroxide nanoplates/carbon nanotube complex was found to exhibit unusually high electro-catalytic activity and stability for oxygen evolution and outperformed commercial precious metal Ir catalysts.

研究の動機と目的

• 水素分解における酸素発生反応（OER）のための低コストで高活性かつ耐久性に優れた電気触媒の開発。
• 高価で希少なIrO2のような貴金属触媒の限界を克服すること。
• Feドーピングと導電性カーボンナノチューブとの統合によって、ニッケルベース触媒の電気化学的性能を向上させること。
• 活性サイトの露出を最大化し、電気的接続性を高めるナノ構造的ハイブリッドアーキテクチャの設計。

提案手法

• やや酸化した多層カーボンナノチューブ（MWCNT）上に、水熱法を用いて超薄いNi-Fe層状水酸化物（LDH）ナノプレートを合成。
• LDHと酸化CNTとの間の共有結合を用いて、強固な界面的接触と効率的な電子移動を確保。
• X線回折（XRD）、走査型電子顕微鏡（SEM）、透過型電子顕微鏡（TEM）、およびX線光電子分光（XPS）を用いて複合材料を特徴づけた。
• アルカリ性電解質中でサイクリックボルタンメトリー（CV）、線形走査ボルタンメトリー（LSV）、およびキロアンパアメトリーを用いて電気化学的性能を評価。
• 1.5 V vs. RHEでの起動電位と電流密度を測定し、OER活性を定量。
• 長時間にわたるキロアンパアメトリー試験により、長期的安定性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ni(OH)2におけるFeドーピングが、その固有のOER活性を顕著に向上させるか？
• RQ2 Ni-Fe LDHとカーボンナノチューブの統合が、電気伝導性と触媒性能に与える影響は何か？
• RQ3 LDHナノプレートの超薄く2次元的な形状が、物質移動を改善し、より多くの活性サイトを露出させるか？
• RQ4 Ni-Fe LDH-CNTハイブリッド材料が、活性および安定性の面で商業的IrO2触媒を上回るか？
• RQ5 LDHとCNT間の共有結合が、界面電荷移動をどのように向上させるか？

主な発見

• Ni-Fe LDH-CNT複合材料は、酸素発生反応（OER）に対して1.45 V vs. RHEの起動電位を示し、純粋なNi(OH)2よりも低く、IrO2と同等の水準であった。
• 同じ条件下で、300 mVの低い過電圧で10 mA cm⁻²の電流密度を達成し、商業的IrO2を上回る性能を示した。
• キロアンパアメトリー試験で24時間経過後も、初期電流密度の95％以上を維持し、優れた長期的安定性を示した。
• XPS分析により、LDH構造中にNi²⁺およびFe³⁺の存在が確認され、FeドーピングがOER活性を向上させるための電子構造の改善に寄与した。
• TEMおよびSEM画像から、約5–10 nmの厚さの超薄く垂直に整列したLDHナノプレートが、CNTネットワーク上に均一に固定されていることが確認された。
• LDHと酸化CNTとの間の共有結合は、電気的ワイヤリングを顕著に改善し、電荷移動抵抗を低減させ、全体の電気触媒効率を向上させた。