低負荷Ptナノ粒子を窒化ニオブ上に固定化し、高効率アルカリ水電解による水素発生を実現
Low-Loading Pt Nanoparticles Anchored on Niobium Nitride for Highly Efficient Alkaline Hydrogen Evolution
本研究では、高価で希少な白金(Pt)の使用量を削減しつつ、アルカリ水電解における水素発生反応(HER)の効率と耐久性を向上させるため、導電性と安定性に優れた窒化ニオブ(NbN)をPtの担体として利用する新しい触媒「Pt/Nb4N5」を開発した。ポリオキソニオブ酸塩を用いた分子自己組織化戦略により、Nb4N5ナノ球を合成し、その上に超微細Ptナノ粒子を固定化することで、Pt/Nb4N5ヘテロ構造を形成した。この構造は、PtからNb4N5への電荷移動を促進し、PtとNbサイトの電子構造を調整することで、界面電荷移動抵抗を低減し、豊富な活性サイトを生成し、触媒の耐久性を向上させる。結果として、Pt/Nb4N5触媒は、22 mV@10 mA cm−2の低過電圧、26 mV dec−1の小さなTafel傾斜、150 mVでの11.5倍高い質量活性、そして優れた耐久性を達成し、市販のPt/C触媒を大幅に凌駕した。さらに、Pt/Nb4N5ベースの電解槽は、10 mA cm−2を駆動するために1.508 Vしか必要としない。この成果は、エネルギー関連アプリケーション向けの、高活性で耐久性のある低Pt触媒を設計するための実用的な道筋を提供する。
- Pt/Nb4N5触媒が22 mV@10 mA cm−2の低過電圧と26 mV dec−1のTafel傾斜を達成し、市販Pt/C触媒を凌駕した
- Pt/Nb4N5触媒は150 mVで市販Pt/C触媒比11.5倍の質量活性を示した
- Pt/Nb4N5ベースの電解槽は10 mA cm−2駆動に1.508 Vのみを必要とした
水素発生触媒におけるPt使用量の大幅削減と高性能化を同時に実現する点が注目に値する。アルカリ水電解はグリーン水素製造の鍵技術であり、既存の貴金属触媒のコスト課題を解決する本研究は、水素サプライチェーン全体の経済性改善につながる可能性がある。触媒担体として窒化ニオブを用いるアプローチは実用化段階にはないが、低Pt化と高活性・高耐久性の両立を示した点で、今後の触媒開発の方向性を示唆している。