空間的に閉じ込められたNドープカーボンナノチューブ上のCo-N4サイトによる効率的な無塩H2O2電解合成
Spatially Confined Co-N4 Sites on N-Doped Carbon Nanotube for Efficient Salt-Free Neutral H2O2 Electrosynthesis
本研究では、酸化カーボンナノチューブ(OCNT)に配位子であるヘキサポッドターピリジンCo前駆体を固定化し、熱分解時の金属凝集を抑制することで、空間的に閉じ込められたピリジンN配位Co単原子サイトを特徴とする単原子触媒(CoN@OCNT)を合成した。この触媒は、最適化された配位環境と強化された質量・電子移動により、中性電解質中で-1.0から0.66 V vs RHEの広い電位窓にわたってほぼ100%のH2O2選択性を示した。in situ FT-IRおよびラマンスペクトルは、2電子酸素還元反応(2e−-ORR)中に*OOHを介した迅速な反応経路を明らかにした。さらに、膜電極アセンブリ(MEA)試験では、60 mA cm−2で80時間以上の安定した動作で、21.8 mol h−1 gcat−1のH2O2生産率を示した。特に、工業的に関連性の高い300 mA cm−2の電流密度において、触媒は70.3 mol h−1 gcat−1という記録的なH2O2生産率と9.4 mMの無塩H2O2濃度を達成し、中性媒体での実用的な大規模H2O2電解合成の大きな可能性を示唆している。
- 空間的に閉じ込められたピリジンN配位Co単原子触媒(CoN@OCNT)により、中性電解質中で-1.0から0.66 V vs RHEの広い電位窓でほぼ100%のH2O2選択性を達成
- MEA試験で300 mA cm−2の電流密度において70.3 mol h−1 gcat−1のH2O2生産率と9.4 mMの無塩H2O2濃度を記録
- 60 mA cm−2で80時間以上の安定動作を確認
本研究成果は、無塩中性条件下でのH2O2電解合成において、従来の触媒を大きく上回る生産率(300 mA cm−2で70.3 mol h−1 gcat−1)と長期安定性(80時間以上)を達成した点が重要。H2O2は半導体洗浄・パルプ漂白・廃水処理など幅広い産業用途があるが、従来のアントラキノン法は大規模・高エネルギー消費が課題。電解合成によるオンサイト生産が実現すれば、輸送・貯蔵コストが劇的に低減し、化学品サプライチェーンを変革し得る。本触媒のCo-N4単原子構造とカーボンナノチューブ担体設計は、実用化に近い技術としてエネルギー・化学分野のスタートアップや材料企業にとって投資検討価値がある。