アルカリ水電解における水素発生反応(HER)用触媒として、コバルト・鉄修飾窒素ドープ多層カーボンナノチューブの性能と構造-性能相関
Co–Fe-modified nitrogen-doped multi-walled carbon nanotubes for alkaline hydrogen evolution: performance and structure–performance correlations
アルカリ水電解における高活性かつ高安定な水素発生反応(HER)電極触媒の開発は重要である。本研究では、窒素ドープ多層カーボンナノチューブを配位高分子前駆体の熱分解によりFe-NCNT、Co-NCNT、CoFe-NCNTを構築するための導電性チューブ状足場として用いた。SEM、TEM、XRD、XPS、ラマンスペクトル、N2吸脱着測定により、形態、結晶構造、表面化学、欠陥特性、テクスチャ特性を評価した。1M KOH中でのHER性能を評価した結果、CoFe-NCNTは、Co–Nx/Fe–Nxデュアル活性サイトの形成と露出を促進する、より高い欠陥密度とより大きな比表面積を示す、明確な中空ナノチューブ構造を維持していた。その結果、CoFe-NCNTは、10 mA cm–2を達成するために必要な過電圧が30.2 mVと低く、 Tafel傾斜は68.4 mV dec−1であり、Fe-NCNT、Co-NCNT、および市販のPt/Cを上回り、良好な触媒安定性を示した。これらの結果から、窒素ドープカーボンナノチューブ骨格にCoとFeサイトを組み合わせることで、アルカリHER触媒作用を効果的に向上させることができる。
- 窒素ドープ多層カーボンナノチューブを足場にCoとFeサイトを組み合わせたCoFe-NCNT触媒を開発し、アルカリ水電解のHERで過電圧30.2mV・Tafel傾斜68.4mV/decを達成、Fe-NCNT、Co-NCNT、市販Pt/Cを上回った。
- Co–Nx/Fe–Nxデュアル活性サイトの形成と露出を促す高い欠陥密度・大きな比表面積・中空ナノチューブ構造が高活性の要因であり、良好な触媒安定性も示した。
- 1M KOH中で性能評価を実施し、SEM・TEM・XRD・XPS・ラマン分光・N2吸脱着により形態・結晶構造・表面化学・欠陥・テクスチャ特性を評価した。
アルカリ水電解のHER触媒で、CoFe-NCNTが過電圧30.2mV・Tafel傾斜68.4mV/decと市販Pt/Cを上回る性能を示した点は、水素製造コストの主要因である貴金属(Pt)依存を非貴金属系へ置き換えられる可能性を示す。ただし本記事は実験室レベル(1M KOH)の学術的構造-性能相関の報告であり、企業の実装・量産・調達に関する具体的発表は含まれないため、投資判断にはスケールアップ検証や電解装置メーカーへの採用動向など追加情報の確認が必要。