Corrosion mechanism of nano-structrued carbon materials under oxygen evolution reaction in alkaline media

纳米结构碳材料在碱性介质中析氧反应的腐蚀机理

基本信息

批准号：
21J10674
负责人：
佐藤優樹
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J10674/
关键词：
炭素材料アルカリ水電解同一位置分析

项目摘要

炭素材料は，各種の電極材料として汎用される一方，高電位環境下ではその酸化消耗が進行するため，耐食性改善が求められる。申請者らは，高黒鉛化プレートレット構造ナノ炭素ファイバー（pCNF）が，塩基性水溶液中高電位下での耐久性試験を経ても，その形状・導電剤性能を維持することを見出した。本研究では，pCNFの耐食機構解明を目指し，電解前後の同一位置分析観察（ILSEM）を行い，その酸化消耗の程度の定量化と，酸化消耗の方位依存性解明を試みた。ILSEMを用い，pCNFの塩基性高電位環境下における形態変化を追跡し，塩基性高電位下における酸化消耗の結晶面依存性を検討した。4.0 mol dm-3 KOH水溶液中にて，1.8 V vs RHE，48時間の電解を行ったところ，そのファイバー長さこそ20 nm程度減少していたが，ファイバー径の減少は 4 nmにとどまった。pCNFの頭部と尾部では炭素の基底面が，端部ではエッジ面が露出しており，ファイバー形状に由来するその高いアスペクト比のために，pCNFの表面の大部分はこのエッジ面からなる。したがって，pCNFが高い耐食性を示すのは，その表面の多くが酸化消耗の遅いエッジ面からなるためとわかった。このエッジ面の性質を定性的に評価するべく，電解前後の水に対する濡れ性を比較した。表面に基底面が露出している市販のカーボンブラック(CB)では見られなかった顕著な親水化が電解後pCNFでのみ認められた。この親水化は，電解酸化中の表面における含酸素官能基形成に伴う表面親水化の程度を反映していると推察される。したがって，エッジ面では，基底面に比べ含酸素官能基形成による不働態化が進行しやすいといえる。以上から，pCNFが優れた耐酸化性を示すのは，そのアスペクト比のために，表面の大部分が不働態化されやすく酸化消耗の遅いエッジ面からなるためだと結論できる。

虽然碳材料是普通材料作为各种电极材料的一种普通材料，但随着氧化的消耗在高能力环境中的进展，它们需要改善耐腐蚀性。申请人发现，即使在基本的水溶液中，耐用性测试在高电位下，较高的领先板结构纳米碳纤维（PCNF）仍保持其形状和导体性能。在这项研究中，我们在电解之前和之后进行了相同的位置分析观察（ILSEM），旨在阐明PCNF的耐腐蚀机制，并试图量化氧化程度并阐明氧化方向。使用ILSEM，跟踪PCNF中PCNF的形式变化在高级别的功率环境中，并在基本的基本高功率下检查了氧化的晶体依赖性。 4.0 mol DM-3 KOH在水溶液中，1.8 V vs RHE，48小时的电解度，将纤维长度降低约20 nm，但纤维直径降低至4 nm。 PCNF的头部和尾部具有碳的基部表面，边缘表面在末端暴露于纤维形状的高纵横比，大多数PCNF表面由该边缘表面组成。因此，发现PCNF的高腐蚀性是因为许多表面由缓慢氧化的缓慢边缘表面组成。为了对该边缘表面的性质进行定性评估，我们比较了电解之前和之后与水的湿度。在电解后仅在PCNF中识别出在市售的碳黑色（CB）中未发现的显着的水文。据推测，这种氢化反映了与电解氧化过程中表面上的胶囊功能碱基相关的表面nydregenation的程度。因此，在边缘表面上，由于与基础表面相比，由于形成焦虑症的盆地，因此更容易进行非工作。从上面可以得出的结论是，PCNF具有出色的氧化抗性，因为它的纵横比形成了大多数表面倾向于不接受和缓慢氧化。