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。

虽然碳材料广泛用作各种电极材料，但它们在高电位环境下容易氧化和磨损，因此需要提高其耐腐蚀性。申请人发现，高度石墨化的片状结构纳米碳纤维（pCNF）即使在碱性水溶液中的高电势下进行耐久性测试后仍保持其形状和导电性能。在本研究中，为了阐明pCNF的耐腐蚀机理，我们在电解前后进行了原位分析观察（ILSEM），并试图量化氧化磨损程度并阐明氧化磨损的方向依赖性。利用ILSEM，我们追踪了碱性高电位环境下pCNF的形态变化，并研究了碱性高电位条件下氧化耗尽对晶面的依赖性。当在4.0 mol dm-3 KOH水溶液中以1.8 V vs. RHE电解48小时时，纤维长度减少了约20 nm，但纤维直径仅减少了4 nm。碳的基面暴露在pCNF的头部和尾部，边缘面暴露在末端，并且由于其源自纤维形状的高长径比，pCNF的大部分表面由这些边缘面组成。因此，发现pCNF表现出高耐腐蚀性，因为其大部分表面由经历缓慢氧化磨损的边缘表面组成。为了定性评估该边缘表面的性能，我们比较了电解前后其与水的润湿性。显着的亲水性仅在电解后的pCNF中观察到，而在基面暴露于表面的市售炭黑(CB)中未观察到这种显着的亲水性。推测该亲水化反映了电解氧化期间伴随在表面上形成含氧官能团的表面亲水化程度。因此，可以说，由于含氧官能团的形成而导致的钝化在边缘表面上比在基底表面上更容易进行。综上所述，可以得出结论，pCNF表现出优异的抗氧化性，因为由于其长径比，大部分表面由容易钝化并经历缓慢氧化磨损的边缘表面组成。

项目成果

期刊论文数量（6）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

高黒鉛化プレートレット炭素ナノファイバーの塩基性溶液中酸素発生反応下における高耐久性機構

碱性溶液中析氧反应下高度石墨化片状碳纳米纤维的高耐久性机理

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
佐藤優樹; Damian Kowalski; 北野翔; 青木芳尚; 幅崎浩樹
通讯作者：
幅崎浩樹

High-corrosion-resistance mechanism of graphitized platelet-type carbon nanofibers in the OER in a concentrated alkaline electrolyte

石墨化片状碳纳米纤维在浓碱性电解液中OER中的高耐腐蚀性机理

DOI：
10.1039/d2ta00133k
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
11.9
作者：
Sato Yuki;Yamada Naohito;Kitano Sho;Kowalski Damian;Aoki Yoshitaka;Habazaki Hiroki
通讯作者：
Habazaki Hiroki

塩基性OER環境下で消耗しないナノ構造炭素材料の耐食機構

基础OER环境下不磨损的纳米结构碳材料的耐腐蚀机理