Activity enhancement of water splitting electrocatalysts by tuning the anisotropic strains using rutile heterostructures

通过使用金红石异质结构调整各向异性应变来增强水分解电催化剂的活性

• 批准号: 22K19078
• 负责人: 轟 直人
• 金额: $ 4.08万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K19078/
• 关键词: 水電解; 酸素発生反応; 貴金属酸化物; 電極触媒; 異方歪み; イリジウム酸化物

本年度は、RuO2/MO2(M=Ir, Sn)/TiO2(110)単結晶ヘテロ構造を作製し、その酸素発生触媒特性を評価し、MO2中間層の存在がRuO2触媒の異方歪みおよび触媒活性におよぼす影響を議論した。各層の作製にはアークプラズマ蒸着法を用い、構造評価には走査型電子顕微鏡、in-planeX線回折、原子間力顕微鏡、X線光電子分光法を用いた。触媒活性は窒素パージした過塩素酸溶液中で分極曲線を測定し評価した。触媒耐久性は定電流密度でのクロノポテンショメトリーにより評価した。初期の酸素発生触媒活性はIr酸化物を中間層とした場合は、中間層なしの場合とほとんど変わらなかったが、Sn酸化物を中間層とした場合に活性が大幅に向上した。電気化学インピーダンス測定、およびin-planeX線回折の結果から、Sn酸化物を中間層とすることにより、触媒/Ti担体間の抵抗が低減するだけでなく、Ru酸化物触媒層に加わる圧縮ひずみが緩和され、触媒活性そのものも向上することが明らかになった。また、クロノポテンショメトリーによる耐久性評価では中間層なしの場合に対し、Ir酸化物、Sn酸化物を中間層とした場合、過電圧の上昇幅が小さくなった。中間層なしの場合インピーダンス測定で評価した電極抵抗が増加していた一方、中間層ありの場合電極抵抗はほとんど変化しなかった。断面ミクロ構造を電子顕微鏡に観察したところ、中間層なしでは試験後にナノサイズの空隙が生じていた一方、SnO2中間層試料では空隙が観察されなかった。以上より、RuO2/TiO2間に格子不整合を緩和する中間層を挿入し異方歪み量を制御することにより、触媒活性だけでなく耐久性を向上できることが明らかになった。本成果の内容は論文にまとめ、投稿済である。

今年，我们制备了RuO2/MO2（M=Ir，Sn）/TiO2（110）单晶异质结构，并评估了其析氧催化性能的影响。使用电弧等离子体沉积来制造每一层，并使用扫描电子显微镜、面内X射线衍射、原子力显微镜和X射线光电子能谱来评估结构。通过测量用氮气吹扫的高氯酸溶液中的极化曲线来评估催化活性。通过计时电位法在恒定电流密度下评估催化剂的耐久性。当使用Ir氧化物作为中间层时和不存在中间层时，初始产氧催化活性几乎相同，但是当使用Sn氧化物作为中间层时活性显着提高。从电化学阻抗测量和面内X射线衍射的结果来看，我们发现使用Sn氧化物作为中间层不仅降低了催化剂与Ti载体之间的电阻，而且还降低了施加在Ru氧化物催化剂上的压缩应变结果表明，催化活性本身得到了提高。此外，在使用计时电位法的耐久性评价中，与不存在中间层时相比，当使用Ir氧化物或Sn氧化物作为中间层时，过电压的上升较小。在没有中间层的情况下，通过阻抗测量评价的电极电阻增加，而在有中间层的情况下，电极电阻几乎没有变化。当使用电子显微镜观察横截面微观结构时，在没有中间层的情况下测试后观察到纳米尺寸的空隙，而在SnO2中间层样品中没有观察到空隙。由上可知，通过在RuO2/TiO2之间插入中间层以减轻晶格失配并控制各向异性应变量，不仅可以提高催化活性，而且可以提高耐久性。该结果的内容已总结在论文中并已提交。

项目成果

RuO2/MO2/TiO2(110)(M=Sn, Ir)積層構造の酸素発生反応活性

RuO2/MO2/TiO2(110)(M=Sn,Ir)叠层结构的析氧反应活性

• 发表时间: 2022
• 作者: 轟 直人;工藤 龍太郎;林 謙汰;横井 瑞穂;和田山 智正
• 通讯作者: 和田山 智正

Oxygen Evolution Activity of RuO2/MO2/TiO2(110) (M = Ir, Sn) Surfaces in Acidic Electrolyte

RuO2/MO2/TiO2(110) (M = Ir, Sn) 表面在酸性电解质中的析氧活性

• 发表时间: 2022
• 作者: Naoto Todoroki;Ryutaro Kudo;Kenta Hayashi;Mizuho Yokoi;Toshimasa Wadayama
• 通讯作者: Toshimasa Wadayama