Creation of Noble-Metal-Free Highly-Efficient Water Splitting Systems Based on the Management of Proton Transfer

基于质子转移管理创建无贵金属高效水分解系统

• 批准号: 15J10583
• 负责人: 林 徹
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J10583/
• 关键词: 水の電気分解; 酸素発生反応; 人工光合成; 電気化学; 電極触媒; 酸化マンガン; 固体高分子形電解槽; 固体高分子電解質; ナノ粒子; In-situ分光電気化学測定; 反応機構解析; 水分解水素製造; 光化学系II; バイオミメティクス; エネルギー論

プロトンや二酸化炭素の電気化学的還元による水素、有機物の製造は、再生可能エネルギー由来の電力を貯蔵可能な化学燃料に変換できるプロセスとして注目されている。しかし、還元反応の対極における水の酸化反応がしばしばエネルギー変換効率のボトルネックとなっている。特に腐食性の塩基性条件以外では、水の酸化に対し高活性かつ安定な触媒は貴金属触媒に限られている。本研究では前年度までに、配位子や粒径の設計により酸化マンガン(MnOx)の酸素発生能を高められることを見出している。しかしMnOx酸素発生触媒の実用化へは、工業的電解プロセスへの適合性や、安価かつ大規模化可能な方法で触媒を合成できることも重要となると考えられる。ここで固体高分子(PEM)形電解槽は、小さな電圧ロス、入力変動への素早い追随、純水が使用可能であることなど再生可能エネルギー由来電力の変換・貯蔵に適した特性をもつ。またPEM形電解槽では触媒周囲にスルホン酸基が存在し、このスルホン酸基も配位子としてMnOxの活性向上に寄与しえる。そこで本年度は、工業的製法で得られたMnOxのPEM形電解槽における活用を検討した。MnOx酸素発生触媒を用いて構築したPEM形電解槽において、工業的製法により合成されたMnOxは、白金と同程度の酸素発生活性をPEM形電解槽中で示すことを見出した。このように非貴金属系触媒を用いてPEM形電解槽を構築し電解を行った結果は、これまで報告されていない。既報において、両極の電極触媒として白金を用いたPEM形電解槽と太陽電池を接続した系で24.4%と高い太陽光-水素エネルギー変換効率が達成されている。 すなわち今回の結果より、MnOxを酸素発生触媒としたPEM形電解槽を用いて太陽光-水素エネルギー変換系を構築した場合でも高いエネルギー変換効率が実現できることが期待される。本成果は特許出願済である。

通过质子和二氧化碳的电化学减少来生产氢和有机物，这吸引了人们的注意，这是一个可以将电力从可再生能源转化为储存化学燃料的过程。但是，还原反应的柜台电极处的水的氧化反应通常是能量转化效率的瓶颈。特别是在腐蚀性基本条件之外，贵金属催化剂仅限于高度活性和稳定的催化剂进行水氧化。到上一年，这项研究发现，可以通过设计配体和颗粒大小来提高锰氧化物（MNOX）的氧产生能力。但是，人们认为，与工业电解过程兼容并能够以廉价且大规模的方式合成催化剂，以实际应用MNOX氧产生催化剂非常重要。在这里，固体聚合物（PEM）电解仪具有适用于可再生能源衍生功率的转换和存储的特性，例如小电压损耗，输入波动的快速随访以及使用纯水的能力。另外，在PEM电解细胞中，磺酸基团存在于催化剂周围，这些磺酸基团也可以用作配体以改善MNOX的活性。因此，今年我们考虑了通过PEM电解细胞中工业制造方法获得的MNOX的使用。在使用MNOX氧产生催化剂构建的PEM电解仪中，发现通过工业制造方法合成的MNOX合成具有与PEM电解仪中铂类似的氧气产生活性。到目前为止，尚未报道使用非致命金属催化剂的电解结果。以前，使用铂为电极和太阳能电池的电催化剂的PEM电解细胞已连接到PEM电解电池，已达到高太阳能氢能转化效率为24.4％。换句话说，从目前的结果来看，即使使用MNOX使用MNOX作为氧气产生催化剂，也可以实现高能转化效率。该结果已提交专利申请。

项目成果

PSII反応中心と酸化マンガンにおける有機物配位子の安定性の比較

PSII反应中心有机配体与氧化锰稳定性比较

• 发表时间: 2016
• 作者: 林徹;山口晃;橋本和仁;中村龍平
• 通讯作者: 中村龍平

ソウル大学校(韓国)

首尔国立大学（韩国）

水分解触媒用のマンガン酸化物、マンガン酸化物－カーボン混合物、及びそれらの製造方法

用于水分解催化剂的氧化锰、氧化锰-碳混合物及其制造方法

• 发表时间: 2017

Element strategy of oxygen evolution electrocatalysis based on in situ spectroelectrochemistry

• DOI: 10.1039/c7cc02204b
• 发表时间: 2017-07-07
• 期刊: CHEMICAL COMMUNICATIONS
• 影响因子: 4.9
• 作者: Ooka, Hideshi;Takashima, Toshihiro;Nakamura, Ryuhei
• 通讯作者: Nakamura, Ryuhei

Evidence that Crystal Facet Orientation Dictates Oxygen Evolution Intermediates on Rutile Manganese Oxide

• DOI: 10.1002/adfm.201706319
• 发表时间: 2018-06-13
• 期刊: ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
• 影响因子: 19
• 作者: Kakizaki, Hirotaka;Ooka, Hideshi;Nakamura, Ryuhei
• 通讯作者: Nakamura, Ryuhei