Kinetic analysis and High efficiency of water electrolysis with layered Mn oxides containing metal complexes

含有金属配合物的层状锰氧化物的动力学分析和高效水电解

基本信息

批准号：
22K04715
负责人：
友野和哲
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Kanto Gakuin University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

層状MnO2の層間に酸化還元活性な金属錯体を挿入することで，比容量が増加することを初めて見出した。さらに，波長依存の光電流(５倍)を示した。層間の金属錯体種の違いにより低エネルギーで水電解によるガス発生が進行し，作製膜の触媒能を観察した。本研究課題の目的は，金属錯体(Co, Fe, Ni, Ru系)/ 層状MnO2薄膜を作製し，①良導電性竹炭/CNTとの複合による触媒能向上(電気分解の高効率化)，②電解装置直結のガスクロ-in situ分析による反応速度論的解析と電子伝達機構を明らかにすることである。2022年度では，(1)竹炭/CNT混合膜との金属錯体/層状MnO2のバインダーフリー水電解触媒を作製し，電流―電位曲線からTafelプロットを行い，各種条件での水電解反応の開始電位を明らかにした。CoとRu錯体を中心に進め，(2)金属錯体の配位子変更(非π共役系のみおよび非π共役系とπ共役系)を行った。(3)金属錯体の吸収波長の光照射を行い，光照射によるガス発生について検討した。条件を最適化することで，全サンプルでガス発生を確認した。水素ガス発生のメカニズムが分光分析により明らかになった。本研究で用いる層状マンガン酸化物のマンガンは混合原子価状態(Mn(III)/Mn(IV))である。このMn(III)がMn(IV)に酸化する際の電子が水素発生に関係していることを明らかにした。また，Mn(III)とMn(IV)の比率は，層間イオンや作製電位および各種添加剤等で制御できることも明らかにした。一方で，水素発生に対して膜が剥離する場合と剥離しない両方の場合があり，どちらの現象がどういう条件で起きるかは明らかに出来ていない。今後は，ガスクロin-situ分析の設置も含め詳細にガス発生および関連する反応について詳細に検討を進める。

我们首次发现，通过在层状 MnO2 层之间插入氧化还原活性金属络合物可以提高比容量。此外，还显示了与波长相关的光电流（5倍）。由于层间金属络合物种类的差异，水电解产生的气体在低能量下进行，并且观察到所制造的膜的催化能力。本研究项目的目的是制备金属络合物（Co、Fe、Ni、Ru系）/层状MnO2薄膜，并（1）通过将其与高导电竹炭结合来提高催化性能（更高的电解效率） /CNT. ②利用直接连接电解槽的气相色谱原位分析阐明反应动力学分析和电子转移机理。在2022财年，我们将（1）制造带有竹炭/CNT混合膜的金属络合物/层状MnO2的无粘合剂水电解催化剂，从电流-电势曲线绘制Tafel图，并计算在以下条件下水电解反应的起始电势：各种条件显露出来。我们重点研究了Co和Ru配合物，（2）改变了金属配合物的配体（仅非π共轭体系和非π共轭体系和π共轭体系）。 (3)进行金属络合物的吸收波长的光照射，调查由光照射引起的气体的产生。通过优化条件，所有样品均确认有气体产生。通过光谱分析阐明了氢气产生的机理。本研究中使用的层状氧化锰中的锰处于混合价态 (Mn(III)/Mn(IV))。结果表明，Mn(III)氧化成Mn(IV)过程中的电子参与了氢气的产生。研究还表明，Mn(III)与Mn(IV)的比例可以通过层间离子、制造电位、各种添加剂等来控制。另一方面，存在因氢的产生而导致皮膜剥离的情况，也存在不剥离的情况，具体是在什么条件下发生的现象并不清楚。未来，我们将继续对气体产生和相关反应进行详细研究，包括安装气相色谱仪进行原位分析。