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

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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。