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。

首先发现，特定能力通过在分层MNO2层之间插入氧化还原活性金属络合物来增加。此外，显示了波长依赖性光电流（5次）。由于层之间的金属复合物质的差异，在低能量下水电解会导致气体产生，并且观察到膜的催化能力。该研究主题的目的是制造金属络合物（CO，FE，NI，RU系统）/分层MNO2薄膜，1。通过将它们与良好导电木炭/CNT（电解效率较高）结合在一起，并通过将气体分析和电子转移机制结合到电situ-In-Situ分析，从而提高催化能力。在2022财年中，（1）制备了金属配合物/层次的MNO2的无粘合剂水电催化剂，并制备了竹木炭/CNT混合膜，并使用电流电势曲线进行了Tafel图，以阐明在各种条件下水电解反应的起始电位。 CO和RU复合物主要进行，（2）金属复合物的配体修饰（仅非π共轭系统和非π共轭系统和π共轭系统）。（3）通过金属络合物的吸收波长照射光，并通过光照射检查气体产生。通过优化条件，在所有样品中都确认了气体的产生。通过光谱分析揭示了氢气产生的机制。本研究中使用的分层氧化物的锰是混合价状态（MN（III）/MN（IV））。已经揭示了Mn（III）氧化为Mn（IV）时的电子与氢的产生有关。还揭示了Mn（III）和Mn（IV）的比率可以由层间离子，制造势和各种添加剂控制。另一方面，由于氢的产生，该膜可能会被剥离，而不会剥落，并且尚不清楚在哪种情况下发生哪种情况。将来，我们将继续详细考虑气体产生和相关反应，包括安装气体铬原位分析。