水分解用電気触媒としての三次元ニッケルフォーム材料上のナノ構造材料の利用

化石燃料の枯渇とエネルギーおよび環境問題に対する懸念の高まりにより、代替エネルギー源の開発に向けた広範な研究努力が行われています。電気化学的電気分解水の分解は、水素燃料製造の有望な戦略と考えられています。しかし、効率的な水分解には、酸素抽出反応（OER）と水素抽出反応（HER）の速度論を加速できる、効率的で耐久性のある電極触媒が必要です。ノーブル金属Ptおよびその合金、RuO2およびIrO2などの貴金属含有触媒は、現在、OERおよびHERを触媒する最も効率的な触媒です。しかし、貴金属の高コストと希少性が、それらの大規模応用と再生可能エネルギー技術の開発を妨げています。これらの制限を克服するために、OERおよびOERHERの経済的な代替として、地球上に豊富な材料を使用した非貴金属電極触媒の設計と合成に多大な努力がなされてきました。遷移金属酸化物、硫化物、リン化物、炭素材料、セレン化物、および混合金属錯体は広く研究されており、OERおよびHERに有望な性能を示しています。しかし、これらの電極触媒のほとんどは、貴金属ベースの触媒よりも高い過電圧を必要とし、その安定性を向上させることが依然として重要です。したがって、効率的な水分解のために、高活性と長期安定性を備えた低コストで効率的な代替電極構造の開発が緊急に必要とされています。

電気化学応用分野電極を作製するためには、主に2つの方法が用いられてきました。1つ目で最も広く用いられている方法は、粉末状の触媒を使用する方法です。通常、電極は導電性基板上に電気活性材料、導電性向上剤、接着剤のスラリーを用いて作製されます。しかし、この方法には欠点がないわけではありません。主な欠点は、電気絶縁性のバインダーが必要となることです。このバインダーは電解質と触媒の接触面積を減少させます。これにより、触媒活性部位が閉塞し、抵抗が高まり、電気触媒性能が低下する可能性があります。さらに、高電流密度では付着した触媒が導電性基板から剥離する傾向があるため、電極は比較的不安定です。2つ目の電極作製方法は、ニッケルなどの貴金属系材料を導電性基板に直接電着させる方法です。フォーム銅箔、カーボン布または紙、FTO、ステンレス鋼、ニッケル箔などが挙げられます。しかし、この方法にも限界があります。堆積した活物質間のアクセス可能な空間を正確に制御することが難しく、そのため、膜厚が厚くなるにつれて、基板が内部の触媒活性部位にアクセスできなくなるため、電極性能が低下します。さらに、この方法の複雑さと高コストは、実用化を大きく妨げています。そのため、費用対効果の高い製造技術の開発が求められています。三次元（3D）電極電気化学アプリケーションを成功させるには必要です。

多孔質構造と高い比表面積を有する新たな三次元金属材料の開発は、イオン拡散長を短縮し、イオン伝導性および電子伝導性を向上させる可能性から、大きな注目を集めています。したがって、電気触媒設計の有望な方向性として、異なる構造次元を組み合わせることで、高い伝導性、大きな表面積、および高い安定性を提供する触媒担体のナノ構造複合体を作製することが挙げられます。ニッケルフォーム市販されており安価な材料であるNFは、その優れた三次元開孔構造、高い電気伝導性、そして大きな比表面積により、電極材料の基板および担体として広く利用されてきました。NF内の微細孔とギザギザの流路は、優れた物質移動と大きな単位面積当たりの表面積も提供します。様々な金属フォーム、メッシュ、箔、織物など、様々な基板が、リチウムイオン電池、スーパーキャパシタ、太陽電池、水分解などの電気化学用途における集電体として研究されてきました。特に、多孔質NFは、低コスト、電気伝導性、そして触媒担持や電気化学的活性点の増加に最適な大きな電気活性表面積を持つことから注目を集めています。さらに、多孔質NFは電解質の物質輸送を向上させる利点があり、エネルギー用途における高表面積集電体として適しています。また、ニッケルフォーム上への活性物質の直接成長は、水分解反応における効率的な電子移動のために触媒と基板の接触を強化します。 NFの主な用途は依然としてスーパーキャパシタとバッテリーの電極ですが、最近の研究では、この材料上に堆積した電極材料はニッケル箔やネットよりも優れたOER活性を示すことが示されています。これらの材料は、天然の状態でも活性材料で装飾しても使用でき、フォームはコレクターとしても支持基板としても使用できます。したがって、NF基板上にナノ構造の土質に富む触媒材料を成長させることは、エネルギー貯蔵/変換デバイス用の高度な電極材料の開発に有望です。ニッケルフォーム上に直接成長した土質に富む電気触媒は一般的に入手可能ですが、OERおよびHER用のニッケルフォーム上の3次元電極は、低コストで製造が容易な多孔質の階層構造であるにもかかわらず、広範囲に研究されていません。