理研、PtNP／CNM複合体による水素発生触媒を開発：水素発生効率とコスト効率を向上

理化学研究所（理研）は、水中で白金ナノ粒子（PtNP）と炭素ナノマテリアル（CNM）を直接複合化した3種類の「水電解水素発生触媒」を開発した。これらを用いることで、水素の発生効率と同時にコスト効率も高めることができるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

C₆のPt担持量はPt／C触媒の470分の1で、質量活性は270倍

　理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター創発生体工学材料研究チームの川本益揮専任研究員、オサマ・メタワ国際プログラムアソシエイト、伊藤嘉浩チームリーダーらによる研究グループは2023年8月、水中で白金ナノ粒子（PtNP）と炭素ナノマテリアル（CNM）を直接複合化した3種類の「水電解水素発生触媒」を開発したと発表した。これらを用いることで、水素の発生効率と同時にコスト効率も高めることができるという。

　研究グループは、大きな比表面積を持ち、高い電気伝導度を示すCNMに着目した。今回は、CNMとして「単層カーボンナノチューブ（SWCNT）」「グラフェン」「アセチレンブラック」の3種類を用いた。これらを個別に水分散性PtNPと混合した。その後、超音波処理を行ったところ、「PtNP／SWCNT（C₆）」「PtNP／グラフェン（Gr₅）」「PtNP／アセチレンブラック（AB₂₀）」の複合体からなる水分散液が得られた。これらの複合体を電子顕微鏡で観察したところ、直径約2nmのPtNPがCNMの表面に直接付着していることを確認した。

　3種類の水分散液をインクとして用い、スプレーコートによってプロトン交換膜（PEM）水電解の陰極に成膜を行った。成膜をしたC₆、Gr₅、AB₂₀に含まれるPt担持量は、それぞれ6μgPt/cm²、5μgPt/cm²、20μgPt/cm²である。さらに、陰極の裏面には酸化イリジウムをスプレーコートすることで陽極を形成し、PEM水電解の電極を作製した。

PtNP／CNM水分散液の調製と作製したPEM水電解電極［クリックで拡大］ 出所：理研

　作製したPEM水電解電極に電圧を印加すると、水素発生に伴う電流が発生した。2.0Vにおける質量活性（白金の単位質量当たりの電流値）は、C₆が8万9300A/gPt、Gr₅が4万0400A/gPt、AB₂₀が1万7100A/gPtとなった。従来のPt系水素発生触媒に比べ、約100分の1のPt担持量で水素が発生することを確認した。これら触媒のファラデー効率は95％から99％である。特に、C₆のPt担持量は市販Pt／C触媒の470分の1でありながら、質量活性は270倍と高い。

　発生する気体はH₂とO₂の比率がほぼ2対1であった。さらに、触媒の安定性を常圧、25℃で確認した。この結果、電流密度100mA/cm²のとき150時間連続して水素が発生することを確認した。なお、C₆による水素発生の運転コストは5.3米ドル/kgと試算している。

開発した水電解水素発生触媒の性能［クリックで拡大］ 出所：理研