コバルト・ナノ粒子はクリーンエネルギーの追求において重要な役割を果たす可能性がある

気候変動に対処するためには、クリーンエネルギーへの移行が急務である。エネルギー部門は、地球温暖化の主要因である温室効果ガスの排出に大きく寄与している。

ウェスタン・オンタリオ大学の研究チームは、クリーンな発電方法の革新に取り組んでいる。燃料電池はこの試みの最前線にあり、持続可能なエネルギー・ソリューションの追求において多くの利点を提供しています。

燃料電池は、化学エネルギーを効率よく電気に変換し、副産物は水と熱だけという、クリーンエネルギーへの有望な道筋を提供する。そのため、環境にやさしい発電方法といえる。

燃料電池の中で最も有望なタイプのひとつが固体高分子形燃料電池（PEMFC）である。その理由は、効率、応答性、排出量削減が重要な要素である輸送、ポータブルおよび定置型電源への応用にある。

触媒としての白金

PEMFCの普及を妨げている大きな課題のひとつは、その希少性から問題となっている白金の使用にある。この白金への依存は、PEMFCで電気エネルギーを生成する基本的なプロセスである酸素還元反応（ORR）を促進する白金の能力によるものである。

ORRは、一連の複雑な反応を通じて酸素分子を水に還元する。このプロセスは、燃料電池が供給する電力を生み出す役割を担っている。触媒として白金が存在すると、酸素分子の還元に必要なエネルギーが低下する。プラチナがなければ、ORRの発生が遅すぎて実用的で効率的な発電ができない。

しかし、白金は高価で希少であるため、PEMFCの商業的実現性には大きな課題がある。プラチナの価格が高騰しているため、大規模な燃料電池製造にプラチナを使用するのは経済的に困難であり、PEMFCがクリーンエネルギーの主流になるのを妨げている。

私たちの研究は、プラチナを効果的に代替できる触媒の創製に取り組んでいる。私たちの研究チームは、カナダ光源、先端光子源、台湾光子源などの最先端施設を活用している。

これらの資源と技術を活用することで、触媒開発のためのさまざまな戦略を模索し、触媒の構造的・化学的特性について深い洞察を得て、白金への依存度を下げるという目標を達成するための方法をよりよく理解していくのだ。

触媒設計の複雑な領域

白金と遷移金属の合金化と複雑なコアシェル構造の構築という2つの基本的な技術に特に焦点を当て、触媒設計を探求している。

白金の合金化とは、白金を他の遷移金属と混合して触媒性能を高めることである。このアプローチにより、反応性と耐久性が改善された触媒が得られ、燃料電池を含む幅広い用途で高い効果を発揮する。

合金化に加え、私たちの研究は複雑なコアシェル構造の開発にも及んでいる。このアプローチでは、費用対効果の高い金属コアを別の材料でできた数層のシェルで包むことで、触媒効率をさらに高めながら保護することができる。

この設計により、触媒反応の精密な制御、表面特性の最適化、材料の無駄の最小化が可能になる。

永続的な課題

我々の進歩にもかかわらず、これらの触媒の耐久性には課題がある。劣化しやすく、効果が低下しやすく、望ましくない変化を起こしやすいという、触媒固有の不安定性が、実際の応用には大きな障害となっている。

われわれの研究チームは、触媒の表面および表面近傍にコバルトドーパントを注入するという、潜在的な解決策を発見した。これにより、過酷な条件や時間の経過に耐える白金ベースの触媒ができる。これにより、触媒の耐久性と有効性が大幅に向上する。

私たちのチームは、コバルトをドープしたパラジウム-白金コアシェルという新しい粒子を開発した。この粒子は、特徴的な八面体構造を持ち、過酷な化学環境と長期間の使用の両方に対して卓越した耐性を持つ。

Catalyzing a sustainable future ? Cobalt-Doped Pd@Pt Nanoparticles unlock new possibilities in ORR catalysis. Enhanced efficiency, extended durability, and reduced platinum use. Read more! #Catalysis #FuelCell #Sustainability #Nanotech https://t.co/nCCWgbEBZ6
— The Journal of Physical Chemistry (@JPhysChem) October 29, 2023

この革新的なナノスケール構造は、パラジウムのコアとプラチナの外殻を持ち、プラチナの外殻にコバルト原子が加わっている。劣化に耐え、長期間にわたって触媒活性を維持する優れた能力を発揮する。

慎重に管理された実験室条件下で触媒がどのように劣化するかをより深く理解するために実施された20,000回の加速耐久性試験サイクルを含む徹底的な検査の結果、試験開始時の初期状態と比較して、その性能はわずか2％しか低下しなかった。

将来の可能性

コバルトドープパラジウム白金コアシェルナノ粒子は、燃料電池技術に革命を起こす可能性を秘めている。高効率で永続的なORR触媒としてのその有望性は、より持続可能なエネルギーの未来への道を指し示している。

私たちの研究は、世界的危機である気候変動と闘うという緊急の必要性に沿ったものである。化石燃料をよりクリーンな代替エネルギーに置き換えることで、私たちはより持続可能で強靭な未来に貢献することができる。

本記事は、Tsun-Kong (T.K.) Sham氏とAli Feizabadi氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Cobalt nanoparticles could become a significant player in the pursuit of clean energy」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。