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金属の魔法: 酸素を急速に放出し、エネルギーの未来を変えることができる金属触媒はどれですか?
水酸化触媒 (WOC) は、単に酸素を生成するだけではなく、特に水を分解して水素を生成するプロセスにおいて、将来の再生可能エネルギー源を探索することを目的としています。水の酸化の本質は、水を酸素とプロトンに変換することです (2 H2O → 4 H+ + 4 e- + O2)。このプロセスの核心は触媒の使用にあります。酸素は空気中に広く存在しますが、水の酸化効率を向上させる触媒が将来のクリーンエネルギーの開発において重要な役割を果たすことは間違いありません。
水の酸化プロセスは、その共役塩基水酸化物の酸化よりもはるかに困難です。
触媒の種類は主に均一系触媒と不均一系触媒に分けられ、その中でも金属触媒が特に重要です。これらの触媒は、低い過電圧で迅速に動作する必要があるだけでなく、高い安定性と低コストも備えており、環境に優しく非毒性の成分が好ましい。
均一系触媒
ルテニウム錯体
ルタン水和物によって触媒される水の酸化反応では、ある程度の進歩が見られました。これらの触媒には通常、ビピリジンまたはトリピリジンタイプの配位子が含まれています。特に、ピリジン-2-カルボン酸を含む触媒の反応速度は、光合成系 II に匹敵する 300 s-1 に達することができます。最近の研究では、多くの新しいポリピリジンリガンドが出現しています。
コバルトと鉄の複合体
初期のコバルトベースの WOC 触媒には、安定性が不十分であるという問題がありました。比較的新しい均一系触媒 [Co(Py5)(H2O)](ClO4)2 は、プロトン共役電子移動反応により [CoIII-OH]2+ 種を形成し、その後酸化されて CoIV 中間体を生成し、最終的に反応します。水で酸素を放出します。さらに、コバルトポリオキシメタル化合物 [Co4(H2O)2(α-PW9O34)2]10- は高い触媒効率を示し、一部の鉄含有錯体も良好な触媒特性を示します。
多くの関連化合物は分解特性を備えており、ほとんどは数時間以内に分解します。
イリジウム錯体
イリジウム錯体 [Ir(ppy)2(OH2)2]+ はより高い反応サイクル数を示しますが、触媒速度は低くなります。 ppy を Cp* (C5Me5) に置き換えることにより、触媒活性は向上しますが、サイクル数は減少します。水の求核攻撃は、O2 の形成の理由の 1 つであると考えられています。
不均一触媒
この分野では、酸化イリジウムが安定した一次触媒として機能し、低い過電圧を示します。さらに、ニッケルベースの酸化膜はほぼ中性の条件下で酸素を放出し、約 425 mV という超低い過電圧と安定性を示します。 X線分光技術により、NiIII/NiIVイオン間の二重μ酸化物架橋の存在が明らかになりましたが、単一μ酸化物架橋の証拠は見つかりませんでした。
酸化コバルト (Co3O4) は、他のコバルト塩と同様のパターンで研究されています。
これに関連して、安定で効率的な触媒は、シリカ ナノ粒子に CoII を吸着させることによって調製できます。これらの複合材料は水を酸化する過程で優れた活性を示し、炭素材料で水熱処理すると優れた水分解効果を発揮します。
今後の展望
水酸化触媒の開発は、間違いなく将来のエネルギーエコシステムにおいて非常に重要です。研究が深まるにつれて、水を効率的に水素エネルギーに変換できる触媒の開発に近づいており、これにより太陽エネルギーと水素エネルギーの組み合わせが可能になります。将来、この技術が広く使用できることを示すデータがあれば、私たちのエネルギーの未来がどのように再形成されるか想像してみてください。
