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Scientific Reports volume 13、記事番号: 13244 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

直接グリセロール燃料電池の燃料としてグリセロールを効果的に使用するには、C-C 結合を切断し、グリセロールの CO2 への電気酸化を促進できる触媒が必要です。 この特定の研究では、ガラス状炭素電極 (PdNiSn/GC) 上に電着されたパラジウム-ニッケル-錫ナノ複合材料は、触媒組成物の相乗効果により、グリセロールの電気酸化に対して優れた活性を示しました。 PdNiSn/GC 表面は、Pd/GC 電極で得られるピーク電流 (Ip) よりも 2.5 倍高いピーク電流 (Ip) を生成し、開始電位 (Eonset) の陰極シフトは約 300 mV でした。 さらに、PdNiSn/GC 表面で得られる電流は、連続電解中も安定したままでした。 電気触媒活性の結果を解釈するために静電容量測定が使用され、電荷計算によって明らかになったように、グリセロール電気酸化反応の生成物はシュウ酸とギ酸であり、その後それらは CO2 に酸化されることが高速液体クロマトグラフィーによって示されました。 。 この結果は、Pd、β-Ni(OH)2、および SnO2 間の相乗効果が、C-C 結合の切断を促進し、反応中間体を CO2 に完全に酸化することで GEOR を高めるのに重要であることを示しています。

商業活動の継続的な拡大と人口増加の緩やかな増加により、エネルギー需要が直接増加し、化石燃料に代わるエネルギー資源を見つけることが必要になりました。 中でも、燃料電池における化学燃料の効率的な利用は、効率的で CO2 排出ゼロのエネルギー システムに貢献する大きな可能性を秘めています1。

さまざまなタイプの燃料電池を考慮すると、高分子電解質膜燃料電池は他のタイプの燃料電池に比べて多くの利点を提供します。 高いエネルギー密度、素早いエネルギー放出。 CO2 に対する影響を受けにくいため、空気を酸化剤として使用でき、中程度の温度 (75 ～ 150 °C) で動作します2,3。

直接アルコール燃料電池におけるアルコール、特にグリセロールの使用は、このようなスキームにおける燃料の興味深い対象である。 グリセロール電気酸化反応 (GEOR) は、電気エネルギーを生成するために、そのヒドロキシル基の酸化を通じて電極触媒の表面で起こる可能性があります4。 さらに、GEOR は 6 kWh kg-1 という高い理論エネルギー密度を生成し、不燃性かつ不揮発性であり 5、メタノールと比較した場合、膜を通過するクロスオーバー率が低い6。 さらに、選択的 GEOR は付加価値のある中間体を生成する可能性があります。 したがって、GEOR のもう 1 つの有望な側面は、次のような付加価値分子の電気合成です。 グリセリン酸、タルトロン酸、メソシュウ酸塩、1,3-ジヒドロキシアセトン7、8、9。

グリセロールはバイオディーゼル産業の一般的な製品であり、毎年約数億キログラムのグリセロールが生産され、入手可能で低価格の燃料となっています10、11、12、13。 さらに、グリセロールは水素生成の優れた供給源であると考えられています14,15。 熱力学は、DGFC の陽極コンパートメントにおけるグリセロール電気酸化反応 (GEOR) が、水素の生成に関して電解セルにおける酸素発生反応 (OER) よりもエネルギー的に効率的であることを示しています9,10。 GEOR は DGFC のアノード コンパートメントで発生し、プロトンと二酸化炭素を生成します。一方、プロトンはカソード コンパートメントで還元されて、式 2 に示すように水素を生成します。 1-311。

しかし、直接グリセロール燃料電池 (DGFC) でグリセロールを CO2 に効率的かつ完全に酸化することは、依然として大きな課題です。このプロセスは、C-C 結合の切断を必要とする多電子および多陽子プロセスであるためです (電極触媒における大きな課題)。

Pt 電極触媒は、その活性の高さから DGFC にとって最も効率的な触媒であると考えられていました 16,17,18,19。しかし、グリセロールの酸化スキーム中にその表面での被毒となる CO 中間体の生成は、コストが高いため制限されています。その用途16、20、21。 これにより、DGFC の性能を向上させるために、Pd、Ag、Ni などの代替電極触媒の使用が促進されました。 この点において、Pd ベースの電極触媒は、Pt ベースの電極触媒よりも優れているため、DGFC の優れた候補と考えられています 16。 Pd は、アルカリ媒体中でのアルコールの酸化に対して Pt よりも優れた活性を示します 22、23、24、25。 さらに、化学吸着された中間体は触媒表面に弱く結合し、アルカリ性媒体では被毒種の量が少ないため、アルカリ性媒体では吸着された一酸化炭素（COad）による電極被毒の可能性が酸性媒体よりも低くなります26。