主要成果
研究チームは、MXeneとパラジウム（Pd）ナノ粒子を交互に積層させた電極を開発し、メタノール酸化反応（MOR）を利用して効率的に水素を製造することに成功した。この電極は、15層の積層構造においてピーク電流密度9.38 milliamperes per square centimeterを記録した。これは、以前に報告されたグラフェン酸化物支持パラジウム多層膜（6層）の最大値の3倍を超える性能であり、他のパラジウムベースの電極触媒と比較しても競争力のある数値である。
技術・詳細
電極の作製には、静電的なレイヤー・バイ・レイヤー（LbL）アセンブリ法が採用された。負に帯電した2次元遷移金属炭化物であるMXeneナノシートと、DMAPリガンドで安定化され正に帯電したパラジウムナノ粒子を交互に堆積させる手法である。ゼータ電位の測定では、MXene分散液が-35.5 millivolts、パラジウム粒子が+35.0 millivoltsであり、静電的なペアリングが確認された。
膜厚の制御についても精密に行われており、5、10、15、20層の積層において、それぞれ50.5、52.9、68.7、107.4 nanometersの厚さが記録された。また、水晶振動子マイクロバランス（QCM）による追跡では、MXene層が1層あたり約5.72 micrograms per square centimeter、パラジウム層が約2.84 micrograms付加されることが判明している。
性能分析の結果、電流密度の向上はパラジウム単体の活性向上ではなく、導電性MXeneフレームワーク内により多くの電気化学的にアクセス可能なパラジウムが配置されたことによるものであることが分かった。なお、20層まで厚くすると、拡散制限により電流密度と電気化学的表面積が低下する傾向が見られた。
背景・業界の文脈
現在、水素製造の主流である水蒸気メタン改質や石炭ガス化は、高温プロセスであり多量の二酸化炭素を排出する。一方、電気化学的な水電解はクリーンな手法だが、アノードでの酸素発生反応（OER）の速度が遅いため、理論電圧1.23 voltsに対し実際には1.5 volts以上の電圧が必要となり、エネルギー効率が低下するという課題がある。本研究では、OERを酸化電位が低く反応速度が速いメタノール酸化反応（MOR）に置き換えることで、このエネルギー損失を回避している。
今後の展望
開発された電極の耐久性は、100サイクル後でも初期電流密度の74.4 percentを維持し、0.2 voltsでの5時間のクロノアンペロメトリー試験においても安定した電流（約0.014〜0.016 milliamperes）を示した。電子顕微鏡観察では局所的な粒子の凝集は見られたものの、大規模な亀裂や剥離は確認されなかった。今後は、作動中の電極内部で起こるチタンの酸化状態の変化や電荷移動抵抗の変動など、界面での詳細な挙動の解明が重要となる。
元記事: https://bioengineer.org/layered-mxene-palladium-electrodes-split-methanol-to-make-hydrogen-cheaply/
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