持続可能なエネルギー源の探求が最優先事項となっている時代において、研究者は燃料生産プロセスを強化するための革新的な方法を精力的に模索しています。化学エネルギーを電気エネルギーに、またはその逆に変換する最も重要なツールの 1 つは電極触媒であり、すでにさまざまなグリーン エネルギー技術で使用されています。

電極触媒作用が高速化電気化学反応触媒、つまりそれ自体を消費することなく反応速度を高める物質を使用します。電極触媒作用は、次のようなデバイスの基礎です。燃料これにより、水素と酸素などの燃料を電気に、あるいは水をそれぞれ水素と酸素に効率的に変換できるようになり、クリーン エネルギーのサイクルが促進されます。

しかし、問題は効率です。従来の電極触媒法では、エネルギー変換の重要なステップである反応物の触媒表面への輸送を最大化することができないことがよくあります。これにより、反応の全体的な効率が低下し、クリーン エネルギー ソリューションに向けた進歩が遅れます。

現在、EPFL のマガリ・リンゲンフェルダー率いる科学者たちは、クリーン燃料生産の効率を高める基本的なプロセスを追跡するための新しいアプローチを開発しました。に掲載ネイチャーコミュニケーションズ、仕事磁場と電極触媒の有望な交差点に焦点を当て、より効率的で環境に優しい燃料生産技術への道を提供します。

この研究では、触媒を磁場で囲むとローレンツ力、つまり磁場が電荷の移動に及ぼす力が生じることが示されました。これらは次に、触媒表面での反応物と生成物の動きを促進する旋回運動を誘発し、より安定した迅速な反応を保証するだけでなく、酸素還元反応 (ORR) などの反応における一般的なハードルである反応物の不足によってもたらされる制限も克服します。燃料電池にとって重要です。

これらすべてを行うために、研究者らは高度な磁気電気化学セットアップを使用して、磁場下でイオンの動きをリアルタイムで観察するツールを構築する必要がありました。実際の洗練されたセットアップについて、リンゲンフェルダー氏は、オフィスの隣人であり、電気化学におけるスピン効果も研究していたスピントロニクスの専門家であるジャン・フィリップ・アンセルメ教授に相談しました。

「ジャン・フィリップの電磁石を応用して、グリーン エネルギーの主要な電極触媒反応に対する磁場の影響を測定しました」と彼女は言います。「プリシラとユンチャン（研究の最初の著者）が開発した創造的なトリックを使用して、イオンが電解質中でどのように移動するかをその場で追跡することができました。磁場そして、再現可能な方法で電極触媒作用を高めるために磁場を適用する方法について確固たる基盤を提供することです。」非磁性電極に磁場を印加し、反応を監視することで、科学者たちはさまざまな効果を分離し、磁力が触媒周囲の反応物の動きをどのように撹拌し、促進するかを観察することができました。

このプロセスは、小型の渦巻きを作り出すことに似ており、グリーン水素製造に不可欠な反応効率を大幅に向上させ、持続可能なエネルギー技術を進歩させるための有望な道を提供します。

新しい方法は実用的ですか?研究では、科学者らは、非磁性界面上の磁場によって引き起こされる酸素還元反応の活性が 50% 以上増加することを示しました。これは効率の大幅な向上を意味しますが、最も重要なことは、ガス生成物や水素や酸素などの反応物が関与するさまざまな電極触媒反応を強化するために磁場に必要なメカニズムと条件を実証することで、チームがこの分野での多くの基本的な論争を解決できるようになったということです。

この研究は、磁場を利用して電極触媒の効率を向上させ、より効果的で持続可能な燃料生産を推進できる方法を示しています。それはエネルギー変換技術に革命をもたらし、例えば水素自動車などで燃料電池がより広く採用されるようになり、クリーンなエネルギー源としての水素の生産量を増やし、エネルギー消費が地球の気候変動に及ぼす影響を緩和することもできます。