白金陽極

アノードは主に水素製造のための工業用 PEM 水電気分解における酸素発生反応を促進しますが、プラチナでコーティングされたアノードは、別の重要な PEM 技術である固体高分子型燃料電池 (PEMFC) のコア触媒材料として長い間機能してきました。{0}} PEM 燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応を通じて発電します。陽極反応は H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ です。理論的には酸素発生反応よりも単純ですが、このプロセスは水素分子内の H-H 結合を切断する必要があるため、活性化エネルギーを下げるために高効率の触媒を必要とします。プラチナは、水素の吸着と解離に優れた能力を示します (H₂ + 2Pt → 2Pt-H)、その後に Pt-H → Pt + H⁺ + e⁻ というステップが続きます。電子は外部回路を通って流れて電流を生成し、プロトンは PEM を通ってカソードに移動し、そこで酸素と結合して水を形成します。

工業用 PEM 電解装置は定常状態では動作しません。その代わりに、再生可能エネルギーの投入に基づいて動的に調整する必要があります。たとえば、太陽光発電システムは日中高出力で動作し、風力発電は風速に応じて変動し、エネルギー貯蔵システムは迅速な応答を必要とします。その結果、PEM 水素製造装置は頻繁に起動、停止、負荷の増加、負荷の減少を繰り返します。ただし、起動と停止は電解槽の性能が最も低下しやすい段階です。主な原因には、ガスのクロスオーバー、局所的な電位スパイク、触媒の酸化、膜電極アセンブリの損傷などが含まれます。{4}}

のパフォーマンス白金陽極それは基本的にその独特の電子構造に由来します。プラチナは面心立方（fcc）構造を持つ金属であり、その 5d- 軌道電子は反応中間体と相互作用できます。 PEM アノードでの酸素発生反応 (OER) には、OH、O、OOH などの吸着中間体が関与します。完全な反応経路は通常、次のように表されます。まず、H2O + Pt → Pt-OH + H+ + e-。 2番目、Pt-OH → Pt-O + H⁺ + e⁻; 3番目、Pt-O + H₂O → Pt-OOH + H⁺ + e⁻; 4番目はPt-OOH → Pt + O₂ + H⁺ + e⁻。反応速度を決定する主な要因には、Pt-OH の吸着強度、Pt-O の結合能力、Pt 表面の電子状態が含まれます。吸着強度が高すぎると酸素の脱離が阻害され、触媒が被覆されにくくなり、吸着強度が不足すると水分子の活性化が困難になります。プラチナは酸素中間体の吸着に関して最適なバランスを備えているため、優れた触媒性能を発揮します。これが、プラチナが PEM 電気化学システムで長い間利用されてきた主な理由です。

膜電極接合体 (MEA) は PEM 電解槽の中核コンポーネントであり、その性能が水素製造効率に直接影響します。 MEA は主に、プロトン交換膜、触媒層、ガス拡散層で構成されます。触媒層の厚さは通常わずか数十ミクロンですが、電気化学反応全体を担っています。 MEA 内のコーティングされたアノードの主な機能は、酸化反応のための高度に活性な界面を提供することです。 PEM アノード反応には、複数の吸着された中間状態を経て進行する複数の-電子移動プロセス (H₂O → O₂) が含まれます。これらのステップには、水分子の吸着、O-H 結合の切断、酸素中間体の形成、O-O 結合の生成、および酸素の脱着が含まれます。白金表面は、これらのプロセスに対して優れた触媒活性を示します。