Fe-Ni系二元金属電極触媒の合理的設計とin situ成長カーボンナノチューブによる効率的CO2電気化学還元

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Offers a clear methodology for designing MOF-derived bimetallic catalysts with in situ CNT growth for high-performance CO2RR.

🏢実務担当者:Could inform the development of cost-effective catalysts for industrial CO2 electrolysis, potentially reducing reliance on precious metals.

🏛政策担当者:Supports the technological feasibility of electrochemical CO2 utilization, which can inform policy on carbon recycling and CCUS incentives.

化石燃料の燃焼や工業プロセスなどの人為活動に起因する二酸化炭素（CO₂）の過剰排出は、地球規模の気候変動に大きく寄与している。CO₂排出を緩和する戦略は、一般的に（i）物理的回収・貯留と、（ii）CO₂の高付加価値化学品への変換の2つの主要なアプローチに分類される。二酸化炭素の電気化学的還元（CO₂RR）は、持続可能なエネルギー転換を促進する有望な経路として浮上している。CO₂RRの主要生成物である一酸化炭素（CO）は、メタノールやオレフィンなどの様々な高付加価値化学品を合成するための、多用途かつ不可欠な工業用原料として機能する。 AuやAgなどの貴金属は、主要生成物としてCOを生成する触媒として広く使用されているが、その限られた入手可能性と高いコストが、その広範な応用を制限している。その結果、高い活性、選択性、安定性を示す、地球に豊富に存在する元素で構成された触媒の開発に対する大きな需要がある。対照的に、NiやFeなどの金属は、一般的にCO₂RRよりも水素発生反応を優先する。しかし、これらの金属が窒素-炭素基材に固定されると、CO₂RRに対する触媒活性が大幅に向上する可能性がある。金属-有機構造体（MOF）は、金属イオンと有機配位子との間の強力な配位によって構築される多孔質構造を特徴とする。MOFは、明確に定義された結晶構造、高い表面積、調整可能な細孔環境により、触媒設計のための非常に汎用性の高いプラットフォームを提供する。MOFのモジュール式の性質により、活性部位の空間分布を精密に制御でき、合成後修飾を容易にし、それによって触媒活性、選択性、安定性の合理的な最適化が可能になる。その結果、MOFベースの触媒は、従来の多孔質材料では達成が困難な、効率的でオーダーメイドの触媒システムの開発に独自の機会を提供する。 本研究では、カーボンナノチューブ（CNT）をin situで成長させ、貴金属触媒の代替としてCO₂RRに使用されるFe/Ni–N–CNT触媒を合成した。Fe/Ni-N-CNT触媒を合成するために、MOFの一種であるゼオライトイミダゾレート骨格構造体（ZIF）を前駆体基材として利用した。ZIF-8ベースの前駆体においてZnサイトをFeとNiで置換することにより、窒素-炭素マトリックス内に二元金属中心が形成された。同時に、高導電性のin situ成長CNTは、触媒の電気伝導性を大幅に向上させ、その電気化学的活性を改善する。さらに、一次元CNTネットワークは、CO脱離を促進し、物質移動を改善し、電極/電解質界面を安定化させる。 電気化学測定は、膜電極接合体（MEA）セルを用いて、広い電位範囲にわたって定電位条件下で実施された。CO₂RRは、陽極での酸素発生反応と同時に進行する。これらの条件下で、Fe/Ni-N-CNTは、広い電位範囲にわたって95%以上のCOファラデー効率を維持し、-2.2 V（セル電圧）で150 mA cm⁻²の電流密度に達した。全体として、この研究は、MOF由来のFe/Ni-N-CNT触媒の合理的設計により、関連する条件下で効率的かつ選択的なCO₂RRからCOへの電気化学的変換が可能になることを実証している。二元Fe-Ni活性部位と導電性CNTネットワークとの間の相乗的相互作用は、MEA構成における物質輸送と電荷移動を促進しながら、触媒活性、選択性、安定性を向上させる。これらの知見は、効率的かつ選択的なCO₂電気還元を促進するためのMOF由来触媒設計戦略の成功を裏付けている。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Excessive emissions of carbon dioxide (CO 2 ) resulting from anthropogenic activities, such as fossil fuel combustion and industrial processes, significantly contribute to global climate change. Strategies to mitigate CO 2 emissions are generally classified into two primary approaches: (i) physical capture and storage, and (ii) the conversion of CO 2 into value-added chemicals. The electrochemical reduction of carbon dioxide (CO₂RR) has emerged as a promising pathway for facilitating sustainable energy transitions. The primary product of CO 2 RR, carbon monoxide (CO), serves as a versatile and essential industrial feedstock for synthesizing various value-added chemicals, such as methanol and olefins. Although noble metals, such as Au and Ag, are extensively employed as catalysts to produce CO as the primary product, their limited availability and high cost restrict their widespread application. Consequently, there is a significant demand for the development of catalysts composed of earth-abundant elements that exhibit high activities, selectivity, and stability. In contrast, metals such as Ni and Fe typically favor the hydrogen evolution reaction over CO 2 RR. However, when these metals are anchored onto nitrogen-carbon substrates, their catalytic activity towards the CO 2 RR can be significantly enhanced. Metal-organic frameworks (MOFs) are characterized by their porous architectures, which are constructed through strong coordination between metal ions and organic ligands. MOFs offer a highly versatile platform for catalyst design owing to their well-defined crystalline structures, high surface areas, and tunable pore environments. The modular nature of MOFs enables precise control over the spatial distribution of active sites and facilitates post-synthetic modification, thereby allowing rational optimization of catalytic activity, selectivity, and stability. Consequently, MOF-based catalysts provide unique opportunities for the development of efficient and tailor-made catalytic systems that are difficult to achieve using conventional porous materials. In this study, carbon nanotubes (CNTs) were grown in situ to synthesize an Fe/Ni–N–CNT catalyst, which was employed for the CO 2 RR as an alternative to precious metal catalysts. To synthesize an Fe/Ni-N-CNT catalyst, we utilized a zeolitic imidazolate framework (ZIF), a variant of MOFs, as the precursor substrate. By substituting Zn sites with Fe and Ni in a ZIF-8-based precursor, dual metal centers were formed within a nitrogen-carbon matrix. Simultaneously, highly conductive in situ grown CNTs significantly enhance the electrical conductivity of the catalyst and improves its electrochemical activity. Additionally, the one-dimensional CNT network facilitates CO desorption, improves mass transfer, and stabilizes the electrode/electrolyte interface. Electrochemical measurements were conducted under potentiostatic conditions over a wide potential range using a membrane electrode assembly (MEA) cell. The CO₂RR proceeds concurrently with the anodic oxygen evolution reaction. Under these conditions, Fe/Ni-N-CNT maintained a CO Faradaic efficiency above 95% over a wide potential range and reached a current density of 150 mA cm⁻² at -2.2 V (cell voltage). Overall, this work demonstrates that the rational design of MOF-derived Fe/Ni-N-CNT catalysts enables the efficient and selective electrochemical CO 2 RR to CO under relevant conditions. The synergistic interaction between the dual Fe-Ni active sites and the conductive CNT network enhances catalytic activity, selectivity, and stability while facilitating mass transport and charge transfer in a MEA configuration. These findings confirm the success of the MOF-derived catalyst design strategy for promoting efficient and selective CO 2 electroreduction.

• semanticscholar https://doi.org/10.1149/ma2026-01412095mtgabsfirst seen 2026-07-20 05:28:47 · last seen 2026-09-22 05:05:04