電極触媒

多くの配位錯体は電気化学反応を触媒するが、商業的に成功したものは少ない。よく研究されているプロセスには水素発生反応がある。^{[ 12 ]}

従来の化学触媒を電気触媒に置き換えることに大きな関心が寄せられている。このような方式では、電極から供給される電子が反応物となる。このテーマは、電子を再生可能な資源から供給できるため、グリーンエネルギーの分野における重要なテーマとなっている。水素ガスを使用するいくつかの変換は、プロトンを使用する電気化学プロセスに変換できる可能性がある。 ^{[ 13 ]} この技術は経済的に競争力がないままである。^{[ 14 ]}

もう一つの例は、窒素固定の分野に見られる。従来のハーバー・ボッシュ法では、窒素ガスを水素化することでアンモニアを生成する。

N₂ ₊ 3H₂ → _2NH₃​

電化されたバージョンでは、水素は陽子と電子の形で供給されます。 ^{[ 15 ] [ 16 ]}

N ₂ + 6 H ⁺⁺ 6 e ⁻ → 2 NH ₃

アンモニアは可燃性であるため、エネルギー源となる。このように、電化はエネルギー貯蔵の一手段とみなすことができる。

もう一つ、多くの努力を集めているプロセスは、二酸化炭素の電気化学的還元である。^{[ 11 ]}

一部の酵素は電気触媒として機能することができます。^{[ 17 ]} MoFeクラスターを含む酵素であるニトロゲナーゼは、大気中の窒素を固定する、つまり窒素ガスをアンモニアなどの分子に変換するために利用できます。タンパク質を電極表面に固定し、電子メディエーターを使用することで、このプロセスの効率が大幅に向上します。^{[ 18 ]}バイオ電気触媒の有効性は、一般的に、酵素の活性部位と電極表面間の電子輸送の容易さに依存します。 ^{[ 17 ]}他の酵素は、合成触媒の開発に関する洞察を提供します。たとえば、ニッケルを含む酵素であるギ酸デヒドロゲナーゼは、 _CO2還元に使用するために同様の分子構造を持つ合成複合体の開発を促しました。^{[ 19 ]}微生物燃料電池は、生物システムを電気触媒用途に活用できるもう1つの方法です。^{[ 17 ] [ 20 ]}微生物ベースのシステムは、特定の酵素の活性ではなく、生物全体の代謝経路を利用するため、幅広い化学反応を触媒することができます。^{[ 17 ]}微生物燃料電池は、グルコースなどの基質の酸化から電流を得ることができ、^{[ 20 ]} _{CO 2}還元などのプロセスに利用できます。^{[ 17 ]}

電気触媒作用は、白金金属などのバルク材料の表面で起こることがあります。金のバルク金属表面は、水素製造のためのメタノールの分解に用いられてきました。^{[ 2 ]}水の電気分解は、従来、白金やイリジウムなどの不活性バルク金属電極で行われています。^{[ 21 ]}電気触媒の活性は、一般的に2つ以上の金属を合金化することによって得られる化学的修飾によって調整できます。これは、電子構造、特に貴金属の触媒特性の原因と考えられているdバンドの変化によるものです。^{[ 22 ]}

水素と酸素は燃料電池を使用して結合させることができます。このプロセスでは、反応は別々の電極で起こる 2 つの半反応に分割されます。この場合、反応物のエネルギーは直接電気に変換されます。オットー熱力学サイクルに基づく内燃機関によって、この反応の熱から最大 60% の効率 (圧縮比 10、比熱比 1.4 の場合) で有用なエネルギーを得ることができます。また、燃料電池の場合と同様に、酸化還元メカニズムによって水素と酸素を結合させることも可能です。このプロセスでは、反応は別々の電極で起こる 2 つの半反応に分割されます。この場合、反応物のエネルギーは直接電気に変換されます。^{[ 36 ] [ 37 ]}

水素の標準還元電位は0Vと定義され、標準水素電極（SHE）と呼ばれることが多い。^{[ 38 ]}

HER ^{[ 10 ]}は多くの触媒によって促進される可能性がある。^{[ 10 ]}

CO ₂還元のための電気触媒は商業的に実施されていませんが、研究テーマとして残っています。 CO _{2を使用可能な製品に還元することは、}気候変動に対処する潜在的な方法です。電気触媒は、二酸化炭素をメタノールやその他の有用な燃料およびストック化学物質に還元することを促進することができます。 CO ₂の最も価値のある還元生成物は、エネルギー含有量が高いものであり、燃料として再利用できることを意味します。したがって、触媒の開発は、メタンやメタノールなどの製品の生産に焦点を当てています。^{[ 11 ]酵素[ 19 ]}や合成配位錯体^{[ 11 ]}などの均一触媒がこの目的で使用されています。炭素系材料やフレームワーク材料を含むさまざまなナノ材料も CO _{2還元のために研究されています。} ^{[ 39 ]}

メタノールの水溶液は、CO₂、水素ガス、水に分解することができます_。このプロセスは熱力学的に有利ですが、活性化障壁が非常に高いため、実際にはこの反応は通常観察されません。しかし、電気触媒はこの反応を大幅に加速できるため、メタノールは燃料電池用の水素貯蔵の可能性のある経路となります。^{[ 2 ]}金、白金、およびさまざまな炭素系材料などの電気触媒は、このプロセスを効果的に触媒することが示されています。炭素裏打ち二酸化スズナノ粒子上の白金とロジウムの電気触媒は、室温で二酸化炭素のみを副生成物として炭素結合を切断できるため、エタノールは電気を生成するために必要な水素イオンと電子に酸化されます。^{[ 40 ]}

電気触媒は、特定の化学反応を促進して合成生成物を得るために使用されます。グラフェンと酸化グラフェンは、合成用の電気触媒材料として有望であることが示されています。^{[ 41 ]}電気触媒法は、ポリマー合成にも可能性を秘めています。^{[ 42 ]}電気触媒合成反応は、反応の規模と目的に応じて、定電流、定電位、または定セル電圧の条件下で実行できます。^{[ 43 ]}

水処理システムでは、有害化合物の分解が必要となる場合が多い。これらの処理プロセスは高度酸化プロセスと呼ばれ、消毒副生成物、農薬、その他の有害化合物を破壊する上で重要である。これらのプロセスで、より分解されにくい化合物、特にPFASを分解できるようにするための取り組みが始まっている^{[ 44 ]。}