水・窒素反応を介したエネルギー・環境持続可能性のための先進的な電気触媒反応の開発

Advanced Electrocatalysis for Energy and Environmental Sustainability via Water and Nitrogen Reactions.

• Yi Li
• Huanhuan Wang
• Cameron Priest
• Siwei Li
• Ping Xu
• Gang Wu

抄録

化石燃料の圧倒的な使用によるエネルギー・環境問題への対応として、持続可能な水と窒素反応によるクリーンで効率的なエネルギー貯蔵・変換が大きな注目を集めています。これらの電気化学反応は、先進的な水電解槽、水素燃料電池、アンモニアの電気合成・利用などのクリーンエネルギー技術を実現するために必要不可欠なものです。これらの反応は反応速度が遅いため、エネルギー変換効率が悪いという問題があります。これらのエネルギー変換効率を向上させ、十分な性能と耐久性を実現するためには、電極と電解質の界面での電荷移動や物質移動を促進する革新的な電極触媒反応が重要な役割を果たしています。ここでは、水（酸素発生反応OER、酸素還元反応ORR）と窒素（アンモニア合成のための窒素還元反応NRR、エネルギー利用のためのアンモニア酸化反応AOR）に関するこれらの電極触媒プロセスの最近の進歩、成果、残された課題について総説します。これらの電極触媒プロセスのための触媒、電解質、および電極内での両者の界面について議論される。特に、OER関連のプロトン交換膜（PEM）電解槽、ORR関連のPEM燃料電池、水と窒素からのNRR駆動アンモニア電気合成、AOR関連の直接アンモニア燃料電池のデバイス性能に重点を置いています。

Clean and efficient energy storage and conversion via sustainable water and nitrogen reactions have attracted substantial attention to address the energy and environmental issues due to the overwhelming use of fossil fuels. These electrochemical reactions are crucial for desirable clean energy technologies, including advanced water electrolyzers, hydrogen fuel cells, and ammonia electrosynthesis and utilization. Their sluggish reaction kinetics lead to inefficient energy conversion. Innovative electrocatalysis, i.e., catalysis at the interface between the electrode and electrolyte to facilitate charge transfer and mass transport, plays a vital role in boosting energy conversion efficiency and providing sufficient performance and durability for these energy technologies. Herein, a comprehensive review on recent progress, achievements, and remaining challenges for these electrocatalysis processes related to water (i.e., oxygen evolution reaction, OER, and oxygen reduction reaction, ORR) and nitrogen (i.e., nitrogen reduction reaction, NRR, for ammonia synthesis and ammonia oxidation reaction, AOR, for energy utilization) is provided. Catalysts, electrolytes, and interfaces between the two within electrodes for these electrocatalysis processes are discussed. The primary emphasis is device performance of OER-related proton exchange membrane (PEM) electrolyzers, ORR-related PEM fuel cells, NRR-driven ammonia electrosynthesis from water and nitrogen, and AOR-related direct ammonia fuel cells.

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