全体的な反応:2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
電気化学反応とは、化学反応が発生することですが、電力を生成するか、電気的能力を必要とします。関数。たとえば、気球に入れられた水素ガスと酸素ガスを考えてみましょう。ガスの組み合わせだけなので何も起こりません。
しかし、2 つを規制された方法で相互に反応させることができれば、水。これは、電極触媒を使用できる場所です。電極触媒とは何かを知る前に、触媒とは何かを理解し、それが電極触媒とどのように異なるかを学ぶ必要があります。体重:普通">
触媒とは?
触媒は、消費されることなく化学反応を促進する物質です。熱力学的な観点から、化学反応に必要な活性化エネルギーを減らします。また、電気化学反応の活性化エネルギーにも影響します。
電極触媒は、電気化学反応の活性化エネルギーに影響を与える触媒です。電気化学反応では、活性化エネルギーは、反応が起こる電位または電圧に比例します。その結果、電極触媒は、酸化および還元反応が起こる電位をしばしば変化させます。電極触媒の主な目的は、電極表面または固液界面で発生する電気化学プロセスを加速することです。
一般に、電極触媒は均一電極触媒と不均一電極触媒の 2 種類に分けられます。均質な電極触媒は、反応物と同じ相に存在し、溶液中での電気化学反応の加速に役立ちます。ほとんどの場合、均一な電極触媒は可溶性であり、電極と反応物間の電子の輸送を助け、全体的な半反応によって特徴付けられる化学変換を促進します。
特定の酵素には、電極触媒として機能する能力があります。 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ために使用され、窒素ガスをアンモニアのような化合物に変換します。別の例として、ニッケル含有酵素であるギ酸デヒドロゲナーゼは、CO2 削減に匹敵する分子構造を持つ合成化合物の開発に火をつけました。
しかし、異種電極触媒に関しては、反応物とは異なる相に存在します。ほとんどの不均一な電極触媒反応では、金属の場合がある固体触媒と、液体溶液およびイオン伝導が可能なポリマーの場合がある電解質との間の電子移動が必要です。
反応は、触媒と電解質、および界面の両方に影響されます。また、固体、液体、気体の各成分、および油と水などの混和しない混合物も区別します。不均一な電極触媒の最も良い例の 1 つは、ナノ粒子です。さまざまなナノ粒子材料がさまざまな電気化学プロセスを促進することが証明されていますが、それはサイズ、形状、および表面歪みに依存します。
水電解における電気化学反応
水の電気分解は、電気を使用して水を酸素と水素ガスに分解します。この水素ガスは、溶接に使用される水素燃料または酸水素ガスを生成する可能性があります。
負に帯電したカソードを含む純水中で還元反応が起こります。陰極からの電子 (e-) は水素陽イオンに移動し、水素ガスが発生します。酸とのバランスのとれた半反応は次のとおりです。
カソードでの還元:2 H+(aq) + 2e− → H2(g)
プラスに帯電した陽極になると、酸化反応が起こり、酸素ガスが生成され、電子が放出されますアノードに。以下は次のとおりです。
陽極での酸化:2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4e−
すべての半反応が、すべての状況下で酸または塩基と釣り合っていなければならないわけではありません.一方、酸平衡反応は通常、酸性 (低 pH) 溶液で見られます。ただし、塩基平衡反応に関しては、必須 (高 pH) 溶液が支配的です。
カソード (還元):2 H2O(l) + 2e− → H2(g) + 2 OH −(aq)
陽極 (酸化):2 OH−(aq) → 1/2 O2(g) + H2O (l) + 2 e−
各半反応ペアを組み合わせると、水の酸素と水素への全分解はちょうど同じです。
全体的な反応:2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
水の電気分解では、水はカソードで還元されて H2 になり、水はアノードで酸化してO2を生成します。ここでは、両方の反応が速度論的に遅く、エネルギー効率が低くなります。その結果、電極での反応を促進するために電極触媒が必要になります。
水の電気分解は、超高純度の水素を生成する能力で称賛されています。ただし、陽極酸素発生プロセスの運動学的限界により、従来の水電解システムのエネルギー効率が制限されます。
ハイブリッド水電気分解システムの革新的で大幅に改善されたバージョンが開発され、最後の年を通して実証されました。十年。従来の水の電気分解における重大な課題は、酸素発生反応をより単純な酸化反応に置き換え、陰極水素発生反応と結合することで対処されます。
電極触媒の利点
電極触媒は水の電気分解に使用され、メタノールの酸化反応を助けます。
金属電着に使用され、水素および酸素の還元反応にも使用されます。
廃水管理処理に使用され、ナノ粒子の合成に使用されます。
さまざまな化学反応を研究することは役に立ちます.
電気還元プロセスでの干渉を避けるために使用されます。
物理科学、化学科学、生物科学で使用されています。
電荷移動還元の活性化エネルギーを減少させるために使用されます。
結論
電気触媒は日常生活で重要な役割を果たし、多くの製品の開発に不可欠です。化学の分野だけでなく、生物科学や物理科学でも使用されています。燃料電池の開発にも使用されており、この分野での触媒作用の唯一の用途ではありません。
