主要成果
効率的でスケーラブルな水素製造を可能にするプロトン交換膜水電解槽（PEMWE）の実現には、高価なイリジウム（Ir）に代わる触媒の開発が不可欠です。本研究では、固溶体Ru-O-Tiブリッジ構造における酸化物経路メカニズム（OPM）を巧みに利用することで、酸性条件下での水酸化反応において、高活性と長期安定性を同時に達成する新しいルテニウム（Ru）系触媒の開発に成功しました。これは、イリジウムフリー触媒開発における大きなブレークスルーとなります。
技術・臨床詳細
研究チームは、ルテニウム（Ru）とチタン（Ti）の固溶体としてRu0.8Ti0.2O2触媒を設計・合成しました。この触媒の最大の特徴は、酸化物経路メカニズム（OPM）を介して酸素発生反応（OER）を進行させる点にあります。OPMは、表面の金属中心が酸化状態を変化させることで酸素分子を生成するメカニズムであり、触媒の耐久性を高めることが知られています。従来の触媒が活性と安定性のトレードオフに直面する中で、Ru0.8Ti0.2O2触媒は、10 mA cm-2という電流密度で1,100時間以上にわたる連続運転においても安定した性能を維持し、さらに高電流密度である200 mA cm-2においても280時間以上の安定性を実証しました。この安定性は、PEMWEの実用化に向けた最大の課題の一つであった触媒寿命の問題を大幅に改善するものです。密度汎関数理論（DFT）計算と詳細な材料分析により、Ru-O-Ti固溶体内の局所的な電子構造と構造欠陥がOPMを促進し、高い触媒活性と安定性に貢献していることが解明されました。
背景・業界文脈
水素は、再生可能エネルギー源からの電力を貯蔵・輸送する媒体として、また産業プロセスや燃料電池におけるクリーンな燃料として、カーボンニュートラル社会の実現に不可欠な要素です。PEMWEは、高効率かつコンパクトな水素製造技術として注目されていますが、その性能とコストは貴金属触媒、特に高価なイリジウムに大きく依存しています。イリジウムの供給は限られており、価格変動リスクも高いため、イリジウムフリーまたは低イリジウム触媒の開発は、PEMWEの普及と水素エネルギーのコスト削減に直結する喫緊の課題でした。本研究の成果は、この課題に対する有望な解決策を提示するものです。
今後の展望
今回のRu-O-Ti固溶体触媒の開発は、PEMWEにおけるイリジウムの使用量を大幅に削減、あるいは完全に排除する道を開きます。これにより、水素生産のコストが劇的に下がり、グリーン水素の普及が加速されるでしょう。研究チームは今後、触媒のスケーラビリティ、製造プロセスの最適化、さらに過酷な条件下での長期耐久性評価に焦点を当てて研究を進めることが予想されます。この技術は、燃料電池車、電力グリッドの水素貯蔵システム、化学工業における水素供給など、幅広い分野での水素利用を促進し、最終的には化石燃料に依存しない持続可能なエネルギーシステムの構築に大きく貢献すると期待されます。
元記事: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.6b01322
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