主要成果
韓国の基礎科学研究院（IBS）のナノ粒子研究センター（Hyeon Tae-hwanセンター長、Sung Young-eun副センター長）と、高麗大学のLee Byung-hoon教授、慶熙大学のKim Min-ho教授らによる共同研究チームが、白金（プラチナ）の使用量を従来比で約63%削減しながら、耐久性を向上させた次世代水素触媒を開発しました。この触媒をプロトン交換膜水電解装置に適用したところ、500時間の連続運転においても構造的安定性を維持し、性能劣化の指標となる電圧上昇率は、従来の商用触媒の約4分の1にまで抑制されました。
技術・詳細
今回のブレイクスルーの核心は、触媒形成前に各白金原子の位置を指定する「網状配位（reticular coordination）」戦略にあります。具体的には、金属と有機化合物が規則的に相互接続された構造体である「金属有機構造体（MOF）」を用い、個々の白金原子をセリウム・酸素格子に固定しました。その後、熱処理によって構造全体をセリア（酸化セリウム）に変換することで、白金含有率を14.9%まで高めつつ、原子レベルで均一に分散させた高密度触媒の合成に成功しました。
特筆すべきは、水素環境下で300度から500度の高温処理を行った後でも、白金粒子の成長が抑制された点です。一部の白金原子は小さなクラスターを形成したものの、セリア基材との強力な結合によって構造的な安定性が保たれています。
背景・業界の文脈
白金は水素製造や自動車の排ガス浄化に広く用いられる高性能な触媒材料ですが、極めて高価であるため、使用量が増えるほどプロセスの経済性が低下するという課題がありました。これを解決するため、白金を1原子ずつ分散させる「単一原子触媒」の研究が進められてきましたが、白金の含有量を増やすと原子が凝集して大きな粒子になりやすく、触媒効率と安定性が低下するため、従来の技術では白金含有量を1%未満に抑える必要がありました。
今後の展望
本技術は水素製造のみならず、自動車の排ガス浄化や化学原料の生産への応用が見込まれています。研究チームは今後、白金以外の貴金属であるイリジウムやロジウムへの適用拡大を計画しています。また、メタンと二酸化炭素から水素と一酸化炭素を生成する「ドライメタンリフォーミング」や、車両の有害排出物を削減する三元触媒など、高温反応環境下における金属粒子の成長抑制効果についても検証を行う予定です。
元記事: https://biz.heraldcorp.com/article/10922985
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