メソポーラス酸化タンタル上に堆積された特別に設計されたイリジウムナノ構造は、導電性、触媒活性、長期安定性を向上させます。
画像：韓国と米国の研究者らは、酸素発生反応活性を高めた新しいイリジウム触媒を開発しました。これにより、プロトン交換膜を用いた水の電気分解による水素生成をコスト効率よく実現できます。詳細はこちら
世界のエネルギー需要は増加し続けています。クリーンで持続可能なエネルギーソリューションの探求において、輸送可能な水素エネルギーは大きな可能性を秘めています。この点で、水の電気分解によって余剰電気エネルギーを輸送可能な水素エネルギーに変換するプロトン交換膜水電解装置（PEMWE）は、大きな関心を集めています。しかし、電気分解の重要な要素である酸素発生反応（OER）の速度が遅いこと、そしてイリジウム（Ir）や酸化ルテニウムなどの高価な金属酸化物触媒を電極に大量に充填することが制限されていることから、水素製造における大規模な応用は依然として限られています。したがって、PEMWEの広範な応用には、費用対効果が高く高性能なOER触媒の開発が必要です。

最近、韓国の光州科学技術大学のChangho Park教授が率いる韓国系アメリカ人の研究チームは、改良されたギ酸還元法を用いて、メソポーラス酸化タンタル（Ta2O5）をベースにした新しいイリジウムナノ構造触媒を開発し、PEM水の効率的な電気分解を実現した。 研究は2023年5月20日にオンラインで公開され、2023年8月15日にJournal of Power Sources誌の第575巻に掲載される予定だ。この研究は、韓国科学技術研究院（KIST）の研究者であるChaekyong Baik博士との共同執筆である。
「電子豊富なIrナノ構造は、エチレンジアミン包囲プロセスと組み合わせたソフトテンプレート法によって調製された安定したメソポーラスTa2O5基板上に均一に分散されており、これにより単一のPEMWEバッテリー中のIr含有量が0.3 mg cm-2まで効果的に低減されます」とパーク教授は説明しました。 革新的なIr/Ta2O5触媒の設計は、Irの利用率を向上させるだけでなく、より高い導電性とより大きな電気化学的活性表面積も備えていることに注目すべきです。
さらに、X線光電子分光法およびX線吸収分光法は、IrとTaの間に強い金属-担体相互作用が存在することを明らかにし、密度汎関数理論計算は、TaからIrへの電荷移動がOやOHなどの吸着種との強い結合を引き起こし、OOP酸化プロセス中のIr(III)比を維持することを示唆しています。これにより、Ir/Ta2O5の活性が向上し、過電圧はIrO2の0.48Vと比較して0.385Vと低くなります。
研究チームは、触媒の高いOER活性を実験的に実証し、10 mA cm-2で288 ± 3.9 mVの過電圧と、1.55 Vで876.1 ± 125.1 A g-1という極めて高いIr質量活性を観測しました。これは、ブラック氏の場合の相当する値です。実際、Ir/Ta2O5は優れたOER活性と安定性を示し、これは膜電極接合体の単セル動作で120時間以上も確認されました。
提案された方法は、負荷レベルIrを低減し、OERの効率を向上させるという二重の利点を有する。「OERの効率向上はPEMWEプロセスのコスト効率を補完し、ひいては全体的な性能向上をもたらします。この成果はPEMWEの商業化に革命をもたらし、主流の水素製造方法としての採用を加速させる可能性があります」と、楽観的なパーク教授は示唆している。

全体として、この開発により、持続可能な水素エネルギー輸送ソリューションの実現に近づき、カーボンニュートラルの状態を達成できるようになります。
光州科学技術院（GIST）について 光州科学技術院（GIST）は、韓国の光州にある研究大学です。1993年に設立され、韓国で最も名声の高い大学の一つとなっています。本学は、科学技術の発展を促進し、国内外の研究プロジェクト間の連携を促進する強力な研究環境の構築に尽力しています。「未来の科学技術を誇りを持って形作る」というモットーを掲げ、GISTは常に韓国のトップ大学にランクされています。
著者について パク・チャンホ博士は、2016年8月より光州科学技術院（GIST）の教授を務めています。GIST就任前は、サムスンSDIの副社長を務め、サムスン電子SAITで修士号を取得しました。1990年に韓国科学技術院化学部で学士号、1992年に修士号、1995年に博士号を取得しました。現在は、ナノ構造炭素および混合金属酸化物担体を用いた燃料電池および電気分解における膜電極接合体（MEA）用触媒材料の開発に取り組んでいます。専門分野で126本の科学論文を発表し、227件の特許を取得しています。
チェギョン・ベク博士は、韓国科学技術研究院（KIST）の研究員です。PEMWE OERおよびMEA触媒の開発に携わっており、現在はアンモニア酸化反応用の触媒とデバイスに重点を置いています。2023年にKISTに着任する前は、光州科学技術院でエネルギー統合の博士号を取得しました。
電子豊富な Ta2O5 によってサポートされたメソポーラスイリドナノ構造は、酸素発生反応の活性と安定性を高めることができます。
著者らは、本論文で発表された研究に影響を与えた可能性のある、競合する金銭的利益や個人的関係は存在しないことを宣言します。
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