メソポーラス酸化タンタル上に堆積させた特殊なイリジウムナノ構造は、導電性、触媒活性、および長期安定性を向上させる。
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、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費用対効果の高い方法で実現しました。詳細はこちら
世界のエネルギー需要は増え続けている。輸送可能な水素エネルギーは、クリーンで持続可能なエネルギーソリューションを模索する上で大きな可能性を秘めている。この点において、余剰電気エネルギーを水の電気分解によって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）は大きな注目を集めている。しかし、電気分解の重要な要素である酸素発生反応（OER）の反応速度が遅いこと、およびイリジウム（Ir）やルテニウム酸化物などの高価な金属酸化物触媒を電極に高負荷で使用しなければならないことから、水素製造における大規模な応用は依然として制限されている。したがって、PEMWEの普及には、費用対効果が高く高性能なOER触媒の開発が必要である。

最近、韓国の光州科学技術院のパク・チャンホ教授率いる韓国系アメリカ人の研究チームが、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）をベースと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ました。この研究は2023年5月20日にオンラインで公開され、2023年8月15日にはJournal of Power Sources誌の第575巻に掲載される予定です。この研究は、韓国科学技術院（KIST）の研究者であるペク・チェギョン博士との共著です。
「電子豊富なIrナノ構造は、エチレンジアミン周囲処理と組み合わせたソフトテンプレート法によって作製された安定したメソポーラスTa2O5基板上に均一に分散しており、単一のPEMWE電池のIr含有量を0.3 mg cm-2に効果的に低減します」とパク教授は説明した。Ir/Ta2O5触媒の革新的な設計は、Irの利用効率を向上させるだけでなく、より高い導電率とより大きな電気化学的に活性な表面積も有していることに注目すべきである。
さらに、X線光電子分光法およびX線吸収分光法により、IrとTaの間に強い金属担体相互作用が存在することが明らかになった。一方、密度汎関数理論計算では、TaからIrへの電荷移動が示され、これによりOやOHなどの吸着物が強く結合し、OOP酸化プロセス中にIr(III)の比率が維持されることが分かった。その結果、Ir/Ta2O5の活性が向上し、IrO2の0.48Vと比較して過電圧が0.385Vと低くなった。
研究チームはまた、触媒の高い OER 活性を実験的に実証し、10 mA cm-2 での過電圧 288 ± 3.9 mV と、対応する値 1.55 V での Ir 質量活性 876.1 ± 125.1 A g-1 という非常に高い値を観測した。これは、ブラック氏に対する結果である。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 120 時間以上の単セル動作によってさらに確認された。
提案された方法は、負荷レベルIrを低減し、OERの効率を高めるという二重の利点がある。「OERの効率向上はPEMWEプロセスのコスト効率を補完し、全体的な性能を向上させる。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る」と、パク教授は楽観的に述べている。

全体として、この進展は持続可能な水素エネルギー輸送ソリューションの実現、ひいてはカーボンニュートラル状態の達成に私たちをより近づけるものです。
光州科学技術院（GIST）について 光州科学技術院（GIST）は、韓国光州市に位置する研究大学です。1993年に設立されたGISTは、韓国で最も権威ある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推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高く形作る」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インしています。
著者紹介：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に着任する前は、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、1992年、1995年に、韓国科学技術院化学科でそれぞれ学士号、修士号、博士号を取得しています。現在の研究テーマは、ナノ構造炭素と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用触媒材料の開発です。専門分野において、126編の科学論文を発表し、227件の特許を取得しています。
ペク・チェギョン博士は、韓国科学技術院（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およびデバイスに注力しています。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によって支持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向上させることができる。
著者らは、本稿で発表された研究に影響を与えた可能性のある、既知の競合する経済的利益または個人的な関係は一切ないことを表明します。
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