太陽光水分解における隠れた損失を明らかにする新手法(New technique reveals hidden losses in solar water splitting)

2026-10-08 インペリアル・カレッジ・ロンドン(ICL)

英国インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究チームは、太陽光水分解における酸素生成量をリアルタイムで測定する新手法を開発し、電流測定だけでは把握できない反応損失を明らかにした。研究では、広く研究されている酸化鉄(ヘマタイト)を対象に、光電気化学質量分析法(PEC-MS)を用い、試料への照射、光電流の測定、酸素発生量の直接測定を同時に実施した。その結果、低電流領域では電荷の多くが酸素生成以外の表面反応に消費される一方、表面に十分な正電荷が蓄積すると酸素生成の効率が大きく上昇する「選択性スイッチ」が確認された。条件によって酸素生成効率は約80%に達した。同様の挙動は暗所で電気的に反応を駆動した場合にも観察され、光照射特有ではなく、ヘマタイト自体の反応特性であることが示唆された。本手法は、電流を酸素生成量の代替指標とする従来の評価の限界を明らかにし、太陽燃料やグリーン水素の製造に向けた材料評価の高精度化に貢献する。

太陽光水分解における隠れた損失を明らかにする新手法(New technique reveals hidden losses in solar water splitting)
Electrochemical Mass Spectrometry (EC-MS) equipment at Royce at Imperial

<関連情報>

オペランド光電気化学質量分析法によるヘマタイト光アノード上での水酸化反応次数と酸素発生選択性の関連付け Linking Oxygen Evolution Selectivity to Water Oxidation Reaction Order on Hematite Photoanodes by Operando Photoelectrochemical Mass Spectrometry

Daniele Benetti;Soren B. Scott;Shijie Yu;James Murawski;Caiwu Liang;Anna Winiwarter;Guangmeimei Yang;Andreas Kafizas;Anna Hankin;Ifan E. L. Stephens;James R. Durrant;Flurin Eisner
Journal American Chemical Society  Published:September 26, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c11949

Abstract

Water oxidation on metal-oxide (photo)anodes is often assumed to yield molecular oxygen. Here, we combine operando photoelectrochemical mass-spectrometry oxygen detection with spectroelectrochemical rate law analyses to link oxygen selectivity to surface-hole density on hematite photoanodes. At low current and hole densities, where first-order kinetics dominate, a near-zero Faradaic efficiency for oxygen evolution is observed, revealing that isolated single-hole water oxidation is poorly coupled to molecular oxygen formation. Increasing surface-hole density sharply increases O2 Faradaic efficiency, showing that the kinetic crossover to cooperative third-order water oxidation is also a selectivity switch toward O2 evolution. Equivalent behavior under dark electrochemical operation shows that multihole chemistry is intrinsic to hematite and governs selective oxygen evolution, likely representing a general feature of semiconducting metaloxides.

0500化学一般
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