MOFガラス膜の応用でグリーンな水素製造に一歩―工場の廃水蒸気の温度で作動する膜材料を開発―

2026-10-22 京都大学

京都大学の堀毛悟史教授、上原広充特定准教授らの研究グループは、金属イオンと有機分子からなる金属有機構造体(MOF)のガラスを利用し、高温域でも水素イオン(プロトン)を通す膜材料を開発した。膜にプロトン伝導性を調整する成分を組み込むことで、広い温度範囲でプロトンが移動できることを実証し、170℃の水蒸気を電気分解して水素を製造することに成功した。従来のアルカリ水電解は主に100℃以下で運転されるため、工場などから発生する高温の排熱や水蒸気を十分に活用しにくいという課題があった。今回の材料は、150~250℃程度の温度域での水電解に向けた新たな選択肢となる。再生可能エネルギーとの連携に加え、これまで利用されにくかった工場排熱を活用できれば、化石燃料への依存を減らし、環境負荷の小さい水素製造につながる可能性がある。

MOFガラス膜の応用でグリーンな水素製造に一歩―工場の廃水蒸気の温度で作動する膜材料を開発―
(上)今回用いたMOFガラスの模式図。この中にプロトンを通す修飾成分(赤で示す球)を入れることにより、水の電気分解に必要なプロトン伝導性膜を作ることができる。(下)水の電気分解の模式図および実際使用した電気分解セルの写真。

<関連情報>

ハイブリッドガラスにおける修飾成分がもたらす200℃超プロトン伝導 Modifier-Driven Proton Conductivity in Hybrid Glasses above 200 °C

Ellan K. Berdichevsky;Motoyasu Yamasaki;Takuya Kurihara;Taichi Nishiguchi;Siyuan Ye;Koki Ando;Yuta Hashiguchi;Hiromitsu Uehara;Carl K. Brozek;Satoshi Horike
Journal of the American Chemical Society  Published:October 21, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c14370

Abstract

Compositional tuning is a cornerstone of inorganic glass science, yet analogous strategies remain underdeveloped for emerging metal–organic hybrid glasses. We introduce phosphate modification of zinc imidazolate glass as a route to hybrid glasses with tunable network connectivity and proton-conductive functionality. Melt-quenching of ZIF-zni with benzimidazolium dihydrogen phosphate (BP) affords a series of cm-scale, transparent bulk glasses across a wide compositional range. Systematic characterization reveals that modification proceeds through ligand exchange at zinc centers, increasing the average coordination number from 4 to above 5 and progressively depolymerizing the imidazolate network. Despite macroscopic homogeneity, X-ray total scattering identifies a quasi-periodic ordering at ∼11 Å, and 1H NMR spin relaxation establishes nanoscale phase segregation between ZIF-derived and BP-rich domains of 2–70 nm. This heterogeneity underpins proton transport under anhydrous conditions; conductivities of 10–5–10–3 S cm–1 at 240 °C follow Vogel–Tammann–Fulcher dynamics, confirming that segmental motion couples to ion mobility. Infiltrating the glass into a porous PTFE scaffold yields a composite membrane that achieves 8.4 × 10–5 S cm–1 at 170 °C under humidification and sustains steam electrolysis with near-unity Faradaic efficiency. These results establish network-modified hybrid glasses as a scalable and designable platform for intermediate-temperature solid electrolytes.

0500化学一般
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました