電極表面の“水のつながり”が炭素電極の劣化を左右することを解明 ―水の構造を整えて、安価な炭素電極を長持ちさせる新たな設計指針―

2026-10-28 大阪大学

大阪大学産業科学研究所の研究チームは、炭素電極の劣化が、電極表面に存在する水分子のつながり方に左右されることを明らかにした。炭素電極は安価で導電性に優れ、電気化学的なエネルギー変換などに利用されるが、反応中に表面が酸化されると性能が低下する。研究チームは、電極表面と水の界面構造に着目し、水分子が形成するネットワークと炭素の酸化反応との関係を調べた。その結果、電極表面で水分子同士がどのようにつながっているかが、酸化反応の進みやすさに影響することを見いだした。この成果は、電極材料の組成を大きく変えることなく、表面近傍の水の構造を制御することで、炭素電極の耐久性を高められる可能性を示している。安価な炭素材料を長寿命化できれば、電気化学デバイスの性能向上やコスト低減につながると期待される。

電極表面の“水のつながり”が炭素電極の劣化を左右することを解明 ―水の構造を整えて、安価な炭素電極を長持ちさせる新たな設計指針―
図1:電極表面の水の構造と炭素腐食の関係。

<関連情報>

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Junsic Cho, David Hernández-Castillo, Jinjong Kim, Tomohiko Utsunomiya, Haesol Kim, Taejung Lim, Young Yong Kim, Hyo Sang Jeon, Hyung-Suk Oh, Yu Katayama, Sang Hoon Joo, …
Angewandte Chemie International Edition  Published: 24 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.8140389

Abstract

Carbon-based materials are widely used in modern electrochemical technologies, yet their susceptibility to oxidation at positive electrode potentials poses a durability challenge. While this degradation has commonly been addressed through modification of the carbon material itself, the interfacial chemistry that activates carbon oxidation remains poorly understood. Here, we show that the hydrogen-bonding (HB) network of interfacial water strongly influences anodic carbon stability. Operando differential electrochemical mass spectrometry combined with in situ attenuated total reflection surface-enhanced infrared absorption spectroscopy reveals that corrosion accelerates as the interfacial HB network becomes increasingly disrupted, implicating weakly H-bonded water as a reactive water population associated with carbon oxidation. Guided by this mechanistic insight, we modulate the local water structure using ionomer-defined interfaces. In a case study of chlorine evolution on a carbon-supported single-atom Pt catalyst, Sustainion-defined interfaces preserve a more ordered interfacial water-network and suppress carbon corrosion relative to Nafion-defined interfaces, whereas the latter promote surface charging favorable for chlorine evolution kinetics. By combining these functions in a mixed-ionomer layer, water-network-guided stabilization is implemented under anodic electrocatalytic operation with suppressed carbon corrosion. This work highlights interfacial water-network modulation as a promising design principle for extending the anodic stability of carbon-based electrodes.

0402電気応用
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