水素生成の効率を高めるための研究(Toward more efficient hydrogen production)

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2025-06-12 スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)

EPFLの研究者たちは、水を分解して水素と酸素を生成する「酸素発生反応(OER)」における最初で最大のボトルネックであるプロトン・電子の移動機構を、高度な分子動力学シミュレーションと機械学習を組み合わせることで解明しました。彼らは、光吸収材料であるバナジン酸ビスマス(BiVO₄)と水の界面において、プロトンが先に移動し、その後に“ホール”(電子の欠損)が移るという逐次反応機構を特定。従来の理論理解を超え、反応速度の律速段階が明確に示されました。実験時間を伸ばして数十ナノ秒に渡る動的な反応解析を行い、プロトン転移が主要経路であることを機械学習ポテンシャルで再現可能な精度で示しています。今後は、触媒表面改質や添加剤導入を通じて、この機構を強化し、水素発生の効率向上に繋げることが期待されます。さらに、本研究は高精度・長時間スケールでの材料表面反応を解析する新基準を提示しました。

<関連情報>

水の酸化における最初のプロトン結合電子移動のメカニズム–水界面 Mechanism of First Proton-Coupled Electron Transfer of Water Oxidation at the –Water Interface

Dr. Yong-Bin Zhuang, Prof. Alfredo Pasquarello
Angewandte Chemie International Edition  Published: 14 May 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202507071

Graphical Abstract

The free-energy surface for the first step of the oxygen evolution reaction at the mathematical equation–water interface is obtained through machine-learning potentials at the hybrid-functional level of accuracy. This work reveals that the proton transfer is the rate-limiting step, consistent with kinetic-isotope-effect experiments.

水素生成の効率を高めるための研究(Toward more efficient hydrogen production)

Abstract

The oxygen evolution reaction (OER) at the mathematical equation–water interface is considered to be the bottleneck of the overall water splitting at this aqueous interface. To provide insight into the mechanism of this reaction, the focus is set on the first proton-coupled electron transfer (PCET). The free-energy surface of this first step is obtained by combining on-the-fly probability-enhanced sampling and machine learning potentials at the hybrid functional level of accuracy. Our study reveals that proton transfer precedes electron transfer and determines the reaction barrier, consistent with kinetic-isotope-effect experiments. The calculated reaction barrier amounts to mathematical equation eV. The proton moves from the adsorbed water molecule to a surface O atom through a direct transfer mechanism. The hole hopping to the resulting hydroxide occurs via the mediation of a surface Bi atom. The presented framework can be generally applied to other PCET steps and other oxides, thus opening the door to a comprehensive investigation of the OER mechanism at oxide–water interfaces.

0505化学装置及び設備
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