マルチモーダル解析で酸素発生反応(OER)の鍵を握る“活性点”を特定:酸化イリジウム触媒の構造が高性能の秘密を握る〜水電解によるグリーン水素社会実現へ新たな一歩〜

2025-08-20 横浜国立大学

横浜国立大学・京都大学などの研究グループは、酸素発生反応(OER)の鍵となる酸化イリジウム触媒において、活性点を特定することに成功しました。水電解によるグリーン水素製造は脱炭素社会に不可欠ですが、OERは反応が複雑で効率向上のボトルネックとされてきました。本研究では、X線回折や「その場」分光測定、透過電子顕微鏡、理論計算を組み合わせたマルチモーダル解析を用い、酸化イリジウム中の単斜晶相の割合がOER活性と相関することを発見。単斜晶の割合が多い試料では中間体*OOHの生成が促進され、OER性能が向上することを実証しました。さらに、密度汎関数理論(DFT)計算により、単斜晶面で最も低い過電圧が得られることを確認。本成果は、触媒設計の指針を与え、イリジウム使用量削減と高効率化の両立を可能にするものであり、水素製造プラントやグリーン水素インフラ普及を後押しすると期待されます。

マルチモーダル解析で酸素発生反応(OER)の鍵を握る“活性点”を特定:酸化イリジウム触媒の構造が高性能の秘密を握る〜水電解によるグリーン水素社会実現へ新たな一歩〜
図:本研究の概要図。電位を印加した状態、つまり、水電解が起こっている際の酸化イリジウム表面の構造をX線によってマルチモーダルに分析する様子を表現している。

<関連情報>

OER用IrOx触媒の活性サイトの同定:オペランドXAS、SEIRAS、および理論的研究の組み合わせによる研究 Identifying Active Sites of IrOx Catalysts for OER: A Combined Operando XAS, SEIRAS, and Theoretical Study

Neha Thakur,Yadan Ren,Mukesh Kumar,Tomoki Uchiyama,Mitsuharu Fujita,Ikkei Arima,Minoru Ishida,Yingkai Wu,Yuta Tsuji,Hideto Imai,Masashi Matsumoto,Yu Zhuang,Kentaro Yamamoto,Toshiyuki Matsunaga,Koji Ohara,Mitsuhiro Matsumoto,Yuki Orikasa,Yoshiyuki Kuroda,Shigenori Mitsushima,and Yoshiharu Uchimoto
Journal of the American Chemical Society  Published: August 19, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.4c18510

Abstract

Iridium oxide is a benchmark catalyst for anodic oxygen evolution reactions due to its high activity and durability. However, debates persist regarding the short lifespan of reaction intermediates and whether amorphous phases exhibit higher activity in comparison to crystalline ones. Herein, we examined IrOx catalysts with different degrees of crystallinity (SA3.5, SA58, SA103, and SA14.6, named after their BET surface area) and revealed the relation between their structures and OER activities. The atomic pair distribution function analyses show that the amorphous IrOx (SA3.5, SA103, and SA14.6) possesses monoclinic and orthorhombic-like structural phases or motifs, which differ from the typical tetragonal symmetry of crystalline IrO2. Operando X-ray absorption spectroscopy (XAS) and operando surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) revealed that the SA3.5 sample, with higher monoclinic content, exhibits a structure containing corner- and edge-sharing octahedra with highly undercoordinated sites, leading to structural defects. These defects generate active electrophilic OI– species, facilitating the generation of *OOH intermediates and enhancing OER activity. Theoretical studies reveal that they also lower the energy barrier for the monoclinic crystal structure. These findings offer a fundamental understanding of amorphous iridium oxides and provide inspiration for developing new OER catalysts.

0500化学一般
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