より安価で効率的な水素ガス生成の可能性を示す研究 (Study shows potential for more affordable and efficient hydrogen gas production)

2025-12-03 スウェーデン王立工科大学(KTH)

スウェーデン王立工科大学(KTH)の研究チームは、水素燃料の製造コスト低減と効率向上につながる重要な発見を報告した。水分解(電気分解)は水素生成に不可欠だが、反応を加速する触媒の働きは複雑で詳細把握が困難だった。研究では、ニッケル–鉄酸化物触媒の原子配置を精密に制御する「分子スキャフォールド」を構築し、電子・プロトン移動の仕組みを原子レベルで観測することに成功。特に、ニッケルに結合したヒドロキシル基がプロトンリレーとして働き、最も難しいO–O結合形成を促進することを明らかにした。これにより、従来触媒と同等かそれ以上の水素生成速度を達成し、長時間運転後も良好な状態を維持した点は商用化に向け有望である。最適pH条件の特定と反応機構の解明によって、次世代触媒設計の道が開け、より高速・高効率・持続可能な水素製造技術の実現が期待される。

<関連情報>

金属ヒドロキシル基は、異種O-O結合形成における分子内プロトン移動を媒介する Metal-hydroxyls mediate intramolecular proton transfer in heterogeneous O–O bond formation

Hao Yang,Fusheng Li,Shaoqi Zhan,Yawen Liu,Tianqi Liu,Linqin Wang,Wenlong Li,Mårten S. G. Ahlquist,Sumbal Farid,Rile Ge,Junhu Wang,Marc T. M. Koper & Licheng Sun
Nature Chemistry  Published:14 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41557-025-01993-8

より安価で効率的な水素ガス生成の可能性を示す研究 (Study shows potential for more affordable and efficient hydrogen gas production)

Abstract

Metal (hydro)oxides are among the most effective heterogeneous water oxidation catalysts. Elucidating the interactions between oxygen-bridged metal sites at a molecular level is essential for developing high-performing electrocatalysts. Here we demonstrate that adjacent metal-hydroxyl groups function as intramolecular proton–electron transfer relays to enhance water oxidation kinetics. We achieved this using a well-defined molecular platform with an aza-fused π-conjugated microporous polymer that coordinates molecular Ni or Ni–Fe sites that emulate the structure of the most active edge sites in Ni–Fe materials for studying the heterogeneous water oxidation mechanism. We combine experimental and computational results to reveal the origin of pH-dependent reaction kinetics for O–O bond formation. We find both the anions in solution and the adjacent Ni3+–OH site act as proton transfer relays, facilitating O–O bond formation and leading to pH-dependent water oxidation kinetics. This study provides significant insights into the critical role of electrolyte pH in water oxidation electrocatalysis and enhancement of water oxidation activity in Ni–Fe systems.

0500化学一般
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