水分子の構造が塩化物イオンの動きを制御~低純度の水を利用した水電解反応へ~

2025-12-08 理化学研究所,科学技術振興機構

理化学研究所とJSTの共同研究グループは、水溶液中でイオンがつくる「水和構造」が、不純物として含まれる塩化物イオンの拡散を制御し、水電解時の塩素ガス発生を抑制できることを発見した。RO水などには微量のCl⁻が残存し、従来は有毒・腐食性の塩素ガス生成を避けるために、さらに高純度化した水が必要だった。本研究では、Li⁺, Na⁺, H⁺, K⁺, Cs⁺といった共存陽イオンを変えた電解試験により、Li⁺ > Na⁺ > H⁺ > K⁺ > Cs⁺の順に水和構造が硬くなり、Cl⁻拡散が抑制され塩素発生が最大33%低減されることを示した。従来のLevich式では説明できないため、電極近傍に共存イオン由来のナノスケール拡散層を仮定する新モデルを提案し、水和構造の構造エントロピーと拡散抵抗の相関も明らかにした。この知見は、低純度水を用いた水電解・グリーン水素製造の実装と、淡水資源の有効利用に貢献することが期待される。

水分子の構造が塩化物イオンの動きを制御~低純度の水を利用した水電解反応へ~
共存イオンがつくる水和構造と塩化物イオンの拡散速度

<関連情報>

電気化学的塩素発生過程における塩化物イオンの拡散は陽イオンの水和エントロピーによって制御される Hydration entropy of cations regulates chloride ion diffusion during electrochemical chlorine evolution

Taejung Lim,Hideshi Ooka,Yuhang Yu,Takeharu Murakami,Satoshi Wada & Ryuhei Nakamura
Nature Chemistry  Published:08 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41557-025-02014-4

Abstract

Impurity ions pose a major challenge towards diversifying water sources for electrolysis. In particular, chloride impurities in low-grade water diminish the selectivity and longevity of water electrolysers. Here we demonstrate that alkali cations can regulate chloride diffusion, allowing a marked improvement in the reaction selectivity of water oxidation. Rotating ring-disk electrode measurements exhibit anomalous positive intercepts in the Levich plot, indicating a diffusional barrier that is cation dependent yet independent of rotational speed. To rationalize this barrier, we propose a simple modification to the Levich model, in which the cation-dependent diffusion coefficient is at least two orders of magnitude lower than that of the bulk solution. The potential of maximum entropy and the structural entropy of hydration both indicate that the diffusion barrier increases when the first hydration shell is structurally rigid (Li+ > Na+ > H+ > K+ > Cs+). Our findings offer a strategy to suppress impurity-driven side reactions at the high current densities relevant to water electrolysis.

0505化学装置及び設備
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