新しい電極設計が高電流電解における物質移動を改善(New Electrode Design Improves Mass Transport in High-Current Electrolysis)

2026-09-04 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物質科学研究院の研究チームは、高電流密度で作動する電気化学システムの物質移動を改善する、階層的規則配列相互接続多孔質ニッケル電極「hOPN」を開発した。高電流密度では電極表面への反応物供給や生成物の排出が追いつかず、反応効率が低下する。hOPNは三次元的に秩序化された連通孔ネットワークを持ち、電極内部で液体や反応物を効率的に輸送できる。物質移動係数は従来の無秩序多孔質電極の約17倍、ニッケルフォームの約50倍に達した。NiFe修飾hOPNでは酸素発生反応で7 A cm⁻²を達成し、アニオン交換膜水電解槽では1 A cm⁻²を1.68 Vで実現、1,000時間超の安定運転を確認した。さらに、変動する太陽光電力下でも安定作動する軽量・柔軟な水電解装置を構築した。本研究は、電極内の流体輸送制御が高電流密度電解の性能向上に有効であることを示す。

新しい電極設計が高電流電解における物質移動を改善(New Electrode Design Improves Mass Transport in High-Current Electrolysis)
Fabrication and structure of the hierarchical ordered interconnected porous nickel electrode. (Image by YIN Huajie)

<関連情報>

電気触媒における物質輸送を促進するための幾何学的に周期的な構造 Geometrically periodic architecture for enhanced mass transport in electrocatalysis

Zenglong Wu,Haimin Zhang,Huajie Yin & Huijun Zhao
Nature Communications  Published:24 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-77030-0  Early  provide

Abstract

Electrochemical energy conversion reactions are central to sustainable energy technologies, yet their efficiency at industrially relevant current densities is often constrained by mass-transfer limitations. Here, we introduce a periodic flow field strategy for enhancing mass transfer based on a geometrically periodic microstructure that induces spatially varying velocity fields and wall shear oscillations within the pores, generating a coherent convective contribution to otherwise diffusion-dominated transport. To implement this concept, we design hierarchical ordered interconnected porous nickel electrodes with long-range order, tunable structural periods and scalable centimeter-scale fabrication, serving as a general electrocatalyst support. The resulting architecture alleviates mass-transfer constraints across multiple electrochemical reactions. As a representative example, the NiFe-modified electrode delivers a current density of 7 A cm−2 for the oxygen evolution reaction at 25 °C with an overpotential of 393 mV, while an anion-exchange-membrane water electrolyzer sustains 1 A cm−2 at 1.68 V for 1083 h at 60 °C. We also construct a lightweight flexible device for portable oxygen and hydrogen production with efficient operation under fluctuating solar power.

0402電気応用
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