0℃付近で長寿命化する水の電気分解触媒 -過冷却水で見つかった低温電気化学の新しい挙動-

2026-10-21 理化学研究所,東京科学大学,科学技術振興機構

理化学研究所、東京科学大学などの研究チームは、水の電気分解に用いる酸化マンガン触媒が、氷が生成する直前の0℃付近で最も長寿命になることを発見した。水の電気分解では、水素製造に必要な酸素発生反応と、触媒自身が溶解・劣化する反応が同時に進行する。研究チームは、電解液の温度を80℃からマイナス12℃まで変化させ、両反応の速度を比較した。その結果、温度を下げると酸素発生反応は遅くなるものの、触媒の劣化反応はそれ以上に抑制され、0℃付近で触媒寿命が最長となった。一方、0℃以下の過冷却水では、水分子間の水素結合構造が変化し、触媒からのマンガン溶出が再び促進されることが分かった。これは、温度低下に伴って反応が速くなる「アンチアレニウス挙動」によるものと考えられる。本成果は、触媒材料の組成を変更するだけでなく、温度制御によって活性と耐久性を両立させる新たな設計指針を示し、グリーン水素製造の効率化や低温環境での電気化学反応の理解に貢献する。

0℃付近で長寿命化する水の電気分解触媒 -過冷却水で見つかった低温電気化学の新しい挙動-
0℃付近における水の電気分解

<関連情報>

水を氷点近くまで冷却すると、水酸化電気触媒の活性と安定性のトレードオフが解消される Cooling water to near freezing breaks the activity–stability trade-off of water oxidation electrocatalysis

Aufandra Cakra Wardhana, Hideshi Ooka, Taejung Lim, Ailong Li, Kiyohiro Adachi, Chen Chen, Daisuke Hashizume & Ryuhei Nakamura
Nature Chemistry  Published:21 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41557-026-02274-8

Abstract

Temperature is a fundamental parameter in reaction kinetics, typically accelerating rates according to the Arrhenius law. In catalytic systems, however, competing pathways often respond differently to temperature, allowing the selective promotion of desired reactions while suppressing undesired ones through temperature modulation. Here we show that regulating the temperature near the freezing point of water can resolve the activity–stability trade-off in the oxygen evolution reaction on manganese dioxide. Although lowering the temperature decreases water oxidation rates, catalyst degradation through permanganate formation is suppressed more effectively, extending catalyst lifetime. Counterintuitively, further cooling below 0 °C accelerates permanganate formation, yielding an optimum temperature near 0 °C that balances activity and stability. This anti-Arrhenius behaviour, arising from electrolyte supercooling, is a rare example of anomalous temperature-dependent electrocatalysis under subzero conditions. Our findings highlight temperature regulation as a viable strategy for enhancing catalytic lifetime, with implications for electrochemical systems operating in wintertime and in polar and extraterrestrial environments.

0500化学一般
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