イリジウム表面の多様な構造と反応特性を解明（The faces of iridium: One metal, many reactions）

水素製造や燃料電池などの電気化学エネルギー技術では、触媒の表面構造や電解質のpHが反応活性と選択性を左右する。本研究では、金属イリジウムの触媒特性を明らかにするため、結晶面の異なる3種類の単結晶表面（Ir(111)、Ir(100)、Ir(110)）を用い、酸性およびアルカリ性電解質中で水素発生・酸化反応、酸素還元反応、過酸化水素還元反応を比較評価した。その結果、水素発生・酸化反応ではIr(111)が最も高い活性を示した一方、酸素還元反応ではIr(110)が最も高い活性を示し、反応ごとに最適な結晶面が異なることが判明した。また、酸素還元反応における過酸化水素の生成率は酸性条件では1％未満だったが、アルカリ性条件では開回路付近で50％を超える場合があった。酸素および水酸基の共吸着や界面水の反応挙動が、生成物の選択性に関係することも示された。本研究は、イリジウム触媒の結晶面と電解質環境の相互作用を定量的に評価し、水素エネルギー技術に向けた高性能電極触媒の設計に有用な基礎データを提供する。
English
In electrochemical energy technologies such as hydrogen production and fuel cells, catalyst surface structure and electrolyte pH strongly influence reaction activity and selectivity. This study investigates metallic iridium electrocatalysts using three single-crystal surfaces with different crystallographic orientations: Ir(111), Ir(100), and Ir(110). Hydrogen evolution and oxidation reactions, oxygen reduction reaction, and hydrogen peroxide reduction reaction were systematically evaluated in acidic and alkaline electrolytes. Ir(111) exhibited the highest activity for hydrogen evolution and oxidation, whereas Ir(110) showed the highest activity for oxygen reduction, demonstrating that the optimal crystal facet depends on the reaction. Hydrogen peroxide production during oxygen reduction remained below 1% in acidic media but exceeded 50% under certain alkaline conditions near open-circuit potential. The results also revealed relationships between oxygen and hydroxyl co-adsorption, interfacial water behavior, and reaction selectivity. These findings provide quantitative benchmark data on the interplay between crystallographic surface structure and electrolyte conditions in iridium electrocatalysis, offering fundamental insights for designing improved electrocatalysts for hydrogen energy technologies.