局所ホランド鉱型相誘起酸素経路機構による耐久性PEM電解の実現

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• 触媒作用

背景:

• プロトン交換膜水電解装置（PEMWE）はグリーン水素製造に不可欠であるが、陽極におけるイリジウム負荷量が大きな障害となっている。
• 既存のアモルファスIrO_x触媒は、安定性（格子酸素機構）または高過電圧（吸着種進化機構）のいずれかの限界に直面している。
• 酸化物経路機構（OPM）は、直接的な^*O─^*Oカップリングの可能性を提供するが、Ir-Ir間距離が大きいため、純粋なIrO_xでは活性化が困難である。

研究 の 目的:

• 酸化物経路機構（OPM）を促進し、プロトン交換膜水電解装置（PEMWE）の性能を向上させる新規触媒を開発すること。
• イリジウム負荷量を削減した状態での効率的な^*O─^*Oカップリングを可能にすることで、既存触媒の限界を克服すること。

主な方法:

• 局所的な非従来型ホランド鉱型相を有する多孔質アモルファス(La)IrO_x触媒の合成。
• 触媒構造と活性に影響を与えるために、触媒の格子トンネル内に豊富な水分子を組み込むこと。
• 触媒の構造（Ir-Ir間距離や酸化状態を含む）を特性評価し、PEMWEセットアップで評価すること。

主要な成果:

• (La)IrO_xの特異な短距離秩序構造は、Ir-Ir_edge距離を短縮し、高活性なIr^≥5+種を生成する。
• これらの構造的特徴は酸化物経路機構（OPM）を促進し、触媒性能を著しく向上させる。
• 組み立てられたPEMWEは、低イリジウム負荷量（0.2 mg_Ir cm^-2）で低セル電圧（1 A cm^-2で1.62 V）を示し、500時間以上の安定した動作を実現した。

結論:

• 開発された(La)IrO_x多孔質アモルファス触媒は、水分解に酸化物経路機構を効率的に利用する。
• この触媒は、グリーン水素製造に不可欠な、耐久性がありイリジウム使用量の少ないプロトン交換膜水電解装置のための有望なソリューションを提供する。
• さらに低いイリジウム負荷量（0.1 mg_Ir cm^-2）での加速ストレス試験によるさらなる検証は、その耐久性と潜在的な実行可能性を確認する。