日本國立研究開發法人理化學研究所環境資源科學研究中心的中村龍平團隊負責人、李愛龍研究員（研究當時）等人組成的國際聯合研究團隊，成功開發出了一種即便在水電解電壓持續變化的環境中也能長期穩定運行的氧化錳觸媒。該成果有望推動利用可再生能源產生的不穩定電力來製取氫氣的技術發展。相關論文已發表在《Nature Sustainability》的網路版上。
圖1：氧化錳的反應機制（供圖：理化學研究所）
（A）無電壓波動時的反應機制；（B）施加過高電壓時的反應機制；（C）導入自我修復路徑後的反應機制。箭頭顏色代表不同的反應路徑：藍色表示水的電解，橙色表示觸媒的溶出，綠色表示觸媒的修復。
太陽能、風能等可再生能源，因是環境負擔較小的可持續電力來源而備受矚目，然而其輸出電壓會因天氣狀況和時間段的不同，在從秒級到小時級的時間尺度上出現大幅變動。在進行水的電解過程中，若電壓過高，多數傳統觸媒會發生分解，進而導致性能下降。因此，若要利用這種不穩定的能源進行水電解，就必須研發出能在電壓波動條件下依然能保持穩定運行的電解觸媒。
中村團隊負責人、李愛龍研究員等人此前的研究顯示，氧化錳作為製氧反應觸媒具備優異的性能。然而，它也存在當電壓超過2伏時，氧化錳會發生溶解，與貴金屬觸媒氧化銥相比，其材料使用壽命較短的問題。
為抑制因溶出導致的觸媒劣化，研究團隊導入了一條新的反應路徑，讓溶解出來的錳離子能夠在觸媒表面重新生成。具體來說，通過添加磷酸，促使Mn7+與電極上的 Mn2+發生反應，進而生成 Mn3+。重新生成的 Mn3+作為催化反應的中間體，能夠再次參與電解反應。由此，成功構建了觸媒即便暫時溶解也能自我再生的機制。
為模擬可再生能源的電壓波動情況，交替向氧化錳觸媒施加了3伏和1.68伏的電壓。氧化錳在1.68伏電壓下不會溶解，但在3伏電壓下會發生溶解。因此，當每隔3小時施加8分鐘3伏電壓並重複此操作時，觸媒會逐漸溶出，大約經過200次循環後，其催化功能會損失90%以上。
然而，當在添加磷酸的條件下，發生溶的錳離子也能在電極表面重新生成。所以，即使在重複施加3伏電壓超過680次後，觸媒仍能保持90%以上的初始性能。
在本次研究中，研究團隊不僅對錳展開了考察，還針對鈷、鐵、鎳等其他3d過渡金屬來源的氧化物，測試了它們在變動電壓下的耐久性。然而，除氧化錳外，其他觸媒即便添加了磷酸，在經歷約50次電壓變動後會完全喪失活性。由此表明，在電壓不斷變化的環境中，錳具備獨特的催化性能。
研究團隊基於反應路徑設計開發出這種自我修復型電解觸媒，未來有望藉助可再生能源產生的波動電力的高效製氫等，推動新一代電解技術的實現。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Sustainability
論文：Oxygen evolution electrocatalysis resilient to voltage fluctuations
DOI：10.1038/s41893-025-01665-y
