水的電解作為一種環境負荷較小的製氫技術正在被積極研究。陽極中用於促進氧生成反應的電極觸媒大多采用的是氧化銥，但由於銥是稀有且昂貴的元素，對於氫的普及來說替代材料的開發不可或缺。目前，雖然有能夠尋找高活性觸媒的技術，但高耐久性的觸媒仍然不足。因此，如果能夠定量預測觸媒的壽命，並有效篩選出高耐久材料，則有望推進替代觸媒的開發。
本研究設計的數理模型顯示了觸媒的劣化過程。雖然觸媒永久進行由深藍計算機色箭頭表示的催化反應是最為理想的，但實際反應中會出現金屬離子溶出等由橙色箭頭表示的副反應，所以觸媒會逐漸劣化，最終完全不參與反應。
日本理化學研究所環境資源科學研究中心的大岡英史研究員和中村龍平團隊負責人等組成的合作研究團隊在此前的研究中已發現了反應過程中觸媒逐漸溶解從而導致觸媒劣化的現象。此次，他們又進一步成功構建了根據溶出速度預測觸媒壽命的數理模型。
研究團隊通過使用二氧化錳（MnO₂）觸媒電解水，在多種反應條件下測定了溶出速度和觸媒壽命，驗證了公式的妥當性。依據推導出的理論壽命與實驗測得的實際壽命之間存在相關關係，從而成功地從理論上再現了定性趨勢的結果，證實了數理模型的合理性。但是由於本次實驗未尋求速度常數等數據，因此無法驗證理論壽命和實驗壽命的定量恆定性。今後，還需要建立能夠更準確預測觸媒壽命的數理模型，並提高模型的理論精度。
為了實現製氫電極觸媒的工業應用，觸媒的壽命需要達到數年單位，因此測定需要較長的實測時間。但是，如果能夠利用數理模型縮短觸媒壽命評估所需時間，就有望在短時間内開發出高耐久性材料。可以說，本次研究為實現碳中和，在製氫電極觸媒的工業利用方面邁出了重要的一步。（TEXT：原繪里香）
原文：JSTnews 2024年12月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：The Journal of Physical Chemistry Letters
論文：Microkinetic Model to Rationalize the Lifetime of Electrocatalysis: Tradeoff Between Activity and Stability
DOI：10.1021/acs.jpclett.4c02162
