以日本東北大學研究生院理學研究科的若林裕助教授為核心的研究團隊，與神戶大學研究生院工學研究科的宮崎晃平教授等人合作，利用放射光的界面結構分析，揭示了水電解發生時電極與電解液界面的原子排列隨時間變化的過程。由此可以根據表面結構資訊，為觸媒的開發提供明確的指針，有望取得重大進展。相關研究成果已發表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
圖1 (左)真空情況下La0.6Sr0.4CoO3薄膜的表面結構。該結構由CoO6八面體共用頂點所構成。圖中下方為電極內部，上方為外部。(右)在電化學環境下維持一段時間後的表面結構。圖上方形成了邊共用結構。(供圖：東北大學)
直接觀測發生水電解的電極觸媒中的原子如何排列十分困難。尤其是實際觸媒在使用的過程中效率會提升或出現劣化，若能從原子排列的角度理解其原因，便有可能能抑制劣化，並朝著保持高活性的方向打造觸媒形態。
研究團隊在鈦酸鍶（SrTiO₃）基板上製作了已知具有較高活性的La0.6Sr0.4CoO₃薄膜，並結合放射光X射線繞射實驗與貝葉斯估計，測量了以下四種狀態下的表面結構：①真空環境時；②浸入氫氧化鉀水溶液並在剛剛置於控制薄膜電位的電化學環境時；③將電位控制在水電解等強烈化學反應即將發生前的水平時；④從常規測量視角看結構變化趨於穩定後的狀態時。測量利用了日本大學共同利用機關法人高能加速器研究機構（KEK）放射光實驗設施的X射線繞射裝置。
研究人員將樣品置於能夠引發水電解的電化學環境中，並控制薄膜電位，以形成在不起泡範圍內、強烈化學反應即將發生前的條件。結果發現，不僅結構隨電位變化，表面結構還隨時間逐漸改變。由於這種時間變化在約1.5天內結束，研究人員調查了該階段的表面結構，發現形成了不同的表面結構。該結構與之前提出的高效鈷鐵氧化物電極觸媒的表面結構非常相似。針對氧化物觸媒固液界面的表面結構測量事例本就少見，而本次對具有鈣鈦礦結構的氧化物進行的測量更是世界首例。
形成的「邊共用」結構會影響表面附近的軌域，從而改變催化活性。此外，研究認為水電解中間過程包含了氧化物電極側所含的氧與電解液側的氧相互交換的過程，此時的空間位阻也會發生變化。通過這些變化，新形成的表面結構有望表現出與成膜後立即形成的結構不同的催化活性。事實上，測量中觀測到的化學反應程度在結構變化後比變化前更大。
以往在觸媒研究中，結構是「想要卻得不到」的資訊。尤其是那些無意中發生的結構變化，會被視為「原因不明但性能優異的材料」，這逐漸成為了新材料開發上的大障礙。本次研究為克服這一難題開闢了道路。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Applied Materials & Interfaces
論文：Surface Structure Modulation of La0.6Sr0.4CoO3 Films on SrTiO3 (001) Substrate under Electrochemical Conditions
DOI：10.1021/acsami.5c11807
