ポイント
- カチオン交換膜(CEM)とアニオン交換膜(AEM)を貼り合わせて作るバイポーラー膜(BPM)における水解離反応(H2O→H++OH-)触媒として、酸化チタンナノシートを活用。
- 稠密(ちゅうみつ)に配列したナノシート膜をカチオン交換膜とアニオン交換膜の間に構築することで300ミリアンペア/平方センチメートルで0.25ボルトの過電圧を達成。
- 従来のナノ粒子触媒と比較して1000倍以上高い重量規格化電流密度を達成。
名古屋大学 未来材料・システム研究所(IMaSS)の山本 瑛祐 助教、長田 実 教授らの研究チームは、米国・ペンシルベニア大学のThomas E.Mallouk 教授らとの国際共同研究により、ナノシート集積膜が、バイポーラー膜(BPM)における水の解離反応を大幅に促進することを実証しました。
バイポーラー膜は、水を酸と塩基に解離して供給できる膜であり、水の電気分解、燃料電池など、次世代の電気化学エネルギー変換技術において近年急速に注目を集めています。しかし、バイポーラー膜のエネルギー変換技術応用には、水解離反応に必要な過電圧を下げることが大きな課題とされてきました。
本研究では、厚さ約1ナノメートル(10億分の1メートル)の酸化チタンナノシートを高密度に敷き詰めた膜をバイポーラー膜の界面に挿入することで、膜内部に極めて強い電場を生成し、水の解離を劇的に促進できることを発見しました。
今回開発したナノシート稠密配列膜触媒は、従来の酸化チタンナノ粒子触媒と比較して1000倍以上高い重量規格化電流密度を達成しています。これらの成果は、バイポーラー膜の設計において近年主流となりつつある数百ナノメートルの厚みのナノ粒子触媒層ではなく、「分子レベルの薄さ」と「セカンド・ウィーン効果」を最大限に生かす新しいアプローチの可能性を示しています。本研究成果は、次世代の高性能バイポーラー膜やその応用デバイスの開発に向けて、極めて重要な一歩となると期待されます。
本研究成果は、2025年4月15日付(日本時間)で米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載されました。
本研究の一部は、科学技術振興機構(JST) 創発的研究支援事業 研究課題「無機ナノシート界面が拓くイオン伝導体の革新(研究代表者:山本 瑛祐、JPMJFR235Y)」、名古屋大学 ベンチャー・ビジネス・ラボラトリー海外派遣(高次機能ナノプロセス技術に関する研究)などの支援のもとで行われたものです。
<プレスリリース資料>
- 本文 PDF(701KB)
<論文タイトル>
- “Molecularly Thin Nanosheet Films as Water Dissociation Reaction Catalysts Enhanced by Strong Electric Fields in Bipolar Membranes”
- DOI:10.1021/jacs.4c17830
<お問い合わせ先>
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<研究に関すること>
山本 瑛祐(ヤマモト エイスケ)
名古屋大学 未来材料・システム研究所 助教
Tel:052-789-2751
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<JST事業に関すること>
加藤 豪(カトウ ゴウ)
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〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3
Tel:03-5214-7276 Fax:03-6268-9413
E-mail:souhatsu-inquiryjst.go.jp
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<報道担当>
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科学技術振興機構 広報課
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