電極表面の“水のつながり”が炭素電極の劣化を左右することを解明

大阪大学 産業科学研究所の片山 祐 准教授らの研究グループは、韓国・浦項工科大学校（POSTECH）、ソウル大学校、ドイツ・デュースブルク＝エッセン大学などの研究グループと共同で、炭素電極が高いプラスの電位のもとで酸化されて劣化する「炭素腐食」の速さが、電極表面にある水分子同士のつながり方（水素結合ネットワーク）によって左右され、そのつながりが乱れるほど腐食が速く進むことを、反応中の電極表面を直接観察することで明らかにしました。

これまで炭素電極の劣化を抑えるためには、炭素材料の結晶性を高めたり表面を化学的に修飾したりといった「材料側」の改良が主に行われてきました。一方、炭素腐食で炭素と反応する相手である「水」が、どのような状態のときに反応しやすいのかについては解明されていませんでした。

本成果では、反応が進行している最中の電極表面をリアルタイムで観察する「オペランド計測」を組み合わせることで、水素結合ネットワークが途切れた「弱く結びついた水」が炭素腐食に優先的に関わっていることを示しました。さらに、電極を覆う高分子材料「アイオノマー」を選ぶことで電極表面の水の構造を整え、炭素腐食を抑えることにも成功しました。これにより、水電解による水素製造や塩素製造、燃料電池など、カーボンニュートラル社会を支える電気化学デバイスの長寿命化・低コスト化が期待されます。

本研究成果は、2026年10月24日（現地時間）付で、ドイツ化学会誌「Angewandte Chemie International Edition」に掲載されました。