研究小组开发出一种能够以世界上罕见的超低过电压^注1）分解水的高活性氧生成催化剂^注2），并成功地以世界最小的能量进行电解水，预计这项研究成果将不仅在能源供应方面，而且在各行各业以及生活方式方面都将带来重大的社会变革，并有望为实现脱碳社会作出贡献。

要点

●开发出能够以世界罕见的超低过电压分解水的高活性氧生成催化剂。

●成功地以世界最小的能量进行电解水。

●研究成果为开发高活性氧生成催化剂提供指导。

研究背景

随着人们对实现可持续脱碳社会的期望越来越高，将使用可再生能源的电解水制氢技术作为获得代替化石燃料的新能源的方法备受关注。在水电解槽^注3）中，除了水分解的理论电压1.23V之外，该反应还需要相当于析氧电极过电压 (η_O2) 和析氢电极过电压 (η_H2) 的能量。为了高效电解水，需要开发高活性电极催化剂，以使η_O2和η_H2最小化，而目前的问题是η_O2值高达300mV左右。高活性制氧催化剂的开发是水电解高效制氢技术的关键。

研究概要和成果

通过将多孔镍基板^注4)与硫脲^注5)一起进行烧制处理，发现氮化碳中含有的硫酸镍 (C₃N₄ / NiS_x) 纳米线^注6)在基板上析出（图1）。将其用作析氧电极，在1.0M氢氧化钾水溶液中进行水电解。结果证明在η_O2=32mV的超低过电压下水被分解，这一数值远低于迄今为止报告的世界最高水平的析氧电极（图2）。这是由于在NiS_x纳米线和电解质水溶液之间的界面处形成了作为催化活性位点^注7) 的氧化镍 (NiO (OH)) 层，使得从基板到活性位点的电子输送得到了有效进行，因此实现了高效水分解。通过详细研究这一机制，将在全球率先为高效析氧催化剂的开发提供指导。

图1 在多孔镍基材表面形成的NiS_x / C₃N₄纳米线图像（左）和透射电子显微镜图像（右）

图2 与世界最高水平析氧电极的η_O2¹⁰值比较。红柱表示本研究中NiS_x / C₃N₄电极的值。

未来展望

本研究小组的目标是利用此次研究开发的水电解槽和太阳能电池，实现世界最高的太阳能制氢转换效率，为开发实用性太阳能制氢系统铺平道路。

术语解释

注1）过电压：实际进行反应所需的电压与反应的理论电压之间的差值。该值越小，表示电极的效率越高。

注2）析氧催化剂：一种使水氧化并促进反应生成氧气的物质。

注3）水电解槽：进行电解水的电解质水溶液槽，具有析氧电极和析氢电极。

注4）多孔镍基板：开有许多微细孔洞的镍基板。因具有很大的表面积，常被用作电极。

注5）硫脲：一种有机化合物，化学结构为用硫原子取代尿素上的氧原子，化学式为(NH2) 2C=S。

注6）纳米线：直径为纳米级（10^-9 m）的线状材料。

注7）催化活性位点：发生催化反应的地方。

以世界最小的能量成功将水电解为氧气和氢气！高效制氢技术打开通往脱碳社会之门