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摘要：日本的研究小组发现，在被称为二硫化钼(MoS₂)的层状化合物的层间插入手性分子而形成的“手性MoS₂”具有使电流中的自旋方向保持一致的性质。另外，发现使用该化合物作为水电解中的电极材料时，由于电流中的自旋方向一致的效果，析氧效率大幅提高。电子通过移动而形成电流，每一个电子都具有被称为自旋的微磁铁的性质，但通常由于各自的自旋方向不一致，因此磁性整体上会相互抵消，电子的这一微观特性没有用于电化学反应。迄今为止，为了使电子的自旋方向一致，需要采用主要由稀有金属构成的强力磁铁和电磁铁等大型装置。与之相比，本次研究发现，仅通过将该“手性MoS₂”化合物涂布在电极上，就可以使电流中约75%的电子的自旋方向保持一致，并且可以提高析氧反应的效率。本成果有助于提高水电解制氢技术的效率，实现创新型反应控制技术，助力实现可持续社会。

关键字：水电解制氢技术、手性MoS₂、析氧效率、自旋、创新型反应控制技术、可持续社会

背景

近年来，在致力于实现可持续社会的背景下，水电解制氢技术备受关注。在水电解制氢技术中，除了负极的析氢反应之外，还需在正极发生析氧反应。析氧反应的效率成为制约水电解效率的瓶颈，期待开发出新的析氧催化剂和反应原理。

难以提高析氧反应效率的原因之一是生成过氧化氢(H₂O₂)导致能量损失。但是，至今为止还没有一种明确的通过抑制过氧化氢的生成，以实现氧的高效生成的方法。针对该问题，本次，研究小组着眼于通过控制电流中电子的“自旋”这一新方法，致力于实现高效水电解。

通过手性MoS₂提高析氧反应的效率。通过使用手性MoS₂，电流中的电子发生自旋对齐，与消旋(非手性)MoS₂相比，选择性地生成自旋三重态的氧，同时，抑制副产物自旋单重态的过氧化氢(H₂O₂)的生成。

研究方法和成果

关于自旋状态，作为析氧反应的主要生成物的氧具有自旋平行一致的三重态，副产物过氧化氢具有自旋反平行一致的单重态。因此，如果能够在电流中电子的自旋方向平行一致的情况下进行水电解，则能够选择性地生成三重态的氧。

因此，研究小组关注被称为“手性分子”的分子所具有的“手性诱发自旋选择性”现象，这一类的分子具有像右手和左手那样的镜像结构。电流在流经具有手性结构的分子时，电流中的电子会发生自旋平行对齐。

研究小组通过在作为析氧催化剂而备受关注的二硫化钼(MoS₂)层状化合物的层间插入手性分子，成功合成了新型化合物“手性MoS₂”，具有使电流中的电子自旋平行对齐的性质，且能够催化析氧反应。

对合成的手性MoS₂进行调查后发现，在该化合物中流动的电流中约有75%的电子的自旋方向一致，该值远远超过了作为典型磁铁的金属(铁:45%、钴:42%、镍:∼33%)。

将手性MoS₂涂覆在电极上，使析氧效率提高约1.5倍(左图)。同时，通过邻三嗪滴定实验，定量分析出过氧化氢(副产物)的生成量被抑制了70%以上(右图)。

将该化合物涂布在水电解中的正极(发生析氧反应的电极)上时，析氧反应效率大幅提高，其效率与不控制自旋的情况(涂布消旋MoS₂的情况)相比，提高了约1.5倍。此外，副产物过氧化氢的生成量与不控制自旋的情况相比，也被抑制了70%以上。电流中电子的自旋方向一致这一性质抑制了过氧化氢的生成，大大提高了析氧反应的效率。

研究意义及未来展望

本研究着眼于对电流中电子自旋方向的控制，发现了新的提高析氧反应效率的基本机制。自旋的控制可以通过在现有电极和催化剂中嵌入手性化合物这一简单的方法来实现。因此，除了本研究中使用的二硫化钼外，该原理同样也适用于其他各种电极和催化剂，有望成为提高析氧发生反应效率的通用指南。

一种能够观察电子及其自旋的扫描式显微镜

通过控制电流中电子的“自旋”提高水电解效率！助力实现氢能及可持续社会