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摘要：为实现氢能社会，研究小组开发出一种可促进水电解中析氧反应的结晶材料，并且经研究表明，通过将多金属氧酸盐与金属络合物进行复合，可以显著提高多金属氧酸盐的催化功能，有望创制出创新型催化剂材料。

关键字：水电解制氢、析氧反应、结晶材料、低成本催化剂材料、金属氧化物团簇、多孔离子晶体

要点

为了实现以氢为主要能源的氢能社会，开发出一种可促进水电解中的析氧反应且由金属氧化物团簇和金属络合物构成的结晶材料。
阐明了结晶材料中金属络合物向金属氧化物团簇的电子供应是实现析氧反应中协同催化功能的关键。
开发出高效、高耐久性且不含贵金属的低成本催化剂材料，有望将其应用于水电解等氢能源转换系统。

概要

确立能够通过电解地球上丰富的水（水电解）来制造氢的技术是实现氢能社会的当务之急。目前，该技术的瓶颈是析氧反应，促进该反应的催化剂材料的开发正在积极进行中。据报道，钌和铱等贵金属可以高效促进析氧反应，但从可持续性和降低成本的角度出发，需要寻找一种不含贵金属的催化剂材料。然而，在不使用贵金属的情况下，很难合成兼具析氧反应的高效率和高耐久性的催化剂材料，因此需要提出新的设计方针。

日本的研究小组重点研究了金属氧化物团簇（多金属氧酸盐、图1）以作为新型催化剂材料的构成材料。据报道，当将钴导入多金属氧酸盐的结构内部时，其会在析氧反应中表现出催化功能，但是存在反应效率低的问题。

在本研究中，通过将这种含钴的多金属氧酸盐与金属络合物进行复合，构建了一种具有纳米孔的多孔离子晶体（图1）。结果表明，所获得的离子晶体对析氧反应的催化活性提高至复合前的多金属氧酸盐的40倍以上。此外还发现从金属络合物向多金属氧酸盐的电子供应是提高催化功能的关键。

该研究结果表明，通过将多金属氧酸盐与金属络合物进行复合，可以显著提高多金属氧酸盐的催化功能，今后，通过各种多金属氧酸盐与金属络合物的组合，有望创造出创新型催化剂材料。

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图1.（左图）多孔离子晶体的合成示意图。仅通过多金属氧酸盐与金属络合物在水中进行反应即可简单获得多孔离子晶体；

（右图）析氧反应中的催化活性的比较。多孔离子晶体与复合前的多金属氧酸盐相比，表现出更高的催化活性。通过各种光谱测量阐明，由金属络合物向多金属氧酸盐的电子供应，激发了多金属氧酸盐的潜在催化性能。

研究背景

近年来，作为解决环境和能源问题的措施，向以氢为能源的氢能社会的转型备受关注。特别是，确立通过电解地球上丰富的水（水电解）来制造氢的技术是实现氢能社会的当务之急。目前，该技术的瓶颈是析氧反应。析氧反应必须与电解水制氢同时发生，如果析氧反应的效率低的话，制氢效率就会降低。据报道，钌和铱等贵金属可以高效地促进析氧反应，但从可持续性和降低成本的角度出发，需要寻找一种不含贵金属的催化剂材料。然而，在不使用贵金属的情况下，很难合成兼具析氧反应的高效率和高耐久性的催化剂材料，因此需要提出新的设计方针。

研究内容

本研究使用多金属氧酸盐作为新型催化剂材料的构成材料。据报道，当将钴导入多金属氧酸盐的结构内部时，其会在析氧反应中表现出催化功能。含钴的多金属氧酸盐虽然具有优异的耐久性，但存在析氧反应效率低的问题。为了提高其析氧催化功能，本研究重点研究了多孔离子晶体，其是含有多金属氧酸盐的结晶复合材料。多孔离子晶体是在分子水平上由带负电的多金属氧酸盐与带正电的金属络合物复合而成的材料，有望实现协同催化功能。

结果表明，由含钴的多金属氧酸盐和金属络合物构成的多孔离子晶体与复合前的多金属氧酸盐相比显示出40倍以上的析氧催化活性。此外，通过电化学测量、红外光谱和X射线光电子能谱对多孔离子晶体的电子状态进行调查，在多孔离子晶体中观察到从金属络合物向多金属氧酸盐的电子供应。

此外，当将构成多孔离子晶体的金属络合物的种类更换为不向多金属氧酸盐供给电子的组合时，催化功能没有得到改善。这表明从金属络合物向多金属氧酸盐的电子供应是造成离子晶体催化功能显著提高的根本原因。

未来展望

通过多金属氧酸盐和金属络合物的适当设计和组合，精确控制电子转移的方向和数量，有望创造出一种创新型催化剂材料，实现高效的析氧反应。

水电解制氢 | 促进水电解中析氧反应的结晶材料开发成功！