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摘 要：为了实现碳中和，亟需将可再生能源和水电解相结合的清洁制氢技术，其中之一就是固体聚合物型（PEM）水电解。但是，其缺点在于由于电化学反应发生在强酸性环境下，必须使用大量的贵金属电极。本研究在世界上首次成功开发出一种即使在强酸性条件下也不会腐蚀的PEM水电解用贱金属电极。到目前为止，PEM水电解的电极研究主要集中在减少贵金属铂和铱的使用量。但理论上无论如何必须使用一定数量的贵金属，而在可再生能源正式开始引进的2030年后，铱的采购竞争将会加剧，预计将难以确保水电解厂建设所需的足够数量。因此，不只是减少贵金属的使用量，而是必须开发不使用贵金属的PEM水电解技术。本研究通过将易于钝化的贱金属与具有高催化能力的贱金属合金化，在模拟电源开关的实验中，成功地在3年间将通常易溶于硫酸的贱金属阳极的性能保持在99%以上。贱金属电极的成本约为铱的1/1000，有望用作将太阳能发电、风力发电等与PEM水电解相结合的现场制氢电极。
关键字：固体聚合物型水电解、PEM水电解用贱金属电极、贱金属阳极、贱金属多元合金、现场制氢电极、清洁制氢技术
为了到2050年实现碳中和（CO2净零排放），全世界正在做出各种努力。固体聚合物型（PEM）水电解是结合可再生能源和水电解的下一代清洁制氢技术之一。该技术不产生废气或碱性废液，从获得的氢气纯度和能源效率的角度来看，预计将安装在中小型发电厂和加氢站旁边，用于现场制氢而无需运输氢气。
然而，目前的PEM水电解由于是在强酸性环境中进行的，因此必须使用大量的贵金属电极，特别是在阳极方面，氧化铱（IrO2）是唯一的选择。也有人指出，获得1吉瓦的电力（=大约30万户家庭一天的用电量或1座核电站的发电量）理论上需要700kg的铱，但铱的市场价格超过2万日元（约973.6人民币）/g，是一种昂贵材料，而且世界年产量仅7吨，若要广泛应用PEM水电解，将会出现供应不足。
在此背景下，本研究通过将易钝化的贱金属与作为电极具有高催化能力的贱金属进行合金化，在PEM水电解中，开发出一种即使在腐蚀性环境中也能表现出原有的催化能力，并取代贵金属的贱金属电极。
贱金属合金具有几乎无限多的成分、元素类型和元素组合。首先，以尽可能少的人力和成本从其中找到符合目的的合金很重要。因此，研究小组采用了一种新方法代替传统的逐一评估候选元素的搜索方法，首先合成含有尽可能多元素的多元合金，并在所需的电化学反应条件下去除不必要的元素。本研究还从实验和理论的角度验证了该方法的正当性。
作为多元合金，研究小组分别制造了如图1（a）所示的纽扣锭型四元合金（Ti、Nb、Zr、Mo）、五元合金（Cr、Mn、Fe、Co、Ni）和九元合金（Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo）。在确认这些合金锭几乎等摩尔并保持金属状态后，使用透射电子显微镜的原位元素映射法等观察它们在原子水平上的混合情况，确认了各合金都均匀地含有所有的元素（图1（b-c））。
图1.高熵态合金的结构鉴定。
(a) 高熵合金锭的实物照片和从锭上切下的薄片。
(b) 高熵合金锭粉末的透射电子显微镜图像。由于薄片无法用电子显微镜观察，因此粉碎后进行了电子显微镜观察。
(c) 高熵合金锭粉末的透射电子显微镜图像和原位元素映射图。九种元素均匀分布。