研究情報
韓・中央大学等の研究G、海水から持続可能な水素生産のための塩化物耐性Ruナノ触媒を開発（2025.9）
2025年9月18日、クリーンエネルギーへの世界的な需要の高まりと気候変動への懸念により、持続可能な代替エネルギー源の模索が加速している。水素は、高いエネルギー密度とCO2排出量ゼロという特長から、有望な解決策として浮上している。生産方法の中でも、アルカリ水電解は効率的で環境に優しいものの、淡水への依存度が高いため、大規模導入には限界がある。海水電解は地球上の豊富な水資源を活用する実用的な代替手段だが、塩化物濃度が高いため触媒の腐食が促進され、効率が低下するため、持続可能な水素生成には大きな課題が伴う。
この問題を解決するため、 韓国の中央大学（Chung-Ang University）のHaeseong Jang助教授と青島理工大学（Qingdao University of Science and Technology）のXien Liu教授が率いる研究チームは、塩分環境下で高性能な水素発生を可能にする、堅牢で費用対効果の高い電気触媒を開発した。Jang博士は、この研究の背景について次のように述べている。「アルカリ水電気分解は、安価な非貴金属触媒を用いることで経済的に魅力的だが、水素発生反応（HER）の速度が遅いことや、実環境における腐食問題など、商業化を阻む大きな課題に直面している。私たちの研究は、これらの重大な障壁を克服し、経済的に実現可能で安定したクリーンな水素製造技術を開発するという使命によって推進されている」研究成果は、2025年8月7日 にAdvanced Functional Materials誌にオンラインで掲載された。
研究チームは、アルカリ電解および海水電解における従来の白金触媒やルテニウム触媒の限界を克服するルテニウム（Ru）ベースの触媒を設計した。gC 3 N 4を介した熱分解戦略を用いて、結晶-アモルファスヘテロ構造（a/c-Ru@NC）を有する窒素ドープ炭素担持Ruナノクラスターを合成した。gC 3 N 4 は窒素源として、また窒素配位部位を介してRu³⁺イオンを固定する足場として機能する。熱分解中、gC 3 N 4から放出される還元ガスがRu³⁺をその場で還元すると同時に、Ru-N結合がコアの原子秩序を乱し、アモルファスRu相を形成する。同時に表面のRu原子が結晶化し、安定した結晶-アモルファス接合が形成される。この構造により、Ruの超微細分散、電子不足の活性部位、そして圧縮格子ひずみが保証される。
電気化学試験により、優れたHER性能が実証された。1.0 M KOH溶液中、a/c-Ru@NCは10 mA cm⁻²でわずか15 mVの過電圧を示した。耐久性も確認され、250時間以上安定して動作した。特に注目すべきは、この触媒がわずか8 mVの性能低下という優れた塩化物腐食耐性を示し、模擬海水中で100時間以上安定して動作した点である。これは市販のPt/CおよびRu/Cを凌駕する性能である。