マルチモーダル解析で酸素発生反応（OER）の鍵を握る“活性点”を特定：酸化イリジウム触媒の構造が高性能の秘密を握る

京都大学大学院人間・環境学研究科Neha Thakur博士研究員、内本喜晴 同教授らの研究グループは、田中貴金属工業株式会社、技術研究組合FC-Cubic、横浜国立大学、九州大学、奈良女子大学、島根大学、立命館大学と共同で、水を電気分解して水素を製造する水電解^#1の鍵となる酸素発生反応（OER）において、酸化イリジウム触媒の高い活性の起源を解明しました。

再生可能エネルギー由来の電力を利用した水電解によるグリーン水素の製造は、カーボンニュートラルへ向けたエネルギーシステムの中で重要な役割を果たします。固体高分子水電解は高効率で高純度な水素製造法であり、酸素発生反応（OER）の触媒の特性がさらなる効率向上に重要です。OER触媒にはイリジウムを含む酸化物が用いられていますが、階層構造を持つ電極表面の反応は複雑な要因によって支配されるため、これまでその特性が何によって決まっているのかが不明であり、開発の指針を決めるのが困難な状況でした。今回、このような階層構造における要因解析を進めるため、複数の高度解析手法を組み合わせるマルチモーダル解析^#2により、活性点の同定に成功しました。X線回折およびX線全散乱測定(二体相関関数解析^#3)、「その場」^#4硬X線吸収分光測定、「その場」軟X線吸収分光測定、「その場」表面増強赤外分光測定^#5、硬X線光電子分光測定、高分解能透過電子顕微鏡測定と理論計算を組み合わせることにより、酸化イリジウム中の単斜晶相の割合とOER活性^#6が相関することを発見しました。

この成果は、高効率かつ安定的な固体高分子水電解の開発を後押しするものです。これまで、活性がどのような因子で決定しているのかが不明であった触媒の開発において、複数の高度解析手法を統合的に活用するマルチモーダル解析の重要性を示したものです。この手法を用いて、飛躍的に性能が向上した触媒の開発が実現し、脱炭素社会の実現に向けた基盤技術の一つとなる可能性を秘めています。

本研究成果は、2025年8月19日に、アメリカ化学会の「Journal of the American Chemical Society」誌にオンライン掲載されました。

(#1) 水電解
水電解は電気エネルギーを用いて、水（H₂O）を水素ガスと酸素ガスに分解する技術です。主な方式には固体高分子型、アルカリ型、アニオン交換膜型、固体酸化物型の４つがあります。中でも固体高分子型は、効率が高くて起動・負荷追従が速く、装置の小型化やモジュール化に優れています。これにより、再生可能エネルギーの出力変動に柔軟に対応できるため、グリーン水素製造に適しています。一方、触媒として、陽極側で希少金属であるイリジウムを、陰極側で白金を用いる必要があり、活性を向上させて、それぞれの使用量を減らすことが求められています。

(#2) マルチモーダル解析
水電解の触媒反応は複雑であり、1つの測定手法のみを用いて反応機構を明らかにすることは困難です。化学組成・結晶構造・表面形態など異なる情報を得る複数の分析手法を組み合わせる「マルチモーダル」解析の適用が必要となります。

(#3) 二体相関関数解析
X線全散乱測定では、単結晶や粉末の回折ピークだけでなく、バックグラウンド散乱を含む広範囲の散乱強度を高いQレンジ（散乱ベクトル）まで精密に測定します。そこから構造因子S(Q)を求め、フーリエ変換により実空間の二体相関関数G(r)を得ることで、触媒のような微結晶、ナノ材料の局所構造を評価できます。

(#4) 「その場」測定
operando（オペランド）測定とも呼ばれます。材料や触媒が「実際に動作・反応している環境下（温度変化、湿度変化、電位変化など）」で測定し、構造変化や活性サイトの生成・消失などダイナミックな現象をリアルタイムに捉える手法です。「その場」測定を実現するためには、最先端の分析機器と高度なデータ解析技術、専門家との密な連携が必要となります。

(#5) 表面増強赤外分光測定
金属微粒子やナノ構造金属表面上に吸着した分子の赤外吸収が著しく増強される現象を利用した分光法です。プラズモン共鳴による電磁場増強と、金属と分子間の化学的相互作用（化学増強）を組み合わせることで、触媒表面での反応中間体の情報を捉えることが出来ます。

(#6) OER活性
OER反応をいかに低い過電圧（実際に余分にかかる電圧）で、かつ高い電流密度で進行させられるか、すなわち「どれだけ効率よく酸素を生じさせられるか」を示す指標です。過電圧が低い状態を触媒活性が高いと表現します。

タイトル：Identifying Active Sites of IrOx Catalysts for OER: A Combined Operando XAS, SEIRAS, and Theoretical Study
著者：Neha Thakur, Yadan Ren, Mukesh Kumar, Tomoki Uchiyama, Mitsuharu Fujita, Ikkei Arima, Minoru Ishida, Yingkai Wu, Yuta Tsuji, Hideto Imai, Masashi Matsumoto, Yu Zhuang, Kentaro Yamamoto, Toshiyuki Matsunaga, Koji Ohara, Mitsuhiro Matsumoto, Yuki Orikasa, Yoshiyuki Kuroda, Shigenori Mitsushima, Yoshiharu Uchimoto
掲載誌：Journal of American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.4c18510

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総合理工学研究院　辻 雄太　准教授