プロトン交換膜水電解に向けた低Pt負荷の高性能イオノマー不使用ガス拡散型カソード

貴金属を減らして水を燃料に変える

水と再生可能電力から作られる水素は、重工業、海運、長期エネルギー貯蔵向けのクリーン燃料としてよく取り上げられます。しかし、現在最も効率的な水分解装置は、地球上で最も希少かつ高価な金属の一つである白金に大きく依存しています。本研究は、装置の一方の電極で白金をほぼ100倍少なく使いながらも、性能や安定性を損なわない方法を示しており、手頃な価格のグリーン水素に近づける一歩となります。

白金使用削減が重要な理由

現代のプロトン交換膜水電解装置は、小型で水を水素と酸素に分解する能力に優れていますが、二つの希少な“貴”金属に強く依存しています。陽極では酸素生成反応を駆動するイリジウムが使われ、陰極では水素生成を担うのが白金です。白金は実験室レベルでは優れた触媒ですが、実際の装置では多くがイオン導電性バインダーと混ざった厚い層に埋もれており、反応に必要な水・ガス・膜が同時に触れる部分はごく一部に限られます。その結果、製造者は白金を余分に使うことで補おうとし、コストと資源需要が高くなっています。

原子を正確に配置するワンステップ法

研究者たちはカソードの作り方を再考することでこの問題に取り組みました。インクを作って支持体に噴霧する代わりに、原子層堆積（ALD）と呼ばれる気相ベースの技術を用いました。ALDでは、白金含有蒸気と反応性ガスを交互にパルス供給し、白金をごく小さな分離されたナノ粒子として層ごとに成長させます。彼らはこのプロセスを、市販のガス拡散層—水とガスの流れを許す多孔質カーボンシート—の上に直接適用し、表面を平滑にするための極薄の「微多孔質層」をオプションでコートしました。ALDサイクル数を調整することで、着床する白金原子の数と粒子サイズをナノメートル精度で制御できます。

薄く賢いカソード層の構築

詳細なイメージングと表面分析により、ALD法は支持体の奥深くに浸透するのではなく、主に外表面に均一な白金ナノ粒子を生成することが確認されました。特に微多孔質層上では、粒子は非常に小さく均一に分散しており、最低の金属負荷では多くが2ナノメートル未満のサイズでした。この薄く滑らかな層はポリマーメンブレンと良好に接触しつつ撥水性を保つため、水素泡の脱離を助け、活性部位への新鮮な水の供給を維持します。フル電解セルでの電気的試験では、約1〜5マイクログラム／平方センチメートルという極めて低い白金量のカソードで、白金含有量が100倍以上の市販参照電極と同等かそれ以上の性能を発揮できることが示されました。

性能、効率、そして耐久性

新しい設計がなぜ高性能を示すのかを理解するため、チームはセル電圧を反応速度、電気抵抗、ガス輸送の寄与に分解しました。ALDで白金を微多孔質層に配置すると、金属量が劇的に少なくても水素生成反応の速度は従来の白金濃厚電極とほぼ同等に保たれることが分かりました。同時に、薄く整然とした触媒領域はガス蓄積に伴うエネルギー損失の問題を減らします。白金質量で性能を正規化すると利点は明白で、最良のイオノマー不使用カソードは、標準的な市販装置に比べて質量当たり活性が最大で3桁高く、これまで報告されている学術的な最良値も上回りました。

現実的条件下での耐久性の証明

白金を少なく使うことは、長期使用や風力・太陽光に典型的な変動電力下で装置が安定であることが前提です。そこでチームは、最良電極を高電流で200時間稼働させ、産業的に関連する水素生産率に相当する条件で試験しました。セル電圧はほとんど変わらず、わずかな劣化しか見られませんでした。別の試験では出力の急激な変動を模倣し、セル電圧を低〜高値の間で25,000サイクル繰り返しましたが、電極は再びごく僅かな性能低下しか示しませんでした。これらの試験前後の電気計測では、白金の本質的活性もセル全体の抵抗も実質的な変化を示しませんでした。

グリーン水素への意味

簡単に言えば、この研究は「すべての原子を賢く使う」方法を示しています。滑らかな多孔質支持体と膜の界面に非常に薄い層として白金を正確に配置することで、研究者たちは今日の市販設計と比べてカソード上の白金量を約99.5％削減しつつ同等の水素生成量を達成しました。ALDプロセスは新聞のロール・トゥ・ロール印刷のような連続生産に適応可能であり、大量生産への現実的な道筋を提供します。陽極でのイリジウム使用削減と並行すれば、こうした進展は大規模かつ効率的なグリーン水素生産を技術的・経済的に実現可能にする可能性があります。

引用: Chen, M., Piechulla, P.M., Mantzanas, A. et al. High-performance ionomer-free gas diffusion cathodes with low Pt loading for proton exchange membrane water electrolysis. Commun Mater 7, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01076-2

キーワード: グリーン水素, 水の電気分解, 白金触媒, 原子層堆積, ガス拡散電極