水的电解作为一种环境负荷较小的制氢技术正在被积极研究。阳极中用于促进氧生成反应的电极催化剂大多采用的是氧化铱，但由于铱是稀有且昂贵的元素，对于氢的普及来说替代材料的开发不可或缺。目前，虽然有能够寻找高活性催化剂的技术，但高耐久性的催化剂仍然不足。因此，如果能够定量预测催化剂的寿命，并有效筛选出高耐久材料，则有望推进替代催化剂的开发。
本研究设计的数理模型显示了催化剂的劣化过程。虽然催化剂永久进行由深蓝色箭头表示的催化反应是最为理想的，但实际反应中会出现金属离子溶出等由橙色箭头表示的副反应，所以催化剂会逐渐劣化，最终完全不参与反应。
日本理化学研究所环境资源科学研究中心的大冈英史研究员和中村龙平团队负责人等组成的合作研究团队在此前的研究中已发现了反应过程中催化剂逐渐溶解从而导致催化剂劣化的现象。此次，他们又进一步成功构建了根据溶出速度预测催化剂寿命的数理模型。
研究团队通过使用二氧化锰（MnO₂）催化剂电解水，在多种反应条件下测定了溶出速度和催化剂寿命，验证了公式的妥当性。依据推导出的理论寿命与实验测得的实际寿命之间存在相关关系，从而成功地从理论上再现了定性趋势的结果，证实了数理模型的合理性。但是由于本次实验未寻求速度常数等数据，因此无法验证理论寿命和实验寿命的定量一致性。今后，还需要建立能够更准确预测催化剂寿命的数理模型，并提高模型的理论精度。
为了实现制氢电极催化剂的工业应用，催化剂的寿命需要达到数年单位，因此测定需要较长的实测时间。但是，如果能够利用数理模型缩短催化剂寿命评估所需时间，就有望在短时间内开发出高耐久性材料。可以说，本次研究为实现碳中和，在制氢电极催化剂的工业利用方面迈出了重要的一步。（TEXT：原绘里香）
原文：JSTnews 2024年12月号
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：The Journal of Physical Chemistry Letters
论文：Microkinetic Model to Rationalize the Lifetime of Electrocatalysis: Tradeoff Between Activity and Stability
DOI：10.1021/acs.jpclett.4c02162
