【コラム】イリジウム系ナノ材料は、どのようにしてより環境に優しい未来に貢献するのでしょうか？

メトロームポスター賞は、29年前に電気分析化学会議（ELACH）で初めて授与されて以来、長年にわたる伝統となっています。この賞の最新回は、ドイツ・ベルリンで開催されたElectrochemistry 2022において、2名の受賞者に授与されました。「化学と物理の界面で」をテーマとしたこの会議には、さまざまな電気化学分野を専門とする600名を超える研究者が参加しました。Electrochemistry 2022は、パンデミック後に研究者たちが最先端の動向やアプリケーションを探求し、センサー技術、エネルギー貯蔵、CO₂還元、光電気化学、生物電気化学、電解合成、腐食、電気化学分析、および電気触媒といった重要分野における進展を共有する場となりました。

2022年Metrohm Poster Award受賞者

300件を超えるポスター発表の中から、科学委員会のメンバーで構成されるポスター委員会が最優秀の2件を慎重に選出しました。受賞者には、表彰式.表彰式においてそれぞれ500ユーロの賞金が授与されました。

この記事では、Marko Malinović氏の研究を紹介します。彼のポスターのタイトルは次のとおりです。

「酸性環境における酸素発生反応用の結晶性IrO₂ナノ粒子のサイズ制御合成」

CO₂、気候変動、そして自動車

気候変動を緩和するための対策を実施することは極めて重要です。過剰なCO₂排出とそれに伴う地域気候への影響はすでに現れており、その結果として自然災害の発生頻度が増加し、避けることのできない人的被害をもたらしています。

輸送部門は化石燃料への依存度が高く、その結果、2021年にはCO₂総排出量の37%を占めました［1］。道路上を走る電気自動車の数は増加しているものの、CO₂排出削減という課題に対処するためには、さらに環境に優しい技術的ソリューションが必要とされています。

近年、水素燃料車が解決策の一つとして注目を集めています。この種の車両は燃料電池技術に基づいており、水素が酸素と反応することで車両を駆動するために必要な電力を生成し、副生成物としては水と熱のみが生じます。一見すると理想的な技術に思えますが、水素が再生可能エネルギーを用いて製造された場合にのみ、気候中立的であると見なすことができます。2020年にはドイツで合計57 TWhの水素が生産されましたが、その3分の1は化石燃料の水蒸気改質によって生産されたものであり、そのため高いCO₂排出と直接結び付いています［2］。再生可能エネルギー由来の、いわゆる「グリーン水素」が世界全体の水素生産に占める割合は1%未満に過ぎず、影響を生み出すために重点を移すべき方向を示しています。

水の電気分解

水素製造時の過剰なCO₂排出を回避するための解決策として提案されているのが、電気化学的な水分解です。水分解という吸熱反応に必要な電力は再生可能エネルギー由来で供給されるため、グリーン水素を製造することができます。

工業規模の生産に利用可能なさまざまな電解技術の中で、アルカリ水電解装置と高分子電解質膜（PEM）水電解装置が最も一般的に使用されています。この2つのうち、PEM水電解装置は最大で4倍高い電流密度を実現でき、再生可能エネルギー由来電力の変動しやすい入力にも柔軟に対応できます［3]。また、化石燃料価格の実際の上昇を考慮すると、グリーン水素はすでに十分なコスト競争力を持ち、世界の一部地域では化石燃料由来の水素よりも安価になっています。

ここで次の疑問が生じます。なぜこの技術は、世界の水素生産においてより大きなシェアを占めていないのでしょうか？

グリーン水素は将来、モビリティ分野の脱炭素化に貢献できるのでしょうか？

この問いに答えるために、ここではPEM水電解装置（PEM-WE）に焦点を当てます。これらの電解装置は変動する条件下でも容易に運転できるため、再生可能エネルギー源との連携が可能です。最終的には、余剰電力を水素の形で貯蔵することができます。

これを実現するためには、PEMセル内で2つの電気化学反応が起こる必要があります。アノードでは、水が酸化されて酸素、電子、およびプロトンを生成します。この反応は酸素発生反応（OER）として知られています。生成したプロトンは膜を通過して輸送され、カソードで還元されることで水素を形成します（図1）。

しかし、水素が目的生成物であるにもかかわらず、このプロセスのボトルネックとなっているのは反応速度の遅いOERであり、これが水電解装置全体の効率に直接影響します。OERの速度論的な問題を克服するために高い電位が印加されますが、これに加えて高分子電解質膜に由来する酸性環境が存在するため、セル内部は非常に過酷な条件となります。その結果、この反応に使用できる触媒の選択肢は主として貴金属に限定されます。

イリジウムが救世主に、しかし高い代償を伴う

研究されているさまざまな材料の中で、イリジウム系触媒は触媒活性と耐久性の最良のバランスを示しています［4］。しかし、PEM水電解の大規模展開を実現するうえでの最大の課題もここにあります。イリジウムの年間供給量は約7トンと推定されており、世界で最も希少な金属の一つです［5］。利用可能なイリジウム量が少ないことに加え、需要と供給の変動や主要採掘地域における不可抗力要因が影響し、その価格は2023年には約15万ユーロ/kgまで高騰しました（2022年4月末の最高値である17万2200ユーロ/kgからは低下）［6］。

イリジウムの高額かつ予測困難な価格と供給状況を考慮すると、PEM-WEで使用されるイリジウム系触媒の使用量を削減しながら、高い性能と耐久性を維持する方法を見つけることが重要な科学的課題となっています。興味深いことに、Berntら［7］は、2100年までに輸送部門を水素燃料車によって脱炭素化すると仮定した場合、現在の技術水準と比較してイリジウム当たりの出力密度を50倍向上させる必要があると試算しています。

持続可能なエネルギー変換のためのナノ材料

この課題の重要性こそが、Prof. Dr. Marc Ledendeckerの研究グループにおいてMarko Malinović氏が進めている研究の原動力となっています。貴金属使用量を削減しつつ、高効率で高耐久性のイリジウム系触媒を設計することは容易な課題ではありません。この課題に取り組むため、文献では裸の金属イリジウム、金属酸化物、混合金属酸化物、コアシェル構造、溶出酸化物、ナノ構造材料など、多様な触媒設計（図1）が報告されています［8］。Marko氏の研究はイリジウム酸化物材料に焦点を当てており、これらは金属並みの導電性と、金属イリジウムよりも優れた耐久性の両立が期待できるためです。

触媒利用効率を最大化するために、Marko氏の研究では表面積対体積比の大きいナノ材料の合成を目指しています。なぜなら、触媒反応に実際に関与するのは触媒表面のみだからです。非晶質イリジウム酸化物（IrO₂）はOERに対して優れた活性を示すことでよく知られていますが、その耐久性は長時間運転を保証するには依然として十分ではありません［9］。一方、400 °C以上で得られる結晶性イリジウム酸化物は、触媒安定性に好ましい影響を与えることが知られています［10］。しかし、高温焼成は不可避的に触媒活性表面積の減少を引き起こします。

Ledendecker研究グループが開発した新しい合成法では、高温での熱処理後であっても粒子サイズや形状を維持したままIrO₂ナノ粒子を合成することが可能です［11］。この手法の独自性は、耐久性の向上が触媒活性表面積の犠牲を伴わない点にあります。その結果、触媒利用効率を最大化するという主要な目標を達成することができます。

次のステップ

この貴重な貴金属の使用量をさらに削減することが求められています。そのための方法として、豊富に存在する元素からなる材料をコア材料として用い、その表面を薄いIrO₂層で被覆することで、「コアシェル」として知られる構造を形成することが考えられています（図1）［12］。

適切なコア材料の選択は、活性を担うイリジウム酸化物シェルの最終的な電気化学特性に決定的な影響を及ぼす可能性があります。コア材料が検討対象となるためには、コアとシェル材料間の熱力学的適合性に加えて、金属的な導電性と酸性媒体中での耐食性という主要な条件を満たす必要があります［13］。しかし、PEM-WEの運転条件下において非貴金属の耐食性には疑問が残るため、この課題は極めて重要であり、Marko氏の今後の研究計画において特に重点的に取り組まれる予定です。