１ナノ極薄触媒シートが水の解離を劇的に促進

～燃料電池、ＣＯ_２回収など応用デバイス開発へ重要な一歩～

令和７年４月１７日
名古屋大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

発表のポイント

カチオン交換膜（ＣＥＭ）とアニオン交換膜（ＡＥＭ）を貼り合わせて作るバイポーラー膜（ＢＰＭ）における水解離反応（Ｈ_２Ｏ→Ｈ^＋＋ＯＨ^－）触媒として、酸化チタンナノシートを活用。
稠密（ちゅうみつ）に配列したナノシート膜をカチオン交換膜とアニオン交換膜の間に構築することで３００ミリアンペア／平方センチメートルで０．２５ボルトの過電圧を達成。
従来のナノ粒子触媒と比較して１０００倍以上高い重量規格化電流密度を達成。

名古屋大学 未来材料・システム研究所（ＩＭａＳＳ）の山本 瑛祐 助教、長田 実 教授らの研究チームは、米国・ペンシルベニア大学のＴｈｏｍａｓ Ｅ．Ｍａｌｌｏｕｋ 教授らとの国際共同研究により、ナノシート集積膜が、バイポーラー膜（ＢＰＭ）における水の解離反応を大幅に促進することを実証しました。
バイポーラー膜は、水を酸と塩基に解離して供給できる膜であり、水の電気分解、燃料電池など、次世代の電気化学エネルギー変換技術において近年急速に注目を集めています。しかし、バイポーラー膜のエネルギー変換技術応用には、水解離反応に必要な過電圧を下げることが大きな課題とされてきました。
本研究では、厚さ約１ナノメートル（１０億分の１メートル）の酸化チタンナノシートを高密度に敷き詰めた膜をバイポーラー膜の界面に挿入することで、膜内部に極めて強い電場を生成し、水の解離を劇的に促進できることを発見しました。
今回開発したナノシート稠密配列膜触媒は、従来の酸化チタンナノ粒子触媒と比較して１０００倍以上高い重量規格化電流密度を達成しています。これらの成果は、バイポーラー膜の設計において近年主流となりつつある数百ナノメートルの厚みのナノ粒子触媒層ではなく、「分子レベルの薄さ」と「セカンド・ウィーン効果」を最大限に生かす新しいアプローチの可能性を示しています。本研究成果は、次世代の高性能バイポーラー膜やその応用デバイスの開発に向けて、極めて重要な一歩となると期待されます。
本研究成果は、２０２５年４月１５日付（日本時間）で米国化学会誌「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ」に掲載されました。
本研究の一部は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 創発的研究支援事業 研究課題「無機ナノシート界面が拓くイオン伝導体の革新（研究代表者：山本 瑛祐、ＪＰＭＪＦＲ２３５Ｙ）」、名古屋大学 ベンチャー・ビジネス・ラボラトリー海外派遣（高次機能ナノプロセス技術に関する研究）などの支援のもとで行われたものです。

＜プレスリリース資料＞

本文　ＰＤＦ（７０１ＫＢ）

＜論文タイトル＞

“Molecularly Thin Nanosheet Films as Water Dissociation Reaction Catalysts Enhanced by Strong Electric Fields in Bipolar Membranes”

ＤＯＩ：10.1021/jacs.4c17830

問い合わせ先

＜研究に関すること＞

山本 瑛祐（ヤマモト エイスケ）
名古屋大学 未来材料・システム研究所 助教
Tel：052-789-2751
E-mail：e-yamamoto
imass.nagoya-u.ac.jp

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〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
Tel：03-5214-7276　Fax：03-6268-9413
E-mail：souhatsu-inquiry
jst.go.jp

＜報道担当＞

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Tel：052-558-9735　Fax：052-788-6272
E-mail：nu_research
t.mail.nagoya-u.ac.jp
科学技術振興機構 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
Tel：03-5214-8404　Fax：03-5214-8432
E-mail：jstkoho
jst.go.jp

（英文）“Molecularly Thin Nanosheet Films as Water Dissociation Reaction Catalysts Enhanced by Strong Electric Fields in Bipolar Membranes”