水分子の構造が塩化物イオンの動きを制御

～低純度の水を利用した水電解反応へ～

2025（令和7）年12月8日
理化学研究所
科学技術振興機構（JST）

概要

理化学研究所（理研） 環境資源科学研究センター 生体機能触媒研究チームの中村 龍平 チームディレクター、林 泰正 基礎科学特別研究員、大岡 英史 研究員らの共同研究グループは、水溶液中のイオンが形成する水和構造が、不純物として含まれる塩化物イオンの拡散を抑制し、水の電気分解効率を高めることを発見しました。
本成果は、水の電気分解に使用可能な水資源の多様化に貢献すると期待されます。
水の電気分解は、再生可能エネルギーを用いて水素や化学燃料を製造する技術として注目されています。しかし、電解液中に塩化物イオンが少しでも残っていると、有毒かつ腐食性のある塩素ガスが発生します。このため、現在は極めて純度の高い水を用いて電気分解が行われています。世界的に淡水が不足する中、水電解を普及させるためには、微量の塩化物イオンが含まれる純度の低い水を活用するための電解技術が必要です。
今回、共同研究グループは、塩化物イオンの拡散が水溶液中に共存する他のイオンによって大きく影響されることを発見しました。具体的には、Li⁺ > Na⁺ > H⁺ > K⁺ > Cs⁺の順に水和構造が硬くなり、塩化物イオンの拡散を抑制できることを明らかにしました。その結果、塩素ガス発生量を最大33パーセント低減できることを実証しました。これまで触媒活性と共存イオンの効果を検討した報告はありますが、イオンと水が形成する「水和構造」そのものが物質の輸送を制御するという視点は、本研究が最初の報告になります。
本研究は、科学雑誌「Nature Chemistry」オンライン版（現地時間2025年12月8日付）に掲載されました。
本研究は、理化学研究所 基礎科学特別研究員制度（SPDR、林 泰正）、研究奨励ファンド（研究代表者：林 泰正）、日本学術振興会（JSPS） 科学研究費助成事業 若手研究「Generalizing the effects of ions on water structure and diffusion phenomena during the condition of electrolyzer operation（研究代表者：林 泰正、JP25K18006）」「Cascade reactions under flow regime within hydrothermal vents’ microchannels（研究代表者：余 雨航、JP25K17997）」、科学技術振興機構（JST） 革新的GX技術創出事業（GteX）「グリーン水素製造用革新的水電解システムの開発（研究代表者：高鍋 和広、JPMJGX23H2）」、文部科学省 データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト「再生可能エネルギー最大導入に向けた電気化学材料研究拠点（DX-GEM、研究代表者：杉山 正和、JPMXP1122712807）」の助成を受けて行われました。

＜プレスリリース資料＞

本文　PDF（5.96MB）

＜論文タイトル＞

“Hydration entropy of cations regulates chloride ion diffusion during electrochemical chlorine evolution”

DOI：10.1038/s41557-025-02014-4

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