プレスリリースより抜粋します。

【発表のポイント】

  • 数学的な観点でグラフェン(注 1)のエッジ構造を捉え、窒素およびリンを化学ドープ(注 2)することで幾何学的歪みを意図的に作成することに成功しました。
  • ナノ電気化学セル顕微鏡(注 3)と DFT(density functional theory)計算(注 4)などを駆使し、設計した構造と化学ドープの相乗効果により、水素発生反応(注 5)が飛躍的に向上することを突き止めました。
  • 貴金属を使わない安価な材料のみで構成された電極であっても、高効率に水素製造が可能であるという筋道を示すことができました。今後、再生可能エネルギーと水の電気分解を組み合わせることで、水素社会構築に向けたエネルギーキャリアである水素の基盤製造技術の研究開発の加速が期待されます。

【概要】

 東北大学材料科学高等研究所(AIMR)/同大学院環境科学研究科の熊谷明哉准教授と大阪大学大学院基礎工学研究科の大戸達彦助教らは、筑波大学数理物質系の伊藤良一准教授を研究プロジェクトリーダーとして、炭素原子一層からなるグラフェンのエッジ構造に着目し、そのエッジ構造は数学的な観点から見ると幾何学的歪みが化学元素種の受け入れ先(ホスト)になりうることを見いだし、意図的に化学元素種の導入(以下、化学ドープという)を行いました。グラフェンのエッジ構造に意図的に窒素(N)とリン(P)を導入することにより、化学ドープしていないエッジ構造を持つグラフェンやエッジ構造を持たない化学ドープしたグラフェンよりも、化学ドープしたエッジ構造を持つグラフェンは水素発生能力が高いことが分かりました。その反応性は、DFT(density functional theory)計算によりピリジン型結合(図1化学式参照)を持つ窒素に由来していると予想され、最先端の電気化学顕微鏡技術を用いて実証しました。グラフェンのエッジに意図的に窒素とリンを化学ドープする技術の確立と、DFT 計算による水素発生反応に関与するプロトンの吸着エネルギー結果を比較し、世界有数の高分解能を持つ最先端の電気化学顕微鏡技術により評価した結果、一般的に用いられる高価な貴金属である白金に迫るものであり、非金属元素の化学ドープとエッジ構造などの原子構造が、電極の反応性の向上に寄与するものであることを世界で初めて実証しました。これは、さらなる触媒活性の向上と、金属フリーで安価に水素を発生させる水素社会に向けた水素製造の基盤技術として期待できます。

 今後、本研究を起点に、再生可能エネルギー電力と非金属のみで構成される電極を組み合わせることで、環境に負荷がかからない水素製造の創出技術に結び付くとともに、数学的観点を利用した材料の表面構造と化学ドープ状態の制御などが次世代物質の探索・設計・開発につながり、水素社会構築に向けた研究への礎となることが期待されます。本成果は 2019 年 4 月 1 日(英国時間)に Wiley が発行する「Advanced Science (オープンアクセス)」誌のオンライン版で公開されました。

出典:https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2019/04/press20190404-01-AIMR.html