1 纳米超薄催化片戏剧性地促进水的解离

2025年4月17日

名古屋大学未来材料系统研究所( IMaSS )的山本瑛祐助教、长田实教授等的研究小组通过与美国宾夕法尼亚大学的 ThomasE.Mallouk 教授等的国际共同研究，纳米片集成膜大幅促进了双极膜( BPM )中水的解离反应双极膜是能够将水解离为酸和碱并供给的膜，在水的电解、燃料电池等新一代的电化学能量转换技术中，近年来迅速引起了关注。 但是，在双极膜的能量转换技术应用中，降低水解离反应所需的过电压一直是一个大课题。

本研究发现，通过将高密度地铺上厚约 1 纳米( 10 亿分之一米)的氧化钛纳米片的膜插入

双极膜的界面，可以在膜内部生成极强的电场，戏剧性地促进水的解离。

此次开发的纳米片稠密序列膜催化剂与以往的氧化钛纳米粒子催化剂相比，实现了 1000 倍以上的重量标准化电流密度。 这些成果表明了在双极膜的设计中，不是近年来成为主流的数百纳米厚度的纳米粒子催化剂层，而是最大限度地利用“分子水平的厚度”和“第二因效应注 7 )”的新方法的可能性。 期待本研究成果能成为下一代高性能双极膜及其应用器件的开发中极其重要的一步。

本研究成果刊登在 2025 年 4 月 15 日(日本时间)美国化学会志《journal of the

American chemical society》上。

【本研究要点】

由阳离子交换膜( CEM )注 1 )和阴离子交换膜( AEM )注 2 )粘合而成双极膜( BPM )作为注 3 )中水解离反应( H2O→H+ + OH-)催化剂，氧化钛纳米片注 4 )有效利用。

通过在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间构筑稠密排列的纳米片膜，以 300mA/cm2 达到 0.25V 的过电压注 5 )。

与以往的纳米粒子催化剂相比，实现了 1000 倍以上的重量标准化电流密度注 6 )。

【研究概要】

【研究背景和内容】

近年来，为了实现可持续的能源技术，用于有效控制和促进电化学过程的离子传导性膜材料受到了关注。 其中，双极膜作为具有从水中生成酸和碱的功能( H2O→H+ +OH-)的离子传导性膜材料而闻名。 迄今为止主要用于透析应用，但近年来有望在新一代的水电解、燃料电池、二氧化碳回收、氧化还原流动电池等广泛的应用领域中发挥重要的作用。

双极膜是通过层叠阳离子交换膜( CEM )和阴离子交换膜( AEM )这两种不同的离子交换膜构

成的，可以使反映两者质子浓度差异而产生的强电场在阳离子交换膜和阴离子交换膜的界面上

作用。 因此，据说如果向其界面导入水分子，水就会解离生成氢离子( h )和氢氧根离子( oh

)，进行“水解离反应( WaterDissociation，WD )”。

该反应在膜的两侧形成 pH 梯度，可以稳定地构建一面为酸性环境，另一面为碱性环境(图 1 )。

根据该特性，可以通过阳极(阳极)和阴极(阴极)同时控制不同 pH 条件下的电极反应，实现反应效率的最优化。 然而，在实用的双极膜的设计中，还存在着有待解决的较大课题。 其代表例是伴随 WD 反应的高过电压。 特别是在电解水分解和 co 分离等高电流密度的条件下，该过电压的存在会明显降低系统整体的能量效率。

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图 1 双极膜水解离反应示意图

水(中央的红色圆圈和 2 个白色圆圈)解离，氢离子(白色圆圈)通过阳离子交换膜，生成氢氧化物离子( 1 个红色圆圈和 1 个白色圆圈)通过阴离子交换膜，稳定存在。

近年来，尝试了通过在界面上插入纳米粒子等催化剂层来加速 WD 反应，但据说在膜厚达

到数百 nm 以上的近年来的高效催化剂层中，难以充分活用双极膜主干的"由膜间的质子浓度

差产生的电场带来的促进效果" 因此，本研究小组采用了在双极膜的界面形成分子水平上薄

且高密度排列的氧化钛纳米片膜的新方法。 通过在膜界面铺满该纳米片，可以在膜之间产

生极其陡峭的电位梯度(图 2 )。

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图 2 双极膜的催化剂结构引起的反应活性点量及电位差异相关的示意图

本研究实际上使含有各种催化剂的双极膜在水电解条件下工作，通过交流阻抗测量(

EIS )注 8 )对 WD 反应的过电压进行了定量分析。 结果，使用纳米片的双极膜具有比

以往的纳米粒子型催化剂层低的过电压明确了可以得到( 0.25V@300mA/cm² )。 此外，通过控制氧化钛纳米片的片数和复盖率，详细分析了对膜性能和稳定性的影响，发现此次开发的纳米片稠密排列催化剂与以往的纳米粒子催化剂相比，达到了 1000 倍以上的重量标准化电流密度(图 3 )。 这是在以往的厚催化剂层(几百 nm )中无法实现的“基于分子水平的界面控制的电场强化”的成果，暗示着通过有效利用第二回合效应，反应的活化能显著降低。

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图 3 (左)利用纳米片集成膜的双极膜的设计和(右)与传统型纳米粒子催化剂的重量标准化电流密度的比较

【成果的意义】

本研究采用了“利用电场设计水解离催化剂”的经典方法，纳米材料界是融合了面工学最新技术的极其先锋的成果，为双极膜的设计原理提供了新的指导方针。 这表明了通过“分子水平的厚度”而不是近年来在双极膜设计中逐渐成为主流的数百纳米厚的纳米粒子催化剂层，最大限度地发挥“第二窗口效应”的方法的可能性。 期待本研究成果能成为下一代高性能双极膜及其应用器件的开发中极其重要的一步。

本研究的一部分是科学技术振兴机构( JST )“开创性的研究支援事业”研究课题“无机纳米片界面开拓的离子导体创新(研究代表者:山本瑛祐，JPMJFR235Y )”、名古屋大学风险企业实验室海外派遣(与高级功能纳米工艺技术相关的研究)

【用语】

注 1 )阳离子交换膜( CEM ) :

具有带负电的固定基团(通常为磺酸基等)，仅使 h 等阳离子选择性透过的高分子

膜。

注 2 )阴离子交换膜( AEM ) :

具有带正电的固定基团(通常为季铵基等)，仅使 oh 等阴离子选择性透过的高分子

膜。

注 3 )双极膜( BPM ) :

将阳离子交换膜和阴离子交换膜这两种离子选择性不同的膜层叠而构成的复合膜。 在两

膜的界面上，水分子解离成氢离子( h )和氢氧根离子( oh )，促进“水解离反应( Water Dissociation )”。 由于双极膜可以从水中同时生成酸和碱，有望应用于水电解、燃料电池、二氧化碳分离回收、氧化还原流电池等多种能量转换储能技术。

注 4 )纳米片:

由一层原子、几层组成的物质。 代表性物质有石墨烯、六方晶 BN、过渡金属硫属化物

( MoS2、WS2 等)。

注 5 )过电压:

相对于理论电压，实际进行反应所需的额外电压。 过电压越高，能量损失越大。

注 6 )重量标准化电流密度:

指每 1g 催化剂质量的单位面积(通常为 1cm² )下的电流密度( mA/cm²/g )。 是比

较催化剂活性的重要指标，效率越高的催化剂该值越大。

注 7 )第二维也纳效应:

在强场中，溶液中的电解质以比通常高的比例电离的现象。 成为双极膜界面水解离反应的重

要理论依据。

注 8 )交流阻抗测量( EIS ) :

向电极系统施加微小交流电压，根据与电流响应的频率依赖性，分析电化学反应的电阻要素和弛豫时间的方法。 用于反应的速度论分析和界面电阻的评价。

【论文信息】

杂志名称: journal of the American chemical society

论 文 标 题 : molecular ly thin nano sheet films as waterdissociation reaction catalysts enhanced by strong electricfields in bipolar membranes

作者: Eisuke Yamamoto* (名古屋大学助教)，TianyueGao，Langqiu Xiao，Kelly Kopera，Sariah Marth，HeeminPark，Chulsung Bae，Minoru Osada

【研究者联系方式】

名古屋大学未来材料系统研究所助教山

本瑛祐 TEL:052-789-2751

e-mail:e-yamamoto [ at ] imass.Nagoya-u.AC.jp

【报道联系方式】

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