画期的技術で触媒の原子レベルの秘密を解き明かす新研究

Tokyoローレンス・バークレー国立研究所の科学者たちは、原子レベルでの電気化学プロセスを研究する新しい方法を開発しました。この方法は、一般的な触媒がどのように働くかを理解するのに役立ちます。彼らはポリマー液体セル（PLC）という装置を導入し、研究者が反応を凍結し、異なる段階で観察することを可能にしました。

電気化学反応は、次のような分野で重要な役割を果たしています：

• バッテリー
• 燃料電池
• 電気分解
• 太陽光を利用した燃料生成
• 光合成などの生物学的プロセス

PLCは、透過型電子顕微鏡（TEM）を併用することで、原子レベルで反応を非常に明確に観察できます。この技術は、さまざまな電気化学技術の改善に役立つ可能性があります。

バークレー研究所のチームは、彼らの方法を銅触媒で試験しました。銅触媒は二酸化炭素をメタノール、エタノール、アセトンといった化学物質に変えることができます。この試験の結果、反応中の固体と液体が接する部分で意外な変化が見られました。

バークレー研究所の科学者たちは、先進的な顕微鏡を使って、液体の溶液中で銅原子が炭素、水素、酸素の原子とどのように動き混ざるかを研究しました。彼らは、この混合物が完全に固体でも液体でもない層を形成することを発見しました。この層は電流が停止するとなくなり、銅原子は元の位置に戻ります。

不明確な中間層について詳しく調べることで、より優れた触媒やより長持ちするシステムの開発につながります。触媒の分解メカニズムを理解することは、改良を加える上で重要です。

関連記事:

今日 · 16:19

脳刺激で回復：腕と手の機能が向上する

この液体セルを使用すると、反応の際に固体と液体の境界で何が起きているかをリアルタイムで観察することができます。触媒の表面にある原子がどのように動き、変化するかを見られるのです。この情報は、より優れた触媒を設計するために非常に重要です」と、バークレー研究所材料科学部のシニアサイエンティストであるハイメイ・ジェンは述べています。

張求博（チョウ・キュウハク）博士は、鄭（テイ）研究室のポストドクトラルフェローとして、「触媒がどのように機能を停止するのかを理解することは、それを改良するために非常に重要です。この技術が私たちの触媒改善に役立つと信じています。」と語りました。

この研究には、ハーバード大学の科学者であるZhigang Song、Xianhu Sun、Yang Liu、Jiawei Wan、Sophia B. Betzler、Qi Zheng、Junyi Shangguan、Karen C. Bustillo、Peter Ercius、Prineha Narang、そしてYu Huangが参加しました。

張氏は、アモルファスインターフェースの発見がこれまでの理解を変えることを説明しました。反応が進行するにつれて、このインターフェースの構造が変化し、性能に影響を与えます。これらの変化を研究することで、触媒の性能を向上させる方法を見つけ出すことができます。

6月19日に、Nature誌に新しい研究が発表されました。この研究はアメリカ合衆国エネルギー省の科学局によって資金提供を受けています。科学局が支援する施設であるモレキュラーファウンドリーもこの研究に貢献しました。

科学者たちはこの技術を他の材料にも応用することに期待を寄せています。今は、リチウム電池や亜鉛電池に関する問題の解決に取り組んでいます。PLCを活用したTEMから得られる情報は、多くの電気化学技術を大いに向上させる可能性があります。