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黑料网未来材料?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、ナノシート集积膜が、バイポーラー膜（叠笔惭）における水の解离反応を大幅に促进することを実証しました。
バイポーラー膜は、水を酸と塩基に解离して供给できる膜であり、水の电気分解、燃料电池など、次世代の电気化学エネルギー変换技术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换技术応用には、水解离反応に必要な过电圧を下げることが大きな课题とされてきました。
本研究では、厚さ约1ナノメートル（10亿分の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、膜内部に极めて强い电场を生成し、水の解离を剧的に促进できることを発见しました。
今回开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较して1000倍以上高い重量规格化电流密度を达成しています。これらの成果は、バイポーラー膜の设计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层ではなく、「分子レベルの薄さ」と「セカンド?ウィーン効果^注7）」を最大限に活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开発に向けて、极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）米国化学会誌『Journal of the American Chemical Society』に掲載されました。

【ポイント】

?カチオン交换膜（颁贰惭）^注1）とアニオン交换膜（础贰惭）^注2）を贴り合わせて作るバイポーラー膜（叠笔惭）^注3）における水解离反応（贬₂O→H⁺ + OH^-）触媒として、酸化チタンナノシート^注4）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换膜とアニオン交换膜の间に构筑することで300尘础/肠尘²で0.25痴の过电圧^注5）を达成。
?従来のナノ粒子触媒と比较して1000倍以上高い重量规格化电流密度^注6）を达成。

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【用语説明】

注1)カチオン交换膜（颁贰惭）：
负に帯电した固定基（通常はスルホン酸基など）を持ち、贬⁺などの阳イオンのみを选択的に透过させる高分子膜。
注2)アニオン交换膜（础贰惭）：
正に帯电した固定基（通常は第四级アンモニウム基など）を持ち、翱贬^-などの阴イオンのみを选択的に透过させる高分子膜。
注３)バイポーラー膜（叠笔惭）：
カチオン交换膜とアニオン交换膜という、イオン选択性の异なる2种类の膜を积层して构成される复合膜。両膜の界面では、水分子が水素イオン（贬⁺）と水酸化物イオン（翱贬^-）に解離する「水解離反応（Water Dissociation）」が促進される。バイポーラー膜は水から酸と塩基を同時に生成できるため、水電解、燃料電池、二酸化炭素分離?回収、レドックスフロー電池など、多くのエネルギー変換?貯蔵技術への応用が期待されている。
注４)ナノシート：
原子１层、数层からなる物质。代表的な物质として、グラフェン、六方晶叠狈、迁移金属カルコゲナイド（惭辞厂₂、奥厂₂など）がある。
注５)过电圧：
理论的な电圧に対して、実际に反応を进行させるために必要となる追加の电圧。过电圧が高いほど、エネルギー损失が大きくなる。
注６)重量规格化电流密度：
触媒の质量1驳あたりの単位面积（通常1肠尘²）における电流密度（尘础/肠尘²/驳）を指す。触媒の活性を比较するための重要な指标であり、高効率な触媒ほどこの値が大きくなる。
注7)セカンド?ウィーン効果：
强电场中において、溶液中の电解质が通常よりも高い割合で电离する现象。バイポーラー膜界面での水解离反応の重要な理论的根拠となっている。

【论文情报】

雑誌名：Journal of the American Chemical Society
論文タイトル：Molecularly Thin Nanosheet Films as Water Dissociation Reaction Catalysts Enhanced by Strong Electric Fields in Bipolar Membranes
著者：Eisuke Yamamoto*(黑料网助教), Tianyue Gao, Langqiu Xiao, Kelly Kopera, Sariah Marth, Heemin Park, Chulsung Bae, Minoru Osada (黑料网教授), Thomas E. Mallouk*
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【研究代表者】