【ポイント】

・単一原子触媒^注1）における活性点利用^注2）をほぼ100%まで高める設計指針を確立。
・凍結鋳型法^注3）により、二次元・単層配列ナノカーボン構造を創製。
・酸素還元反応^注4）において、高価な白金触媒に匹敵、あるいは凌駕する性能を実証。
・燃料電池^注5）をはじめとする次世代エネルギー変換デバイスの高効率・低コスト化に貢献。

燃料電池などの電気化学エネルギー変換技術において、電極触媒の高活性化と資源利用効率の向上は、エネルギー変換効率の向上およびコスト低減の観点から極めて重要な課題です。特に、金属原子を単原子レベルで分散させた「単一原子触媒」は、すべての金属原子が理論的に反応に関与可能であることから、100%の原子利用を実現し得る究極の触媒形態として注目されています。しかしながら、従来の多孔質炭素担体を用いた単一原子触媒では、活性金属原子の多くが微細孔内部や粒子間界面に埋没し、反応物や電子が十分に到達できないため、実際の活性点利用率は理論値を大きく下回るという根本的な課題が存在していました。

名古屋大学大学院工学研究科の山内 悠輔 卓越教授らの研究チームは、金属原子が有機配位子と原子レベルで均一に配位した金属有機構造体（MOF）^注6）を、単一原子触媒の理想的な前駆体として活用しました。本研究では、界面活性剤支援の凍結鋳型法を用いることで、MOFナノ粒子を成長する氷結晶界面に沿って単層二次元的に配列させることに成功しました。さらに、この配列構造を保持したまま熱処理を行うことで、MOF由来の金属原子を凝集させることなく、面内に均一に固定したメソ孔^注7）に富む二次元ナノカーボン構造へと変換する新しい材料創製手法を確立しました。
このような二次元・階層多孔構造^注8）により、触媒層全体における電子輸送および反応物・生成物の物質輸送が著しく改善され、従来は反応に寄与できなかった触媒内部の単一原子活性点まで効率的に活用できるようになりました。その結果、酸性条件下における酸素還元反応において、MOF由来単一金属原子の活性点利用率は約99%に達し、従来型単一原子触媒のみならず市販白金触媒をも上回る電気化学性能を示しました。本成果は、単一原子触媒の性能を理論限界に近づけるための新たな構造設計指針を提示するものであり、次世代燃料電池をはじめとする高効率エネルギー変換デバイスへの応用が期待されます。

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【用語説明】

注1） 単一原子触媒（Single-Atom Catalyst）：
金属原子をナノ粒子ではなく、原子一つ一つの状態で担体上に分散させた触媒。理論的にはすべての金属原子が活性点として機能し得るため、極めて高い原子利用効率が期待されている。
注2） 活性点利用率（Site Utilization）：
触媒中に存在する活性点のうち、実際の反応に寄与している割合を示す指標。単一原子触媒では重要な性能指標であり、理論限界は100%とされる。
注3） 凍結鋳型法（Freeze-Casting Method）：
溶液を凍結させる際に成長する氷結晶を鋳型として利用し、材料を特定の方向や形状に配列させる構造制御手法。本研究では、二次元単層配列構造の形成に用いられた。
注4） 酸素還元反応（ORR：Oxygen Reduction Reaction）：
燃料電池のカソード（空気極）で進行する反応で、酸素分子が電子と反応して水を生成する過程。反応速度が遅く、高性能触媒が必要とされる。
注5） 燃料電池：
燃料と酸素の電気化学反応により、化学エネルギーを直接電気エネルギーへ変換する発電デバイス。高効率・低環境負荷な次世代エネルギー技術として注目されている。
注6） 金属有機構造体（MOF：Metal–Organic Framework）：
金属イオンと有機配位子が規則的に結合した多孔性結晶材料。２０２５年ノーベル化学賞でも注目を浴びた材料である。
注7） メソ孔（Mesopore）：
直径2〜50 nmの細孔。微細孔に比べて反応物や生成物の拡散が容易であり、触媒反応における物質輸送の向上に寄与する。
注8） 階層多孔構造：
ミクロスケール（微細孔・メソ孔）とマクロスケール（構造配列）を組み合わせた多段階の多孔構造。電子輸送と物質輸送を同時に最適化できる。

【論文情報】

雑誌名：Nature Communications
論文タイトル：Near-100% site utilization of single atoms for efficient electrocatalysis
DOI: 10.1038/s41467-025-67756-8　　　　　　　
URL: https://www.nature.com/articles/s41467-025-67756-8

【研究代表者】

大学院工学研究科 山内 悠輔  卓越教授
https://www.nagoya-yamauchi-lab.com/