化学：酸素還元触媒反応のためのPdMoバイメタレン
Nature 574, 7776 doi: 10.1038/s41586-019-1603-7
電極触媒過程を通した化学物質と電気の効率的な相互変換は、多くの再生可能エネルギー構想の中心になっている。この分野では、酸素還元反応（ORR）と酸素生成反応（OER）の反応速度の遅さが長年にわたって最大の問題の1つとなっており、こうした反応の活性と持続性を向上させるには高価な白金族金属系の電極触媒が必要になることが多い。合金化、表面ひずみ、配位環境最適化を用いることで、酸性媒質中で非常に高いORR活性を可能にする白金系ナノ結晶が得られている。しかし、アルカリ性環境では、水酸化物の存在下で白金族金属の表面での酸素結合強度を最適化することが難しいため、ORR活性の向上は依然として困難である。今回我々は、PdMoバイメタレン（bimetallene）という非常に湾曲した厚さサブナノメートルのパラジウム・モリブデン合金ナノシートが、アルカリ電解質中でのORRおよびOER向けの効率的かつ安定な電極触媒となり、Zn–空気電池やLi–空気電池のカソードとして有望な性能を示すことを明らかにする。PdMoバイメタレンの薄いシート構造によって、電気化学的に活性な広い表面積（パラジウム1 g当たり138.7 m2）と高い原子利用率が可能になり、その結果、アルカリ性電解質中において、可逆水素電極に対して0.9 Vの電圧でパラジウム1 mg当たり16.37 AというORRの質量活性が得られた。この質量活性の値は、市販のPt/C触媒の78倍、Pd/C触媒の327倍であり、3万回の電位サイクル後でもほとんど低下しなかった。密度汎関数理論計算からは、合金化効果、湾曲形状に起因するひずみ効果、シートの薄さに起因する量子サイズ効果によって、酸素結合の最適化に向けて系の電子構造が調節されることが明らかになった。PdMoメタレンの特性と構造–活性関係を考慮すると、エネルギー電極触媒反応において他のメタレン材料も大いに期待できる可能性があると示唆される。
