データ駆動型電極触媒解析アルゴリズムの開発

~人の“気付き”を支援することで脱炭素社会実現のための効率的な電極触媒材料探索への道筋~

2022.02.09

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
国立大学法人東京大学大学院工学系研究科

NIMSは、国立大学法人東京大学大学院工学系研究科と共同で、燃料電池や水素製造装置に必須である電極触媒用材料のより正確な機能解析のために、高信頼性予測が可能なベイズ推定を応用したアルゴリズムを開発しました。

概要

  1. 国立研究開発法人物質・材料研究機構 (以下「NIMS」) は、国立大学法人東京大学大学院工学系研究科 (以下「東大」) と共同で、燃料電池や水素製造装置に必須である電極触媒用材料のより正確な機能解析のために、高信頼性予測が可能なベイズ推定を応用したアルゴリズムを開発しました。本研究成果は、脱炭素社会実現に不可欠なグリーン水素製造などに必須の電極触媒開発に、データ駆動でアプローチした先進的な研究です。本成果と、先端計算科学やロボット実験、AIによるサイバー空間におけるデータマイニングなどが連携することで、データ利活用による効率的な電極触媒探索が実現できると期待されます。
  2. 再生可能エネルギーから得られる電力を用いた水素製造技術は、脱炭素実現の観点から注目されています。しかし、水素が化石燃料を代替できるように社会へ大量導入するには、水素製造の更なる高効率化・低コスト化が必須であり、そのため希少資源を用いない高特性電極触媒の開発が必要です。このため、電極触媒の基礎学理を開拓するための研究が世界中で急激に活発化しつつあります。これは電極触媒の工業的成功に対し、基礎研究が十分でないために学問として未知の部分が多く、現状では学理に基づく材料設計指針によって効率的に高特性材料を開発することが難しいためです。
  3. 今回NIMSと東大の研究チームは、シミュレーションに実測データを取り入れて精度向上やモデルのパラメータ推定を行うデータ同化という手法を用い、電極触媒反応の反応モデル最適化や未知機構検知を行うためのアルゴリズムを開発しました。今回の研究では、燃料電池の反応に着眼し、実験データとその実験データから物性値を得るために必要な反応モデルとのデータ同化により、電圧依存性に着目しながら活性化エネルギーおよび吸着エネルギーを動的に推定し、電極触媒の特性をより効率的に解析する手法を開発しました。従来では、様々な仮定を導入した経験的反応モデルに実験データをフィッティングして物性値パラメータを得ることが一般的でした。本手法では、ベイズ推定に基づいた実験データから推定される物性値の確からしさの議論が可能となり、人間だけでは気付くことが困難なモデルの妥当性や再構築のきっかけを与えてくれます。このように、データ同化はデータが持つ意味を抽出し材料の機能創発や現象理解へと役立てる研究手法として有望であり、データ駆動によって人の“気付き”やインスピレーションを後押しする本研究はデータ利活用型マテリアル研究の先駆的な成功例として大きな意味を持ちます。
  4. 今後、本成果を基盤に、水素製造を筆頭に様々な電気化学反応モデルの最適化、および未知機構の探索を行うことで、電極触媒の学問的発展に貢献しつつ、高速・高信頼性なデータ駆動型の電気化学解析手法開発を行います。こうすることで、データ利活用による電極触媒開発といった電気化学マテリアルの効率的探索法の確立に寄与し、我が国における脱炭素実現のための実用技術の開発につなげます。
  5. 本研究は、主に文部科学省におけるデータ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト事業 (JPMXP1121467561) の一環として、坂牛 健主幹研究員、渡邉 碧為東大修士課程学生、久米田 友明日本学術振興会特別研究員、澁田 靖東大准教授によって行われました。
  6. 本研究成果は、米国化学会誌ACS Applied Materials & Interfacesにおいてオンライン速報版で掲載されます : https://doi.org/10.1021/acsami.1c21038
「プレスリリース中の図 : 従来の典型的手法と本研究における電極触媒解析における手法の違い」の画像

プレスリリース中の図 : 従来の典型的手法と本研究における電極触媒解析における手法の違い

掲載論文

題目 : Fast-Decoding Algorithm for Electrode Processes at Electrified Interfaces by Mean-Field Kinetic Model and Bayesian Data Assimilation: An Active-Data-Mining Approach for Efficient Search and Discovery of Electrocatalysts
著者 : Ken Sakaushi, Aoi Watanabe, Tomoaki Kumeda, Yasushi Shibuta
雑誌 : ACS Applied Materials & Interfaces
掲載日時 : 2022年2月9日
DOI : 10.1021/acsami.1c21038

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(研究内容に関すること)

国立研究開発法人物質・材料研究機構
エネルギー・環境材料研究拠点 ナノ界面エネルギー変換グループ
主幹研究員　坂牛 健 (さかうし けん)
TEL: 029-860-4945
E-Mail: SAKAUSHI.ken=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立大学法人東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻
准教授　澁田 靖 (しぶた やすし)
TEL: 03-5841-7118
E-Mail: shibuta=material.t.u-tokyo.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

(報道・広報に関すること)

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FAX: 03-5841-0529
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