液体水素製造時の蒸発ロスを防ぐ触媒の発見

次世代のクリーンエネルギーとして期待される水素は、効率よく貯蔵・輸送するために、-253℃以下の極低温で液体にする必要があります。しかし、水素分子には「オルソ水素」と「パラ水素」という、原子核のスピンの向きが異なる2つのタイプが存在します(図)。常温の水素ガスは「オルソ : パラ = 3 : 1」の割合ですが、液体水素の温度ではほぼ100%「パラ水素」の状態が安定です。しかし急速に液化すると、オルソ水素からパラ水素への変換が遅れ、液体中にエネルギー的に不安定なオルソ水素がかなり残ってしまいます。この残留オルソ水素は貯蔵中も変換を続け、エネルギー放出と液体水素の部分気化を引き起こし、大きなロスをもたらします(図: 赤破線)。この損失を防ぐには、液化前にオルソ水素をパラ水素に変換する高性能な触媒(図: 青破線)が必要ですが、これまでの酸化鉄など磁性を利用した触媒では性能が不十分でした。

研究チームは、従来の「磁性」ではなく、酸化物触媒表面の陽イオン/陰イオンの配列が生み出す不均一な「電場(静電気のムラ)」がオルソ-パラ水素変換を促進するという独自の仮説を立てました。この仮説に基づき、シリカ(SiO₂)やアルミナ(Al₂O₃)など安価な酸化物と、鉄(Fe)やコバルト(Co)などのありふれた金属ナノ粒子を組み合わせることで、従来触媒を上回る高性能触媒の開発に成功しました。

液体水素は、オーストラリアや中東のような水素生産・輸出国と日本のような水素輸入国との間の長距離海上輸送において特に重要な役割を果たしています。本研究で発見された触媒設計アプローチと高性能触媒は、日本における水素経済の発展に寄与すると期待されます。

• 本研究は、NIMS ナノアーキテクトニクス研究センター 電子活性材料チーム(東京科学大学 栄誉教授 細野 秀雄 チームリーダー(併任))とNIMS エネルギー・環境材料研究センター 水素製造触媒材料グループ 阿部 英樹 グループリーダーからなる研究チーム、及び高知工科大学 藤田 武志 教授によって、JST未来社会創造事業JPMJMI18A3の支援を受けて行われました。
• 本研究成果は、2026年3月12日にThe Journal of Physical Chemistry Letters誌(オンライン版)に掲載されました。