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研究概要

地球環境問題のため化石燃料に依存しない持続可能な社会の実現が喫緊の課題となっており、燃やしても二酸化炭素を排出しない水素の利用拡大が求められています。再生可能エネルギー由来の電気を用いた水電解による水素製造技術の高効率化のためには、電極に用いる安価で高活性な電気化学触媒の開発が必須です。
私たちは、実験・第一原理計算・インフォマティクス手法を活用し、独自の視点である触媒結晶の構造と電子状態に基づいた電気化学触媒作用の観点から、水電解反応に関する未知の触媒作用の法則を発見しました。そして構造および電子状態という利便性の高い性能指標による高性能電気化学触媒の設計論を提案しました。これにより、触媒開発の大幅な効率化を可能としました。そして当設計論を用いることで、安価で高性能な有望触媒の開発に成功しました。私たちが確立した電気化学触媒の設計論は、持続可能な水素社会の実現に貢献するものです。

アドバンテージ

(1)触媒に含まれる元素組成の試行錯誤的な最適化ではなく、包括的な設計論を利用することで、触媒の効率設計を実現しました。

事例紹介

上記の触媒設計論に基づき、私たちはこれまでに鉄、カルシウム、ニッケルなどから成る安価な高活性触媒を続々と発表しています。私たちが開発した水電解用触媒に含まれる鉄、カルシウム、ニッケルなどは非常に安価な元素で、水電解技術の低コスト化が期待できます。またそれらの金属は生物に対して無害な元素であり、環境に優しい材料です。それらの触媒は市販の試薬を水に溶解させ、乾燥し空気中常圧で焼成するだけで容易に合成できる点も実用化に有利と考えています。これらの研究成果は、日本経済新聞、産経ニュース含む国内新聞8紙、海外ニュース記事10件に掲載されました。

主な所属学会

電気化学会 / 化学工学会 / 触媒学会

主な論文

1) Yuuki Sugawara, Takeo Yamaguchi, "From bulk parameters to catalytic activity: Descriptors for nonprecious metal electrocatalysts for water electrolysis", Chem. Commun., 2026, 62, (35), 8814–8825. DOI: 10.1039/D6CC01119E
2) Yuuki Sugawara, Takeo Yamaguchi, "Electrocatalysts for Hydrogen Production - Catalyst Design Strategies Based on Crystal Structures of Multimetal Oxides", Chem. Rec., 2025, 25, (5), e202400246. DOI: 10.1002/tcr.202400246
3) Yuuki Sugawara, Yuto Nakase, Gopinathan M. Anilkumar, Keigo Kamata, Takeo Yamaguchi, "Oxygen Evolution Activity on Nickel-based Phosphates and Effects of their Electronic Orbitals", Nanoscale Adv., 2025, 7, (2), 456–466. DOI: 10.1039/d4na00794h

主な著書

1) 電解合成（１）, 菅原勇貴, 改訂八版 化学工学便覧, 丸善株式会社, 化学工学会編, 2026年12月刊行予定
2) アニオン交換膜型水電解用電極触媒の設計論, 菅原勇貴・山口猛央, 触媒年鑑 触媒技術の動向と展望 2026, 触媒学会発行, 2026年4月, pp124-133
3) Biomolecule-recognition Smart Gating Membranes, Yuuki sugawara and Takeo Yamaguchi, in RSC Smart Materials Series No 35, Smart Membranes, edited by Liang-Yin Chu, ISBN: 978-1-78801-243-0, 2019, pp 230-254.

主な研究機器・設備

電気化学測定システム
計算化学シミュレーション
プログラミング

主な地域活動（国内、特に神奈川県内）

電気化学会　関東支部
化学工学会　関東支部