Efficient hydrogen isotope separation by tunneling effect using graphene-based heterogeneous electrocatalysts in electrochemical hydrogen isotope pumping

電気化学水素ポンピングによるグラフェンからなるヘテロ電極触媒のトンネル効果による効率的な水素同位体分離

保田 諭   ; 松島 永佳*; 原田 健児*; 谷井 理沙子*; 寺澤 知潮   ; 矢野 雅大   ; 朝岡 秀人  ; Gueriba, J. S.*; Dio, W. A.*; 福谷 克之

Yasuda, Satoshi; Matsushima, Hisayoshi*; Harada, Kenji*; Tanii, Risako*; Terasawa, Tomoo; Yano, Masahiro; Asaoka, Hidehito; Gueriba, J. S.*; Dio, W. A.*; Fukutani, Katsuyuki

水素同位体である重水素は、半導体産業や医薬品開発に必須な材料であることから、重水素の高効率かつ低コストでの濃縮分離技術の開発は重要である。本研究では、グラフェンとパラジウム薄膜からなるヘテロ電極触媒を開発し、固体高分子形電気化学水素ポンピング法に適用することで高い分離能をもつ重水素濃縮デバイスの開発を行った研究について報告する。その結果、印加電圧が大きくなるにつれ分離能の指標となるH/D値が小さくなる明瞭な電位依存性が観察された。観察されたH/Dの電圧依存性について理論計算により検証した結果、印加電圧が小さい場合、水素イオンと重水素イオンがグラフェン膜透過の活性化障壁を量子トンネル効果により透過することで大きなH/D分離能が発現すること、印加電圧が大きくなると活性化障壁を乗り越えて反応が進行するためH/D値が減少することが示された。以上、グラフェンの水素同位体イオンの量子トンネル効果を利用することで高いH/D分離能を有する水素同位体分離デバイス創製の設計指針を得た。

The fabrication of hydrogen isotope enrichment system is essential for the development of industrial, medical, life science, and nuclear fusion fields, therefore alternative enrichment techniques with high separation factor and economic feasibility have been still explored. Herein, we report the fabrication of heterogeneous electrode with layered structures consisting of palladium and graphene layers for polymer electrolyte membrane electrochemical hydrogen pumping for the hydrogen isotope enrichment. We demonstrated significant bias voltage dependence of hydrogen/deuterium (H/D) separation ability and its high H/D at lower bias voltage. Theoretical analysis also demonstrated that the observed high H/D at low bias voltage stems from hydrogen isotopes tunneling through atomically-thick graphene during the electrochemical reaction, and the bias dependent H/D results in a transition from the quantum tunneling regime to classical over- barrier regime for hydrogen isotopes transfer via the graphene. These findings provide new insight for a novel economical methodology of efficient hydrogen isotope enrichment.