Hydrogen isotope separation by tunneling effect used graphene-based heterogeneous electrocatalysts in electrochemical hydrogen 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水素同位体分離

保田 諭   ; 松島 永佳*; 寺澤 知潮   ; 矢野 雅大   ; 朝岡 秀人  ; Gueriba, J.*; Dio, W.*; 福谷 克之

Yasuda, Satoshi; Matsushima, Hisayoshi*; Terasawa, Tomoo; Yano, Masahiro; Asaoka, Hidehito; Gueriba, J.*; Dio, W.*; Fukutani, Katsuyuki

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より水素と重水素を分離する研究について報告する。質量ガス分析の結果、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、観察された電圧依存性は古典的な移動により活性化障壁を乗り越えるパスから量子トンネル効果によって透過するパスに変化することに起因することを示した。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。

We fabricated heterogeneous electrode with layered structures consisting of palladium and graphene layers and reported D2 enrichment from hydrogen and deuterium mixture gas using polymer electrolyte membrane electrochemical hydrogen pumping used the fabricated electrode. Mass spectroscopic analysis demonstrated significant bias voltage dependence of hydrogen/deuterium (H/D) separation ability and the H/D value decreases as the bias voltage increases. Theoretical analysis showed 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.