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量子化学によるより安全なオゾンベースの水消毒

2026 年 2 月 1 日 |メアリー・ペイジ・ベイリー著 オゾンは水消毒用の塩素に代わるより安全で環境に優しい代替品とみなされていますが、オンデマンドで商業的に適切な規模でオゾンを効率的に生成することは、触媒による劣化の問題によって妨げられてきました。 ドレクセル大学（ペンシルバニア州フィラデルフィア）の研究者チーム www.ドレクセル.edu）、ピッツバーグ大学（ピット; www.pitt.edu）およびブルックヘブン国立研究所（BNL; ニューヨーク州アプトン; www.bnl.gov) は、量子化学モデリングを使用して、水の電気分解によるオゾンの生成に使用される電極の原子スケールの特徴を解明しました。 この研究では、電気分解によるオゾン生成に使用されるドープ酸化スズ電極に焦点を当て、オゾン生成を直接促進する可能性のある特定の表面欠陥を特定するとともに、腐食や故障につながる可能性のある同様の表面部位も特定しました。 「産業上の観点からこの研究をユニークなものにしているのは、単なる性能データではなく明確な設計ルールを提供することで、メーカーが劣化につながる活性部位を最小限に抑えながら、最も有利な活性部位を最大化することに集中できることです。これにより、活性と耐久性のバランスをとるという長年の課題が解決され、拡張性の高い塩素を含まない消毒技術への道が開かれます」とドレクセル大学化学生物工学教授モーリーン・タンは説明する。 このような原子スケールの洞察を得るために、量子化学モデルは解析を拡張し、実験だけで可能な範囲をはるかに超えました。 「オゾンの形成は、多くのプロセスが同時に発生する場合、実験的に解きほぐすのが難しい、微妙な原子および電子スケールの効果に依存します。量子化学を使用すると、きれいな表面と欠陥のある表面で酸素と水がどのように相互作用するかをモデル化し、反応がオゾンを生成するのか、酸素を生成するのか、それとも触媒を劣化させるのかを判断することができます。実験は全体的に何が起こっているかを示しますが、量子化学はその理由を理解するのに役立つ重要な鍵です」とピット大学の化学石油工学部のジョン・キース教授は述べています。 ピットの研究者らが開発した量子モデルは、オゾン形成に必要な同じサイトが触媒を劣化させる望ましくない副反応を促進し、原子スケールの構造と巨視的な性能を直接結び付ける可能性があることを示した。 「量子化学は、水の酸化中に触媒表面で電子がどのように再配列するかをモデル化するために使用されました。さまざまなドーパントと表面欠陥を原子レベルでシミュレートすることで、実験的に分離するのが難しい原子スケールの反応経路を特定しました」とキース氏は付け加えます。 この研究は、水の電気分解によるオゾン生成の実験化学的研究と計算化学的研究を初めて統合した研究の一つであるという点で特に注目に値します。 「次の段階では、触媒活性と安定性の間のトレードオフが普遍的であるかどうかを理解するための範囲を拡大することに焦点を当てています。このスケーリング関係を打破して、活性と安定性の両方を備えた材料を得る方法はあるでしょうか?この質問に答えるために、新しいドーパント、微細構造、組成を探索します」とTang氏は述べています。 #量子化学によるより安全なオゾンベースの水消毒