JP2024505920A - ナノ構造体に担持された触媒を備える電解槽 - Google Patents

Abstract

電解槽（１００、４００）は、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜（１３０、４３０）を備える。各電極は、導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）、及び触媒層（１１１、１２１）を備え、少なくとも１つの触媒層は、触媒構造体（２００）を備える。触媒構造体は、複数の縦長ナノ構造体（２２１）、及び複数の縦長ナノ構造体（２２１）に付着した複数の電極触媒粒子（２２２）を備え、複数の縦長ナノ構造体（２２１）は、イオン交換膜（１３０、４３０）に対する複数の電極触媒粒子（２２２）の位置を制御するように配置される。【選択図】図２Ｃ

Description

本開示は、電気分解に用いられる装置、特に水の電気分解のための装置に関する。

水の電気分解による水素ガスの製造は、化石燃料からの水素ガスの製造の代替法として、並びに太陽光及び風力などの間欠性エネルギー源からの過剰な電気エネルギーを化学エネルギーに変換して貯蔵する手段としての両方において、有望な技術である。しかし、既存の水電解槽は、電解セル内の腐食性条件及び高価な触媒の使用に関する問題を抱えている。イオン交換膜を備えた電解セルの場合、例えば白金又はイリジウムを含む触媒を使用することが必要になる可能性があり、このことは、著しいコストを伴う。加えて、現行の電解セルには、セルを流れる単位面積あたりのイオン電流に関して限界がある。これに関して改善が成されると、生産能力が増加する結果となるであろう。

特許文献１には、電解反応のための触媒として白金又は酸化白金を備えた水電解槽が開示されている。

依然として、水電解槽の改良が求められている。

国際公開第２０１８／１８５６１７号

本開示の目的は、とりわけ電極触媒の使用効率を向上した、改良された水電解槽を提供することである。

この目的は、少なくとも部分的に、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜を備えた電解槽によって達成される。各電極は、導電性要素及び触媒層を備え、少なくとも１つの触媒層は、触媒構造体を備える。触媒構造体は、複数の縦長ナノ構造体、及び複数の縦長ナノ構造体に付着した複数の電極触媒粒子を備え、複数の縦長ナノ構造体は、イオン交換膜に対する複数の電極触媒粒子の位置を制御するように配置される。

イオン交換膜を備えた電解槽セルの効率的な運転のためには、水素イオン又は水酸化物イオンなどのイオンが触媒粒子と膜との間を移動可能でなければならないことから、電極触媒粒子とイオン交換膜との間の良好な接触を確保することが重要である。電極触媒粒子の位置を制御することにより、電極触媒粒子とイオン交換膜との間の接触を改善することが可能となり、これは１つの利点である。

縦長ナノ構造体は、それぞれの軸線におおよそ沿って延びていてよく、軸線は、互いに対して平行に向いており、導電性要素に対して垂直に延びている。互いに対して平行であり導電性要素に対して実質的に垂直である軸線に沿って延びている縦長ナノ構造体は、化学反応の反応物（ｒｅａｃｔａｎｔｓ）及び生成物（ｐｒｏｄｕｃｔｓ）の移動を促進し、利用可能な電極触媒粒子の効率的な使用を可能とする触媒担持構造体を形成するものであり、これは１つの利点である。

これは、縦長ナノ構造体に付着した電極触媒粒子が、すべて同時にイオン交換膜に近接した位置とされ得る触媒粒子の層を形成することを意味する。この場合、軸線が平行に向いていない構成と比較して、より多くの割合の触媒粒子が同時にイオン交換膜に近接して存在することになり、このことは、より多くの触媒粒子を使用する必要なく、効率の向上に繋がる。別の選択肢として、より少ない量の触媒粒子を、効率を低下させることなく使用することもできる。

縦長ナノ構造体は、カーボンナノ構造体を含み得る。有利には、カーボンナノ構造体は、良好な導電性及び構造安定性を有し、そのため、触媒粒子の位置に対する制御、及び電極触媒粒子と多孔質輸送層又は導電性要素などの電解槽セルの他の構成要素との間の良好な電気的接続の両方が得られる。これは、効率的な電解槽の運転のために有益である。例として、縦長カーボンナノ構造体は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノシート、及び／又はカーボンナノワイヤのうちの何れを含んでいてもよい。

カーボンナノファイバー、さらにはカーボンナノチューブ及びナノワイヤは、広く様々な基材上に成長させることが容易であるという利点を有する。

特に、カーボンナノファイバーの場合、ナノファイバーを成長させる条件を調節することによって、形状及び表面構造を変化させることができる。このことにより、特に適する構成で配置される複数のナノファイバーを作製することができる。カーボンナノファイバーはまた、構造的及び化学的に強固でもある。

カーボンナノ構造体を成長させるプロセスは、カーボンナノ構造体の形成を促進するための成長触媒の使用を伴い得る。有利には、カーボンナノファイバーの成長に用いられる成長触媒は、電解プロセスに含まれる化学反応を促進するために用いられる触媒粒子と同じ材料を含んでもよい。成長触媒及び電解触媒粒子として同じ材料を用いることができると、電解槽の製造がより簡便に及びより効率的になり得る。

縦長ナノ構造体の劣化を防止するために、縦長ナノ構造体の少なくとも１つのセクションが、腐食に対する耐性を増加させるために配置される保護コーティングによって被覆され得る。電解槽の電極での化学的環境は、特にイオン交換膜のアノード側で腐食性である。縦長ナノ構造体を耐腐食性材料でコーティングすることにより、触媒構造体の劣化を防止又は遅延すること、及び電解槽の寿命を延長することが可能となり、これは１つの利点である。保護コーティングは、白金、イリジウム、チタン、及び窒化チタンの何れか、又はこれらの組み合わせを含んでよい。

態様によると、縦長ナノ構造体は、第一の基材上に成長され、導電性要素又は多孔質輸送層などの電解槽の構成要素を備えた第二の基材に移されてもよい。したがって、縦長ナノ構造体は、ナノ構造体の成長のために配置された基材上に成長され、その後、電解槽で使用するために配置された基材に移してもよい。このことは、第二の基材がナノ構造体の成長に適している必要がないことを意味し、これは１つの利点である。

他の態様によると、縦長ナノ構造体は、導電性要素又は多孔質輸送層などの電解槽の構成要素を備えた基材上に成長されてもよい。有利には、このことは、ナノ構造体と上記電解槽構成要素との間の良好な付着をもたらす。

基材は、構造化面を備えてよく、縦長ナノ構造体は、この構造化面上に成長されてもよい。すなわち、ナノ構造体は、パターン化されたフロープレート又は多孔質拡散層などのパターン化された面又は粗面上に成長されてよく、それによって、電解槽の構成要素間の電気的接触が改善される。イオン交換膜の面は、触媒構造体とイオン交換膜との間の密接な接触を確保するために、構造化面の輪郭に沿うように配置されてよい。

態様によると、縦長ナノ構造体のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的にイオン交換膜の中に延びるように配置されてよい。

有利には、縦長ナノ構造体をイオン交換膜中に延びるようにすることで、イオン交換膜と電極触媒粒子との間の接触が改善される。したがって、電極触媒粒子の表面への及び表面からのイオンの移動が改善され、このことは、触媒構造体及び電解槽をより効率的とする。

少なくとも１つの電極触媒粒子は、少なくとも１つの縦長ナノ構造体の第一のセクションに固定されていてよい。この場合、少なくとも１つの縦長ナノ構造体のこの第一のセクションは少なくとも、イオン交換膜中に延びていてよい。好ましくは、少なくとも１つの縦長ナノ構造体の第一のセクションは、少なくとも１つの縦長ナノ構造体の、導電性要素とは反対側にある端部に位置している。

すなわち、電極触媒粒子は、縦長ナノ構造体の先端に近いセクションに付着されてよく、その後このセクションは、イオン交換膜中に埋め込まれる。このことにより、利用可能な電極触媒粒子がイオン交換膜と良好に接触した状態で配置されることから、利用可能な電極触媒粒子の効率的な使用が可能となり、一方埋め込まれていない縦長ナノ構造体の部分は、電極触媒粒子への及び電極触媒粒子からの水及び／又は気体の移動を促進し得る。

縦長ナノ構造体は、すべて同じ長さではない可能性があり、又はそれらは実質的に同じ長さであるが、多孔質金属若しくはカーボン材料などの起伏のある基材上に成長される可能性があり、このことは、縦長ナノ構造体の先端が導電性要素に対して異なる距離に存在することに繋がる。したがって、導電性要素から、縦長ナノ構造体の、導電性要素とは反対側にある端部までの距離は、縦長ナノ構造体の間で異なる場合がある。この距離がより大きい縦長ナノ構造体は、この距離がより小さい縦長ナノ構造体よりもイオン交換膜中にさらに延びることができ、それによって、すべての縦長ナノ構造体が、少なくとも部分的にイオン交換膜中に延びる。このことにより、すべての縦長ナノ構造体上の電極触媒粒子が、膜に近接して位置し得ることが確保され、これは１つの利点である。

１つの例によると、第一のセクションは、少なくとも１つの縦長ナノ構造体の９０％超を構成し得る。別の例によると、第一のセクションは、少なくとも１つの縦長ナノ構造体の半分未満を構成し得る。第三の例によると、第一のセクションは、少なくとも１つの縦長ナノ構造体の５０％～９０％を構成し得る。

電極触媒粒子は、間接的若しくは直接的な物理化学的及び／又は物理的方法である堆積法を用いて、縦長ナノ構造体に付着され得る。そのような方法の例としては、電解めっき、無電解めっき、スパッタリング、スプレーコーティング、ディップコーティング、及び／又は溶媒キャスト法が挙げられる。

少なくとも１つの電極は、導電性要素と触媒構造体との間に配置された多孔質輸送層を備え得る。多孔質輸送層は、多孔質材料を含む。多孔質輸送層は、触媒構造体への及び触媒構造体からの水及び／又は気体の移動を改善し得るものであり、これは１つの利点である。

目的はまた、少なくとも部分的に、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜を備えた電解槽によって達成される。各電極は、導電性要素を備え、電極のうちの少なくとも１つは、触媒構造体を備える。触媒構造体は、導電性要素を複数の電極触媒粒子と接続するように配置された複数の縦長ナノ構造体を備え、各電極触媒粒子は、それぞれの縦長ナノ構造体の、導電性要素とは反対側にある端部に局在している。

有利には、それぞれの縦長ナノ構造体の端部に局在している各触媒粒子は、イオン交換膜及び電解槽の他の構成要素に対する触媒粒子の位置に関する制御を改善し、このことによって、より効率的な運転を実現することが可能となる。例として、触媒粒子は、電解プロセスに含まれる化学反応を効率的に促進するために、イオン交換膜に近接していること、及び大きい表面積を呈することが必要である。触媒粒子の位置に関する制御を改善することで、イオン交換膜までの距離及び露出表面積の両方を、性能改善のために調節することができる。

有利には、より多くの割合の触媒粒子を、確実にイオン交換膜に近い位置とすることができることから、触媒構造体が触媒粒子の位置を同程度に制御できない電解槽と比較して、使用する触媒粒子の総数を減少させることができる。すなわち、本明細書で開示される電解槽では、より少ない量の触媒粒子を用いて、これまでの既知の電解槽の場合と同じ効率を実現することができる。

１つの例によると、電極触媒粒子は、イオン交換膜から１０ｎｍ未満、好ましくはイオン交換膜から５ｎｍ未満の位置とされ得る。別の例によると、電極触媒粒子は、イオン交換膜と接触した位置、又はイオン交換膜から０．１～１ｎｍ以内の位置とされ得る。有利には、触媒粒子をイオン交換膜に近接した、すなわち１０ｎｍ未満、好ましくはこれよりも近い位置とすることにより、反応の過程で発生した水素イオン又は水酸化物イオンがより容易にイオン交換膜に入ることができることから、触媒粒子のより効率的な使用が可能となる。また、イオン交換膜から出る水素イオン又は水酸化物イオンが、より容易に触媒粒子に吸着することもでき、これは、電解反応にとって重要である。

縦長ナノ構造体の少なくとも１つは、トランク部と少なくとも２つの分岐部とを備えた分岐状ナノ構造体であってよく、この場合、電極触媒粒子は、各分岐部の端部に局在している。有利には、分岐状ナノ構造体によって、イオン交換膜の単位面積あたりの触媒粒子の数を増加させることが可能となり、それによって、電解反応が起こり得る触媒の表面積が増加する。触媒構造体はまた、多孔質カーボン材料を含んでいてもよい。

目的はさらに、少なくとも部分的に、電解槽のための触媒構造体の製造方法によって達成される。電解槽は、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜を備える。各電極は、導電性要素を備える。方法は、第一又は第二の電極に備えられた導電性要素に接続された複数の縦長ナノ構造体を作り出すことと、複数の電極触媒粒子を、各電極触媒粒子がそれぞれの縦長ナノ構造体の、第一又は第二の電極に備えられた導電性要素とは反対側にある端部に局在するように、複数の縦長ナノ構造体に付着させることと、を含む。

有利には、導電性要素に接続された縦長ナノ構造体は、導電性要素と触媒粒子との間の良好な電気的接触を確保し、このことは、効率的な電解槽の運転にとって重要である。各触媒粒子がそれぞれの縦長ナノ構造体の端部に局在していることにより、例えばイオン交換膜に対しての、触媒粒子の位置を制御することができる。

複数の縦長ナノ構造体を作り出すことは、第一又は第二の電極に備えられた導電性要素のうちの１つ、多孔質輸送層、又は他の何らかの基材などの基材上に縦長ナノ構造体を成長させることを含んでもよい。基材上に縦長ナノ構造体を成長させることは、得られる触媒構造体の機能を改善するために、ナノ構造体を成長させる条件を調整することによって、ナノ構造体の特性及び形状を調整できるという利点をもたらす。例として、縦長ナノ構造体の厚さを調整することで、構造安定性が改善され得る。別の例として、ナノ構造体の表面が、峰部（ridges）及び溝部（grooves）などの構造を含むように変化させてもよく、これによって、総表面積が増加し、触媒粒子が付着され得る部位を増やすことができる。

基材上に縦長ナノ構造体を成長させることは、基材の面上に成長触媒層を堆積させること、及び成長触媒層上に縦長ナノ構造体を成長させることを含んでもよい。成長触媒層は、縦長ナノ構造体の成長を促進する。得られる触媒構造体の機能を改善するために、成長触媒層の特性を変化させることによって、成長した縦長ナノ構造体の特性を調整することができる。

態様によると、成長触媒層を堆積させることは、均一な成長触媒層を堆積させること、及び堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入することを含んでもよい。堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入する利点は、それによって、基材上の単位表面積あたりのナノ構造体密度を制御することが可能となることである。単位表面積あたりのナノ構造体密度は、触媒粒子への及び触媒粒子からの、水、酸素ガス、及び水素ガスなどの流体の流動に影響を与える可能性がある。それはまた、膜の単位表面積あたりの触媒粒子密度にも影響を与える可能性がある。流動及び触媒粒子密度の両方が、電解槽の効率に強く影響する。このため、基材の単位表面積あたりのナノ構造体密度を制御することにより、電解槽の効率を改善することが可能となる。

基材上に縦長ナノ構造体を成長させることはまた、基材の面上に導電性層を堆積させてもよい。有利には、基材の面上に導電性層を堆積させることにより、基材を電気的にアースするという効果が得られる。基材を電気的にアースすることは、ナノ構造体を成長させる特定の方法において有利であり得る。導電性層が基材の面上に堆積され、成長触媒層が導電性層の上に堆積されると、導電性層はまた、成長触媒層と基材との間での原子及び／又は分子の拡散を阻害し得る。

本明細書において、電解槽のための触媒構造体の製造方法も開示される。電解槽は、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜を備える。各電極は、導電性要素を備える。方法は、面を有する基材を構成することを含む。基材は、第一又は第二の電極に備えられた導電性要素のうちの１つ、多孔質輸送層、又は他の何らかの基材であってよい。方法はさらに、基材上での縦長ナノ構造体の成長のための成長触媒を、電解槽中の電解触媒としても成長触媒を使用できるように選択すること、及び選択された成長触媒を含む成長触媒層を基材の面上に堆積させることを含む。方法はまた、成長触媒層上に縦長ナノ構造体を成長させることによって、電解槽での使用に適する触媒粒子が各縦長ナノ構造体の端部に局在している縦長ナノ構造体を作り出すことも含む。

触媒層を用いて基材上に縦長ナノ構造体を成長させることに関連する上記で述べた利点に加えて、この方法は、電解槽中での電解触媒としても使用することができる成長触媒を用いるというさらなる利点も提供する。このことにより、より簡便でより効率的な方法で触媒構造体を製造することが可能となる。

態様によると、成長触媒層を堆積させることは、均一な成長触媒層を堆積させること、及び堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入することを含んでもよい。堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入する利点は、それによって、基材上の単位表面積あたりのナノ構造体密度を制御することが可能となることである。単位表面積あたりのナノ構造体密度は、触媒粒子への及び触媒粒子からの、水、酸素ガス、及び水素ガスなどの流体の流動に影響を与える可能性がある。それはまた、膜の単位表面積あたりの触媒粒子密度にも影響を与える可能性がある。流動及び触媒粒子密度の両方が、電解槽の効率に強く影響する。このため、基材の単位表面積あたりのナノ構造体密度を制御することにより、電解槽の効率を改善することが可能となる。

他の態様によると、基材の面上に成長触媒層を堆積させることは、基材の面上に導電性層を堆積させることを含んでもよい。有利には、基材の面上に導電性層を堆積させることにより、基材を電気的にアースするという効果を得ることができる。基材を電気的にアースすることは、ナノ構造体を成長させる特定の方法において有利であり得る。導電性層が基材の面上に堆積され、成長触媒層が導電性層の上に堆積されると、導電性層はまた、触媒層と基材との間での原子及び／又は分子の拡散を阻害し得る。

本明細書において、さらに、電解槽のための触媒構造体の製造方法が開示される。電解槽は、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜を備える。各電極は、導電性要素を備える。方法は、複数の縦長ナノ構造体を生成すること、複数の触媒粒子を複数の縦長ナノ構造体に付着させること、及び複数の縦長ナノ構造体を、イオン交換膜に対する複数の電極触媒粒子の位置を制御するように配置すること、を含む。

本明細書で開示される方法は、異なる装置に関連して上記で考察したものと同じ利点を伴う。一般に、請求項で用いられるすべての用語は、本明細書において明示的なそれ以外の定めのない限り、本技術分野におけるそれらの通常の意味に従って解釈されるべきである。「１つの（a）／１つの（an）／その（the）要素、装置、構成要素、手段、工程、など」へのすべての言及は、明示的な他の記載のない限り、要素、装置、構成要素、手段、工程などの少なくとも１つの例を意味するように、非限定的に解釈されるべきである。本明細書で開示される何れの方法の工程も、明示的な記載のない限り、開示される通りの順番で実施される必要はない。本発明のさらなる特徴及び本発明による利点は、添付の請求項及び以下の記載内容を調べると明らかになるであろう。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の異なる特徴を組み合わせて、以下に記載される実施形態以外の実施形態を作り出すことができることは認識される。

次に、本開示を、添付の図面を参照しながらより詳細に記載する。

図１は、水電解槽を模式的に示す図である。 図２Ａは、基材上の縦長ナノ構造体を模式的に示す図である。 図２Ｂは、基材上の縦長ナノ構造体を模式的に示す図である。 図２Ｃは、基材上の縦長ナノ構造体を模式的に示す図である。 図３は、触媒構造体を模式的に示す図である。 図４は、水電解槽を模式的に示す図である。 図５Ａは、方法を示すフローチャートである。 図５Ｂは、方法を示すフローチャートである。 図５Ｃは、方法を示すフローチャートである。 図６Ａは、カーボンナノファイバーの電子顕微鏡画像である。 図６Ｂは、カーボンナノファイバーの電子顕微鏡画像である。

次に、本開示の態様を、添付の図面を参照しながらより充分に記載する。しかし、本明細書で開示される異なるデバイス及び方法は、多くの異なる形態で実現可能であり、本明細書で示される態様に限定されるとして解釈されるべきではない。図面中の類似の符号は、全体を通して類似の要素を意味する。

本明細書で用いられる専門用語は、単に本開示の態様を記載するためのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で用いられる場合、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」は、文脈からそれ以外が明確に示されない限りにおいて、複数形も含むことを意図している。

以下の記載は、水の電解に適する電解槽に焦点を当てているが、当業者であれば、電解プロセスに含まれる還元及び酸化の反応が触媒の表面上で発生し、電極が固体電解質で分離されている限りにおいて、本明細書で述べるデバイス及び方法が、他の液体又は気体の電解にも使用可能であることは認識される。

電解槽は、１つは正に荷電したアノードであり、１つは負に荷電したカソードである２つの電極、及び電解質として知られるイオンの移動を可能とする媒体を備える。電極は、電解反応を推進する電気エネルギーを供給する電源に接続されている。

いくつかの電解槽では、イオン輸送媒体として、固体電解質又はイオン交換膜が用いられる。イオン交換膜は、イオンが通り抜けることができる固体材料である。この材料は、イオンを伝導することから、イオン伝導体としても知られている。イオン交換膜を用いることで、コンパクトな電解槽設計、さらには酸素ガスと水素ガスとの良好な分離が可能となり、これは１つの利点である。

電解槽に用いられるイオン交換膜は、膜を通り抜けるイオン種に応じて分類することができる。アニオン交換膜、ＡＥＭは、陰イオンを、この場合は水酸化物イオンを、カソードからアノードへ伝導する。プロトン交換膜、ＰＥＭは、水素陽イオン又はプロトンを、アノードからカソードへ伝導する。アニオン交換膜及びプロトン交換膜は何れも、水に対しては透過性であるが、電極間を移動する水素ガス及び／又は酸素ガスの量は最小限に抑え得る。

イオン交換膜を備えた電解槽において、各電極は、電源に接続された導電性要素、及び電解プロセスに含まれる化学反応を促進する電解触媒を含む触媒層を備える。ほとんどの電解槽電極は、導電性要素と触媒層との間に配置された多孔質輸送層も備え、これは、生成物及び反応物の触媒への及び触媒からの移動を促進する。

本明細書において、導電性要素は、高い電気伝導率を有する要素である。高い電気伝導率は、金属材料又は半導体材料に通常付随する電気伝導率、又は１００（Ωｍ）^－１超の電気伝導率であり得る。

触媒は、例えば化学反応の開始に要するエネルギーの量を低下させることによって、化学反応を促進する材料又は化学化合物である。電解触媒は、アノード側で発生する反応又はカソード側で発生する反応など、電解プロセスに含まれる化学反応を促進する。アノード側及びカソード側の電解触媒は、異なる材料を含むことが多い。

電解の過程において、水は、イオン交換膜のアノードが配置されている側から電解槽に投入することができる。ＰＥＭ電解槽の場合、アノード側にある電解触媒と接触した水分子は、酸素発生反応を受ける。
２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ^－

電子は、２つの電極を接続する回路に入り、酸素ガスは、電解槽から排出され、プロトンは、ＰＥＭを通ってカソード側へ、カソード電解触媒へと拡散し、そこで水素発生反応を受ける。
４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２

ＡＥＭ電解槽では、水分子は、代わって、ＡＥＭを通ってまずカソード側に拡散し得、そこで、カソード電解触媒において以下の反応が発生する。
２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－→２ＯＨ^－＋Ｈ_２

水酸化物イオンは、ＡＥＭを通って拡散し、アノード電解触媒において以下の反応を受ける。
４ＯＨ^－－４ｅ^－→Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ

セル中の電気化学反応は、電極触媒表面で発生することから、高い反応速度を実現するには、触媒層及びセルの他の部分とのその接続に対していくつかの要件が課される。第一に、水は、アノード側の触媒に到達可能でなければならず、気体（電極に応じて、水素又は酸素）は、触媒から拡散排出可能でなければならない。第二に、電気化学反応がイオン及び電子を生成するか又は消費するかの何れかであることから、触媒は、電源と電気的に接続されていなければならず、この接続には、数ある中でも、触媒層と多孔質輸送層との間の接触抵抗、さらには多孔質輸送層と導電性要素との間の接触抵抗が低いことが必要である。

電気化学反応は、触媒表面で発生するが、触媒層の構造に応じて、触媒表面の一部分だけが寄与し得る。効率的に反応を進行させるために、触媒表面は、触媒への及び触媒からのイオンの輸送を可能とする膜と接触していること、並びに反応物及び生成物の輸送を可能とする周囲の水及び気体と接触していることの両方が必要である。これは、膜、水又は気体、及び触媒の間の三相界面で生じる反応と表現されることもある。これらの条件が満たされる表面領域は、活性のある触媒表面領域であり、触媒層は、それができる限り大きくなるように構築される必要がある。電解槽セルのすべての構成要素と同様に、触媒層も、化学的に安定でなければならない。

実際には、触媒層は、多くの場合、白金又は酸化イリジウムなどの触媒活性材料のナノ粒子を含有する。そのような粒子は、以降、触媒粒子又は電極触媒粒子と称される。電極触媒粒子は、担持されていなくてもよく、或いはカーボンブラック、チタンメッシュ、若しくは金属酸化物などの多孔質触媒担持体上に分散されていてもよい。ナノ構造化担持体上にスパッタリングされた触媒活性材料の薄膜が用いられてもよい。一般に、触媒担持構造体は、電解槽中に存在する条件下で化学的に安定であることに加えて、電気を伝導可能であることが必要である。触媒層はまた、多くの場合、触媒粒子への及び触媒粒子からのイオンの移動を改善するために、イオン伝導性ポリマーも含む。通常、膜及び触媒層は、一緒に製造されて、膜電極接合体（ＭＥＡ）として知られるものとされる。

カーボンブラックなどの現在用いられている触媒担持体は、通常は、不規則な多孔質構造を有する。しかし、ナノワイヤ、ナノウィスカー、ナノファイバー、及びナノチューブから生成される、より規則的なナノ構造化担持体も用いられ得る。より規則的な構造を持つ触媒担持体は、触媒の配置に関するより良好な制御を可能とすることができ、それによって、触媒と膜との間のより良好な接触がもたらされ、さらには水及び酸素ガス及び水素ガスの移動が改善される。

例えば拡散層、多孔質輸送層、又は集電体として知られる、導電性プレートと触媒層との間にある層には、イオン伝導性であることの必要性以外に、同様の一連の要件が課される。拡散層は、電源と触媒との間に電流を流すことを可能とし、同時にまた、電解反応の反応物及び生成物、すなわち水、酸素、及び水素という物質の移動も可能とするために、触媒層と導電性プレートとを接続する役割を有する。それはまた、熱伝導体として、及びＭＥＡのための機械的な支持体としても役立ち得る。カソード側には、カーボンペーパー又はカーボンフェルトが用いられることが多く、一方、アノード側には、より過酷な化学的条件のために、多孔質金属構造体がより多くの場合用いられる。ＰＥＭセルの場合、これは、チタンメッシュが使用されることが多いが、ＡＥＭセルの場合、アノード側の拡散層は、ニッケルフォームが使用されることもある。

イオン交換膜電解槽の最適な運転のために、電解触媒は、プロトン又は水酸化物イオンが容易にイオン交換膜に入ることができるように、イオン交換膜に近接している必要がある。電解触媒への及び電解触媒からの電子の移動は、反応に不可欠であることから、電解触媒は、導電性要素と電気的に接触していることも必要である。加えて、電解触媒は、水分子又はイオンが容易にそれに吸着することができ、気体分子が脱着することができる充分な露出した表面領域を有する必要もある。

電解触媒が担持構造体に担持された触媒粒子を含む場合、イオン交換膜から遠すぎる触媒粒子又は導電性要素との電気的接触が乏しい触媒粒子は何れも、電解反応に対してほとんど又はまったく寄与することがなく、それによって、電解槽の効率が低下する。したがって、電極触媒粒子の位置を制御可能であることは、１つの利点である。

図１は、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜１３０を備えた電解槽１００を示す。各電極は、導電性要素１１３、１２３、及び触媒層１１１、１２１を備え、触媒層は、イオン交換膜１３０と密接に接触して配置されている。導電性要素１１３、１２３の両方は、電源１４０に接続されている。

少なくとも１つの電極は、図１に示されるように、導電性要素１１３、１２３と触媒層１１１、１２１との間に配置された多孔質輸送層１１２、１２２も備え得る。多孔質輸送層は、多孔質材料を含む。

ここで、導電性要素１１３、１２３は、電解槽中の化学的環境に耐えることができる導電性材料を含む。導電性要素１１３、１２３は、例えば、チタン、タングステン、及び／又はジルコニウムなどの材料を含み得る。所望に応じて、導電性要素は、チタン、タングステン、及びジルコニウムのうちの１つ又はこれらの組み合わせでコーティングされた鋼製の素子であってもよい。導電性要素は、カーボン複合材料を含んでもよい。

導電性要素は、セパレータ要素、セパレータプレート、又はフロープレートとしても知られ得る。電解槽セルが、直列に配置された電解槽セルのスタックの一部である場合、導電性要素は、１つの電解槽セル用のアノード側の導電性要素としての、及び隣接する電解槽セル用のカソード側の導電性要素としての役割を有し得る。この場合、それは、バイポーラープレートと称され得る。

例として、導電性要素１１３、１２３は、導電性プレートであり得る。プレートとは、２次元方向に拡がっていて、第３次元方向には相対的に薄い物体を意味するものと解釈される。導電性要素１１３、１２３はまた、シートの形態、又は電解に適する他の構造体であってもよい。

イオン交換膜１３０は、イオン伝導体、すなわちイオンが通り抜けることができる材料を含む。例として、イオン伝導体は、Ｎａｆｉｏｎとしても知られるスルホン化テトラフルオロエチレン、又はポリスルホン若しくはポリフェノールオキシド（polyphenole oxide）をベースとするポリマーなどのポリマーであってよい。しかし、イオン交換膜は、他の種類のイオン伝導体、例えばドープしたバリウムジルコネート、ドープしたバリウムセレート、ドープしたランタンガレート、又は安定化ジルコニアなどの金属酸化物、を含んでもよい。

多孔質輸送層１１２、１２２は、チタンメッシュ若しくはニッケルフォームなどの多孔質導電性材料を含み、又は、カーボンペーパー若しくはカーボンフェルトなどの多孔質カーボン材料を含み得る。多孔質輸送層は、導電性要素と平行に配置された平面状又はプレート形状の層であってよい。

触媒粒子は、触媒活性であり、電解中にカソード及びアノードで発生する反応を促進する材料を含む。例として、触媒粒子は、白金、ルテニウム、パラジウム、又はイリジウムを含んでよい。触媒粒子はまた、酸化白金又は酸化イリジウムなどの金属酸化物を含んでもよい。別の例として、触媒粒子は、コバルト又はニッケルを含んでもよい。所望に応じて、触媒粒子は、ナノ粒子であってもよく、すなわち、１マイクロメートルよりも実質的に小さく、ほとんどの場合１～１００ｎｍであるサイズを有してもよい。好ましくは、触媒粒子は、３～１０ｎｍのサイズであり得る。

触媒粒子に加えて、触媒層１１２、１２２は、導電性材料を含む触媒担持体を有してもよい。触媒担持体は、例えば、カーボンブラック、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、又は多孔質カーボン材料を含み得る。多孔質チタンメッシュ又はニッケルフォームなどの金属材料が用いられてもよい。触媒層はまた、スルホン化テトラフルオロエチレンなどのイオン伝導性材料も含み得る。

本開示によると、電解槽１００の第一及び第二の電極に備えられた触媒層１１１、１２１のうちの少なくとも１つは、図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃに模式的に示されるように、複数の縦長ナノ構造体を備えた触媒構造体を備える。触媒構造体は、複数の縦長ナノ構造体２２１、及び複数の縦長ナノ構造体２２１に付着した複数の電極触媒粒子２２２を備える。複数の縦長ナノ構造体２２１は、イオン交換膜１３０に対する複数の電極触媒粒子２２２の位置を制御するように配置される。イオン交換膜１３０に対する電極触媒粒子２２２の位置を制御することは、例えば、電極触媒粒子を、イオン交換膜１３０から特定の距離以内の位置とすること、又はイオン交換膜１３０と接触した位置とすることを意味し得る。

ナノ構造体とは、少なくとも１つの寸法において、１マイクロメートルよりも実質的に小さく、好ましくは１～１００ｎｍであるサイズを有する構造体である。本明細書において、縦長ナノ構造体とは、高さなどの少なくとも１つの寸法が、幅又は深さなどの別の寸法と比較して実質的により大きいナノ構造体である。例として、高さ及び半径で特徴付けられる実質的に円筒形のナノ構造体を考える。このナノ構造体は、高さが半径よりも有意に大きい場合、例えば高さが半径よりも２倍超大きい場合、縦長であると見なされ得る。実質的に円錐形、長方形、又は任意の形状であるナノ構造体にも、同様の論法が当てはまり得る。

縦長ナノ構造体２２１は、例えば、直線状、らせん状、分岐状、波状、又は傾斜状（tilted）であってよい。所望に応じて、それらは、ナノワイヤ、ナノホーン、ナノチューブ、ナノウォール、結晶ナノ構造体、又はアモルファスナノ構造体として分類可能であってもよい。

触媒構造体２００に含まれるナノ構造体は、縦長ナノ構造体であることから、１つの寸法が他の寸法よりも大きい。この寸法に沿った軸線を、ナノ構造体の高さ軸線と見なす。この高さ軸線が、導電性要素１１３、１２３及び／又は多孔質輸送層１１２、１２２に対して垂直又はほぼ垂直に延びている場合、縦長ナノ構造体２２１は、互いに対して平行に、及び導電性要素１１３、１２３又は多孔質輸送層１１２、１２２に対して垂直に向いているそれぞれの軸線２３０におおよそ沿って延びていると見なすことができる。

これは、図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃに示されており、これらは、互いに対して平行であり、基材２１０に対して垂直であるそれぞれの軸線２３０に沿って延びる縦長ナノ構造体２２１を模式的に示している。基材は、導電性要素１１３、１２３、多孔質輸送層１１２、１２２、又は他の何らかの基材であってよい。図２Ａ及び２Ｃは、縦長ナノ構造体の上端部に電極触媒粒子２２２のクラスターが付着した縦長ナノ構造体を示し、一方図２Ｂは、電極触媒粒子が各分岐部の端部に付着した分岐状縦長ナノ構造体を示す。

ナノ構造体は、例えば、軸線２３０に対して中程度の傾斜を有してよいことから、又はナノ構造体は、前後に曲がってらせん状若しくは波状の形状を形成してもよいことから、これは、ナノ構造体が完全に直線状であること、又は導電性要素１１１、１２１に対して完全に垂直であることを意味するものと解釈されるべきではない。そうではなく、ナノ構造体は、おおよそ軸線２３０の方向に延びている。この文脈において、中程度の傾きとは、高さ軸線と軸線２３０との間の角度が、４５度未満であること、好ましくは、３０度未満であり得ること、さらにより好ましくは１０度未満であり得ることを意味する。

態様によると、複数の縦長ナノ構造体２２１は、カーボンナノ構造体を含み得る。例えば、縦長カーボンナノ構造体は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノシート、及び／又はカーボンナノワイヤのうちの何れを含んでいてもよい。縦長ナノ構造体２２１は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、及び／又はカーボンナノワイヤのうちの２つ以上の組み合わせを含んでいてもよい。例として、縦長カーボンナノ構造体は、カーボンナノファイバーに付着したカーボンナノチューブを含み得る。縦長カーボンナノ構造体は、グラフェンウォール又はカーボンナノシートであってもよい。

カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）は、直径１～１００ｎｍ、長さ０．１～１００μｍの縦長カーボンナノ構造体である。カーボンナノファイバーにおいて、得られる触媒構造体２００の機能を改善するために、ナノファイバーを成長させる条件を調節することによって、形状及び表面構造を調整することができる。例として、ナノファイバーの太さを調整することで、構造安定性が改善され得る。例えば単位表面積あたりのナノファイバーの密度又はナノファイバーの方向に関して、触媒構造体２００に特に適する構成に配置されたナノファイバーを成長させることも可能である。

利用可能な表面積又は単位表面積あたりの炭素原子の数を調整することも可能である。例として、カーボンナノファイバーは、部分的にアモルファスカーボンによって形成されてよく、その結果、単位表面積あたりの炭素原子の数が増加する。この結果として、触媒粒子２２２が付着することができる可能性のある部位の数が増加し得る。カーボンナノファイバーが波形表面構造を有する場合でも、同様の効果が実現され得る。ここで、波形表面構造とは、表面が、類似するサイズ又は異なるサイズの一連の溝部と峰部とを有することを意味するものと解釈される。

さらに、カーボンナノファイバーを成長させるプロセスは、カーボンナノファイバーの形成を促進する成長触媒を使用してもよい。成長触媒は、電解プロセスに含まれる化学反応を促進するために用いられる触媒粒子にも含まれる材料を含んでもよい。成長触媒として及び触媒粒子を形成する電解触媒として同じ材料が用いられ得る場合、電解槽の製造が、より簡便でより効率的となり得る。

他の態様によると、縦長ナノ構造体２２１は、銅、アルミニウム、銀、ガリウムヒ素、酸化亜鉛、リン酸インジウム、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム、インジウムガリウムヒ素、シリコン、又は他の材料を含み得る。

電解槽中の化学的環境は、高い電位に起因して特にアノード側において、腐食性であり得る。触媒構造体２００の劣化を防止するために、縦長ナノ構造体２２１は、周囲の化学的環境から遮蔽してもよい。例えば、縦長ナノ構造体２２１の少なくとも１つのセクションは、腐食に対する耐性を増加させるために配置される保護コーティングによって被覆されてもよい。例として、保護コーティングは、白金、イリジウム、チタン、ニオブ、及び窒化チタンの何れか、又はこれらの組み合わせを含んでよい。別の例として、保護コーティングは、酸化アルミニウム、酸化セリウム、及び酸化ジルコニウムなどのセラミック材料又は金属酸化物を含んでもよい。

態様によると、縦長ナノ構造体２２１の表面は、疎水性又は親水性の表面特性を実現するために、化学的に変えてもよい。これは、コーティング、エッチング、又は化学官能化などの多くの方法を介して実現され得る。

縦長ナノ構造体２２１のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的にイオン交換膜１３０の中に延びるように配置されていてよい。縦長ナノ構造体が少なくとも部分的にイオン交換膜中に延びているとは、ナノ構造体が、その長さの少なくとも５％分、膜の面を通過して延びていることを意味し得る。この結果、電極触媒が膜と、さらには電気化学反応の反応物と良好に接触する広い活性表面領域又は三相界面が得られる。この広い活性表面領域によって、必要な触媒充填量を低減することが可能であり得る。

少なくとも１つの電極触媒粒子２２２は、少なくとも１つの縦長ナノ構造体２２１の第一のセクションに固定されていてよい。縦長ナノ構造体２２１のこの第一のセクションは、続いて、電極触媒粒子２２２をイオン交換膜１３０と接触して配置するような位置とされてよい、又は図３に示されるように、この第一のセクションは、イオン交換膜１３０の中に延びていてよい。少なくとも１つの縦長ナノ構造体２２１の第一のセクションは、少なくとも１つの縦長ナノ構造体の、導電性要素１１３、１２３及び多孔質輸送層１１２、１２２とは反対側にある端部に位置してもよい。

態様によると、第一のセクションは、少なくとも１つの縦長ナノ構造体２２１の少なくとも９０％を構成し得る。他の態様によると、第一のセクションは、少なくとも１つの縦長ナノ構造体２２１の半分未満、又は縦長ナノ構造体の５０％～９０％を構成し得る。

電極触媒粒子２２２は、適切な堆積法を用いて、縦長ナノ構造体２２１に付着され得る。適切な堆積法の例としては、間接的若しくは直接的な物理化学的及び／又は物理的方法が挙げられ、電解めっき、無電解めっき、スパッタリング、スプレーコーティング、ディップコーティング、及び／又は溶媒キャスト法などである。

縦長ナノ構造体を製造する１つの方法は、化学蒸着法、ＣＶＤ、などの方法を用いて基材上に縦長ナノ構造体を成長させることである。ＣＶＤは、典型的には気体である前駆体を基材上に堆積させる製造方法である。基材上において、前駆体は反応を受け、製造材料を形成する。プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）などのいくつかの種類のＣＶＤは、縦方向に向いたナノ構造体を成長させるために、すなわち、ナノ構造体を成長させる基材の面からおおよそ垂直方向に延びるナノ構造体を成長させるために用いることができる。

態様によると、縦長ナノ構造体２２１は、導電性要素１１３、１２３又は多孔質輸送層１１２、１２２などの電解槽１００の構成要素を備えた基材上に成長されてよい。この結果、縦長ナノ構造体２２１が基材を形成する電解槽セルの構成要素に付着し、良好に電気的に接触している電極触媒構造体２００が得られる。例として、縦長ナノ構造体は、上述したように、縦方向に向くように基材上に成長され、続いて、縦長ナノ構造体が導電性要素又は拡散層からイオン交換膜に向かって延びるように、電解槽中に組み込まれてよい。

他の態様によると、縦長ナノ構造体２２１は、第一の基材上に成長され、導電性要素１１３、１２３又は多孔質輸送層１１２、１２２などの電解槽１００の構成要素を備えた第二の基材上に移されてもよい。すなわち、ナノ構造体は、それ自体では電解槽セルの一部とされず、成長基材としての役割しかない基材上に成長されてもよい。これにより、電解槽での使用にも適するという必要のない、ナノ構造体の成長に最適化された成長基材を使用することができる。逆に、第二の基材は、ナノ構造体の成長に適するという必要なしに、電解槽での使用に最適化され得る。

縦長ナノ構造体２２１を成長させる基材は、構造化面を備えてよく、縦長ナノ構造体２２１は、この構造化面上に成長されてよい。ここで、構造化面とは、平坦ではなく、例えば孔、峰部、又は***部を呈する面である。これは、表面粗さ、非平坦性、又はパターン化と表され得る。例えば、基材は、材料面と交わる細孔のために表面粗さを呈する多孔質材料であり得る。

起伏のある基材を用いることによって、複数の縦長ナノ構造体自体が類似の長さであっても、複数の縦長ナノ構造体２２１の先端は、例えば導電性要素１１３、１２３に対して異なる高さに到達させることができる。したがって、導電性要素１１３、１２３から、縦長ナノ構造体２２１の、導電性要素とは反対側にある端部までの距離が、複数の縦長ナノ構造体の間で異なってもよい。縦長ナノ構造体がイオン交換膜中に延びている場合、この距離がより大きい縦長ナノ構造体は、この距離がより小さい縦長ナノ構造体よりもイオン交換膜中にさらに延びることができ、それによって、すべての縦長ナノ構造体が、少なくとも部分的にイオン交換膜中に延びる。イオン交換膜１３０の面は、構造化面の輪郭に沿うように配置されてよい。

例として、カーボンナノファイバーなどのカーボンナノ構造体は、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）を用いて成長させてよい。カーボンナノ構造体をＰＥＣＶＤで成長させる場合、プロセスガスとして知られるメタン又はアセチレンなどの炭素含有ガスが、窒素又はアルゴンなどの不活性ガス及び水素又はアンモニアなどの還元性ガスと共に反応器に導入される。反応器中において、ガスは、例えば２つの電極間のＡＣ又はＤＣ放電を用いて、特定の温度でプラズマに変換される。プラズマ反応から、カーボンが基材上に堆積される。

カーボンナノファイバーを形成するために、成長触媒が、基材の面上に存在する必要になる可能性がある。一般的な成長触媒材料は、ニッケル、鉄、コバルト、及びパラジウムである。成長触媒は、均一層の形態で堆積されるか、又は成長触媒は、リソグラフィ技術を用いてパターン化されてもよい。成長触媒はまた、例えばスピンコーティングを介して、ナノ粒子の形態で堆積されてもよい。成長触媒が、堆積される際にまだナノ粒子の形態ではない場合、それは、ディウェッティング（ｄｅ－ｗｅｔｔｉｎｇ）として知られるプロセスを介して基材上でナノ粒子を形成し得る。ＣＶＤプロセスの過程で、カーボンは成長触媒粒子上に堆積され、表面にわたって拡散し、最終的に、ナノファイバー又はナノチューブなどのナノ構造体を形成する。ナノファイバー及びナノチューブの場合、成長触媒粒子のサイズ及び成長触媒と基材との間の相互作用などのパラメータに応じて、ナノファイバーは、基部成長又は先端成長の何れかを呈する。基部成長の過程では、ナノファイバー及び／又はナノチューブは、基材上に維持されている成長触媒粒子から上向きに成長する。先端成長の過程では、成長触媒粒子は、ナノファイバーの先端に維持され、ナノファイバーは、成長触媒粒子の下に成長する。

カーボンナノファイバーの成長にＰＥＣＶＤを用いることには、いくつかの利点がある。他の多くの種類のＣＶＤとは異なり、ＰＥＣＶＤは、およそ３５０℃という低い温度で実施することができ、これよりも高い温度に耐えることができない基材上でカーボンナノファイバーを成長させることが可能となる。ＰＥＣＶＤを用いることで、縦方向に整列され、基材からほとんど垂直に延びるカーボンナノファイバーを製造することができる。また、パターン化された触媒を用いることで、ナノファイバー間の間隔を制御することも可能である。したがって、明確な幅及び高さ、並びにファイバー間の所望される間隔を有するナノファイバーのアレイを成長させることが可能である。機械的特性及び電気抵抗などのＣＶＤで成長させたカーボンナノファイバーの他の特性は、正確な成長条件によって変化する。

態様によると、カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバーなどの複数のＣＶＤ成長カーボンナノ構造体の構造及び形態は、ナノ構造体の成長後に変化させることができる。これは、液体誘起緻密化（liquid induced densification）などの方法によって達成することができる。液体誘起緻密化の過程では、アセトン、脱イオン水、又はイソプロピルアルコールなどの液体をサンプル上に導入し、続いて蒸発させて、カーボンナノ構造体にバンドルを形成させ、バンドル間により広い空間を残す。所望に応じて、第二の複数のカーボンナノ構造体を、バンドル間の空間に成長させてもよい。

触媒構造体２００の縦長ナノ構造体２２１として、縦方向に整列されたＰＥＣＶＤ成長カーボンナノファイバーを用いることで、電極触媒粒子の位置をより良好に制御することができる。カーボンナノファイバーの先端が選択的に触媒粒子でコーティングされた場合、又はさらには、カーボンナノファイバーの成長に用いられた成長触媒が電解触媒としても有用である場合、カーボンナノファイバーの先端をイオン交換膜の面の位置とすること又はイオン交換膜中に埋め込んだ位置とすることで、触媒と膜との間の良好な接触が確保される。このことは、利用可能な触媒の効率的な使用に繋がって、使用する触媒充填量をより少なくすることが可能となる。

縦方向に整列されたカーボンナノファイバーから生成された触媒担持体で実現することができる規則的な構造体はまた、特に、水中の気泡が移動を妨げるという問題が起こり得るアノード側において、物質の移動も改善し得る。ナノファイバーの間隔もまた、製造の過程で精密に制御することができる。このことにより、そのような触媒担持体材料中におけるボイド率及びボイドサイズの両方を最適化することが可能となる。

カーボンナノファイバーなどのカーボン材料が触媒担持体として用いられる１つの理由は、それが過酷な条件下であっても化学的に安定であることである。ＰＥＣＶＤ成長カーボンナノファイバーは、電解槽セルのカソード側など、カーボンクロス又はカーボンブラックが現在用いられている条件下で、適切な化学的安定性を示すことが期待され得る。カーボンナノファイバーはまた、チタン、窒化チタン、イリジウム、ニオブ、又は白金などのさらにより化学的に安定である材料の層で、例えば原子層の堆積を介して、コーティングされてもよい。このことにより、化学的条件が触媒担持体及び多孔質輸送層に金属又は金属酸化物を用いることを一般的に必要とする、水電解槽セルのアノード側でも、カーボンナノファイバーベースの構造体を使用することが可能となる。

図６Ａ及び図６Ｂは、カーボンナノファイバー６１０の電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。図６Ａは、ナノファイバー全体を示し、一方図６Ｂは、イリジウムナノ粒子６２０が黒色の点として視認可能であるナノファイバーの部分を示す。

図４は、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜４３０を備えた電解槽４００を示す。各電極は、導電性要素４１３、４２３を備え、電極のうちの少なくとも１つは、触媒構造体２００を備える。触媒構造体は、導電性要素４１３、４２３を対応する複数の触媒粒子２２２と接続するように配置された複数の縦長ナノ構造体２２１を備え、各触媒粒子２２２は、それぞれの縦長ナノ構造体２２１の、導電性要素４１３、４２３とは反対側にある端部に局在している。

縦長ナノ構造体２２１が導電性要素４１３、４２３を触媒粒子２２２と有効に接続するためには、縦長ナノ構造体を導電性要素４１３、４２３から同じ方向に延びるようにすることが有利である。したがって、縦長ナノ構造体２２１は、図２に示されるように、それぞれの軸線２３０におおよそ沿って延びてよく、この場合、軸線は、互いに対して平行に向いており、この場合は導電性要素４１３、４２３である基材２１０に対して実質的に垂直に延びている。

電解槽を効率的に運転するためには、イオンが、化学反応が発生する触媒表面からイオン交換膜に入ることができなければならず、それには、触媒粒子がイオン交換膜４３０に近接していることが必要である。例えば、触媒粒子２２１は、イオン交換膜４３０から１マイクロメートル未満、又は代替的にイオン交換膜４３０から１０ｎｍ未満、好ましくはイオン交換膜から５ｎｍ未満の位置に配置してもよい。さらなる別の選択肢として、電極触媒粒子２２２は、イオン交換膜４３０と接触した位置とされてもよい。

なお他の態様によると、触媒粒子２２２は、単位体積あたりの触媒粒子数が、イオン交換膜から１マイクロメートル未満で最も多く、イオン交換膜からの距離が増加するに従って減少するように分布されてもよい。

イオン交換膜の面は、触媒粒子のサイズよりも大きいスケールで、細孔、溝部、峰部などの表面構造を呈し得ることには留意されたい。この場合、触媒粒子とイオン交換膜の面との間の距離は、何れかの方向においてイオン交換膜の面までの最短距離とする。

触媒構造体を通る水及び気体の流動を考えると、密な間隔とされた縦長ナノ構造体は、水の流動を妨げ得るが、イオン交換膜４３０の単位面積あたりの触媒粒子数の増加は、より多くの量の電解触媒を電解反応に利用可能にするために有益であり得ることには留意されたい。したがって、図２Ｂに模式的に示されるものなどの分岐状ナノ構造体を用いることが有利である。ナノ構造体の各分岐部は、イオン交換膜に近接した一方の端部に局在した触媒粒子を１つ有する。各ナノ構造体が複数の分岐部を有することから、これは、縦長ナノ構造体を互いにより密接に配置することなく、イオン交換膜４３０の単位面積あたりの触媒粒子数を増加させることができることを意味する。したがって、図２Ｂを参照すると、縦長ナノ構造体２２１の少なくとも１つは、トランク部２４１と少なくとも２つの分岐部２４２とを備えた分岐状ナノ構造体であってよく、この場合、電極触媒粒子２２２は、各分岐部２４２の端部に局在している。

触媒構造体２００はまた、触媒粒子及びイオン交換膜への、並びに触媒粒子及びイオン交換膜からの、水、並びに酸素ガス及び水素ガスの充分な流動を可能とする必要もある。水及び気体の流動を改善するために、縦長ナノ構造体に加えて他の構造体を用いることが有利であり得る。例として、触媒構造体２００は、多孔質カーボン材料を含んでいてもよい。多孔質カーボン材料は、例えば、カーボンマイクロファイバークロス又はカーボン紙とすることができる。この多孔質カーボン材料からイオン交換膜４３０に向かって縦長ナノ構造体２２１が延びている状態で、この多孔質カーボン材料が導電性要素４１３、４２３に隣接して配置されてもよい。多孔質カーボン材料は、既に述べた多孔質輸送層であってもよい。

図５Ａ及び図１及び図４を参照すると、電解槽１００、４００のための触媒構造体２００の製造方法も開示される。電解槽１００、４００は、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜１３０、４３０を備える。各電極は、導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３を備える。製造方法は、複数の縦長ナノ構造体２２１を生成すること、ＳＡ１、を含み、縦長ナノ構造体２２１は、第一又は第二の電極に備えられた導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３に接続される。製造方法はまた、複数の電極触媒粒子２２２を、各電極触媒粒子２２２がそれぞれの縦長ナノ構造体２２１の、第一又は第二の電極に備えられた導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３とは反対側にある端部に局在するように、複数の縦長ナノ構造体２２１に付着させること、ＳＡ２、も含む。

触媒粒子２２２を縦長ナノ構造体２２１に付着させること、ＳＡ２、は、スパッタリング、スプレーコーティング、ディップコーティング、原子層堆積、化学蒸着、又は他の方法などの方法を介して達成され得る。

縦長ナノ構造体２２１は、数ある方法の中でも、コロイダルリソグラフィ又はナノスフィアリソグラフィなどのリソグラフィ法、集束イオンビーム加工、及びレーザー加工などの方法によって生成され得る。カーボン又は有機化合物を含むナノファイバーの場合、炭化チタンなどの炭化物若しくはフェロセンなどの有機金属化合物のエレクトロスピニング又は塩素化などの方法も用いられ得る。

態様によると、複数の縦長ナノ構造体２２１を生成すること、ＳＡ１、は、基材上に縦長ナノ構造体２２１を成長させること、ＳＡ１１、を含んでもよい。基材は、第一又は第二の電極に備えられた導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３のうちの１つ、多孔質輸送層１１２、１２２、又は他の何らかの基材であってよい。

基材上に縦長ナノ構造体２２１を成長させること、ＳＡ１１、では、ナノ構造体の特性を広く目的に合わせることが可能である。例えば、成長条件が、各ナノ構造体の表面積を拡大するように選択されてよい。態様によると、縦長ナノ構造体は、プラズマ中で成長されてもよい。

基材は、シリコン、ガラス、ステンレス鋼、セラミック、炭化ケイ素、又は他の何れかの適切な基材材料などの材料を含んでよい。基材はまた、ポリイミドなどの高温重合体を含んでもよい。所望に応じて、基材は、導電性プレート１１３、１２３、４１３、４２３、多孔質輸送層１１２、１２２、又はイオン交換膜１３０、４３０などの電解槽１００、４００の構成要素であってもよい。

基材上に縦長ナノ構造体２２１を成長させること、ＳＡ１１、は、基材の面上に成長触媒層を堆積させること、及び成長触媒層上に縦長ナノ構造体２２１を成長させることを含んでもよい。

本明細書において、成長触媒は、触媒活性を有し、ナノ構造体の形成時に生じる化学反応を促進する物質である。

成長触媒は、ニッケル、鉄、白金、パラジウム、ケイ化ニッケル、コバルト、モリブデン、金、又はこれらの合金などの材料を含んでよい。例として、成長触媒層は、１～１００ｎｍの厚さであってもよい。別の例として、成長触媒層は、複数の成長触媒粒子を含んでもよい。

成長触媒層上に縦長ナノ構造体２２１を成長させること、ＳＡ１１、は、ナノ構造体を形成することができる温度まで成長触媒層を加熱すること、及び反応物を含む気体を、反応物が成長触媒層と接触するように供給すること、を含んでもよい。ここで、反応物は、ナノ構造体を形成するために用いられる化学元素を含む化学化合物又は化学化合物の混合物である。カーボンナノ構造体の場合、反応物は、メタン若しくはアセチレンなどの炭化水素を含んでよい、又は反応物は、一酸化炭素を含んでもよい。

態様によると、成長触媒材料及び成長プロセスのパラメータは、ナノ構造体のいわゆる先端成長（ｔｉｐ－ｇｒｏｗｔｈ）が実現されるように選択されてもよい。先端成長の過程では、ナノ構造体は、成長触媒のあるセクションの下に成長し、その結果、縦長ナノ構造体の先端に成長触媒の粒子が残された状態の縦長ナノ構造体が得られる。

触媒粒子２２２を縦長ナノ構造体２２１に付着させること、ＳＡ２、は、残された成長触媒粒子を用いて達成され得る。例として、残された成長触媒粒子中に存在する化学元素が、ガルバニック置換などの方法を介して他の化学元素で置換され得る。別の例として、残された成長触媒粒子が、電解槽１００、４００での使用に適する電解触媒材料で選択的にコーティングされ得る。

態様によると、成長触媒層を堆積することは、基材の面を成長触媒の粒子でスピンコーティングすることを含んでもよい。他の態様によると、成長触媒層を堆積させることは、均一な成長触媒層を堆積させること、及び堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入することを含む。堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入することは、パターンに従って成長触媒層の厚さを変化させること、又はいくつかの場所において成長触媒層を選択的に除去することを含み得る。成長触媒層上にパターンを導入することは、例えば、コロイダルリソグラフィ又はナノスフィアリソグラフィなどのリソグラフィ法によって達成され得る。成長触媒層のパターン化によって、基材上の単位表面積あたりのナノ構造体密度を制御することが可能となる。

基材上に縦長ナノ構造体２２１を成長させること、ＳＡ１１、はまた、基材の面上に導電性層を堆積させることも含んでもよい。次に、成長触媒層が、導電性層の上に堆積され得る。縦長ナノ構造体の成長後、縦長ナノ構造体の間又はその周囲に延びる導電性層の部分は、選択的に除去してもよい。この除去は、例えば、プラズマエッチング、熱分解エッチング（pyrolysis etching）、又は電気化学エッチングを例とするエッチングによって達成され得る。

導電性層は、基材を電気的にアースするものであり、これは、プラズマ中での成長などのある特定のナノ構造体成長法において１つの利点である。それはまた、成長触媒層と基材との間の原子の拡散も防止し得る。

態様によると、導電性層は、１～１００ミクロン（１～１００マイクロメートル）の厚さであり得る。

態様によると、基材、成長触媒層、及び導電性層に加えて、追加の層が存在してもよい。追加の層に含まれる材料は、成長後のナノ構造体の特性を調整するように、縦方向に向いた成長を促進するように、あるいは成長プロセスの結果を改善するように選択することができる。追加の層はまた、電解槽１００、４００の電極の一部を形成する導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３又は多孔質輸送層１１２、１２２を構成してもよい。

態様によると、導電性層及び成長触媒層を含む何れの層の堆積も、蒸着、めっき、スパッタリング、分子線工ピタキシー、パルスレーザー堆積、化学蒸着、スピンコーティング、スプレーコーティング、又は適切な他の方法などの方法によって実施され得る。

例として、触媒構造体２００を製造することは、基材の上面上に導電性層を堆積させること、導電性層上に成長触媒の層を堆積させること、成長触媒の層上に縦長ナノ構造体２２１を成長させること、及び縦長ナノ構造体の間及びその周囲の導電性層を選択的に除去すること、によって縦長ナノ構造体を生成すること、ＳＡ１、を含むことができる。それはまた、成長プロセス後に、触媒粒子２２２を縦長ナノ構造体に付着させること、ＳＡ２、も含み得る。

態様によると、縦長ナノ構造体は、導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３のうちの１つ、多孔質輸送層１１２、１２２、又はイオン交換膜１３０、４３０などの電解槽１００、４００の構成要素を備えた基材上で成長されてよい。他の態様によると、縦長ナノ構造体は、他の何らかの基材上に成長されて、その後、例えば導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３のうちの１つ、多孔質輸送層１１２、１２２、又はイオン交換膜１３０、４３０に移されてもよい。

図５Ｂは、電解槽１００、４００のための触媒構造体２００の製造方法を示す。電解槽１００、４００は、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜１３０、４３０を備える。各電極は、導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３を備える。方法は、面を有する基材を構成すること、ＳＢ０、を含む。基材は、第一又は第二の電極に備えられた導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３のうちの１つ、多孔質輸送層１１２、１２２、又は他の何らかの基材であってよい。方法はさらに、基材上での縦長ナノ構造体２２１の成長のための成長触媒を、電解槽１００、４００内の電解触媒としても成長触媒を使用できるように選択すること、ＳＢ１、及び選択された成長触媒を含む成長触媒層を基材の面上に堆積させること、ＳＢ２、を含む。さらに、方法は、成長触媒層上に縦長ナノ構造体２２１を成長させることによって、電解槽１００、４００での使用に適する電極触媒粒子２２２が各縦長ナノ構造体２２１の端部に局在している縦長ナノ構造体２２１を生成すること、ＳＢ３、を含む。

ナノ構造体の特性を目的に合わせることができることなどの基材上に縦長ナノ構造体を成長させることについて既に述べた利点に加えて、この方法は、電解触媒粒子２２２の場合と同じ材料を成長触媒に用いることによって、触媒構造体２００の製造を単純化するという利点を有する。したがって、触媒粒子を縦長ナノ構造体に付着させることは、別個の工程で行われない。

基材は、シリコン、ガラス、ステンレス鋼、セラミック、炭化ケイ素、又は他の何れかの適切な基材材料などの材料を含んでよい。基材はまた、ポリイミドなどの高温重合体を含んでもよい。

成長触媒は、ニッケル、鉄、白金、パラジウム、ケイ化ニッケル、コバルト、モリブデン、金、又はこれらの合金などの材料を含んでよい。例として、成長触媒層は、１～１００ｎｍの厚さであり得る。別の例として、成長触媒層は、複数の成長触媒粒子を含んでもよい。

電解槽１００、４００の電解触媒としての使用にも適する成長触媒を選択するために、電解プロセスに含まれる化学反応と成長プロセスとの両方の触媒として良好に作用できる材料を見出すことが好ましい。適切な材料の例は、白金、パラジウム、及びニッケルであり得、これらは、ナノ構造体成長のための成長触媒及び電解触媒の両方で用いられる。

成長触媒層上に縦長ナノ構造体２２１を成長させること、ＳＢ３１、は、ナノ構造体を形成することができる温度まで成長触媒層を加熱すること、及び反応物を含む気体を、反応物が成長触媒層と接触するように供給すること、を含み得る。ここで、反応物は、ナノ構造体を形成するために用いられる化学元素を含む化学化合物又は化学化合物の混合物である。カーボンナノ構造体の場合、反応物は、メタン若しくはアセチレンなどの炭化水素を含んでよい、又は反応物は、一酸化炭素を含んでもよい。

態様によると、縦長ナノ構造体は、プラズマ中で成長されてもよい。

態様によると、成長触媒材料及び成長プロセスのパラメータは、ナノ構造体のいわゆる先端成長が実現されるように選択され得る。先端成長の過程では、ナノ構造体は、成長触媒のあるセクションの下に成長し、その結果、成長触媒の粒子が縦長ナノ構造体の先端に残された縦長ナノ構造体が得られる。

例として、基材は、電解槽電極の導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３のうちの１つを備えるように構成されてよく（ＳＢ０）、成長触媒は、それを電解触媒としても使用できるように選択されてよい（ＳＢ１）。成長触媒層を堆積させること、ＳＢ２、の後、成長プロセスのパラメータが先端成長を実現するように調整された場合は、成長触媒層上に縦長ナノ構造体を成長させること、ＳＢ３１、の結果、導電性要素に付着した複数の縦長ナノ構造体が得られ、触媒粒子は、各縦長ナノ構造体の、導電性要素とは反対側にある端部に局在した状態となる。

成長触媒層を堆積させること、ＳＢ２、は、均一な成長触媒層を堆積させること、及び堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入すること、ＳＢ２２、を含み得る。既に述べたように、堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入することは、パターンに従って成長触媒層の厚さを変化させること、又はいくつかの場所において成長触媒層を選択的に除去することを含み得る。成長触媒層上にパターンを導入することは、例えば、コロイダルリソグラフィ又はナノスフィアリソグラフィなどのリソグラフィ法によって達成され得る。成長触媒層のパターン化によって、基材上の単位表面積あたりのナノ構造体密度を制御することが可能となる。

方法はまた、基材の面上に導電性層を堆積させること、ＳＢ２１、も含み得る。成長触媒層は、導電性層の上に堆積され得る。縦長ナノ構造体の成長後、縦長ナノ構造体の間又はその周囲に延びる導電性層の部分は、選択的に除去され得る。この除去は、例えば、プラズマエッチング、熱分解エッチング、又は電気化学エッチングを例とするエッチングによって達成され得る。態様によると、導電性層は、１～１００ミクロン（１～１００マイクロメートル）の厚さであり得る。

導電性層は、基材を電気的にアースするものであり、これは、プラズマ中での成長などの特定のナノ構造体成長法において１つの利点である。それはまた、成長触媒層と基材との間の原子の拡散も防止し得る。

態様によると、基材、成長触媒層、及び導電性層に加えて、追加の層が存在してもよい。追加の層に含まれる材料は、成長後のナノ構造体の特性を調整するように、縦方向に向いた成長を促進するように、あるいは成長プロセスの結果を改善するように選択され得る。追加の層はまた、電解槽１００、４００のための電極の一部を形成する導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３も含み得る。

態様によると、導電性層及び成長触媒層を含む何れの層の堆積も、蒸着、めっき、スパッタリング、分子線工ピタキシー、パルスレーザー堆積、化学蒸着、スピンコーティング、スプレーコーティング、又は適切な他の方法などの方法によって実施され得る。

態様によると、縦長ナノ構造体は、導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３のうちの１つ、多孔質輸送層１１２、１２２、又はイオン交換膜１３０、４３０などの電解槽１００の構成要素を備えた基材上で成長されてよい。他の態様によると、縦長ナノ構造体は、他の何らかの基材上に成長され、その後、例えば導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３のうちの１つ、多孔質輸送層１１２、１２２、又はイオン交換膜１３０、４３０に移されてもよい。

図５Ｃを参照すると、電解槽１００、４００の触媒構造体２００の製造方法も本明細書において開示される。電解槽１００、４００は、第一及び第二の電極、並びに第一及び第二の電極の間に配置されたイオン交換膜１３０、４３０を備える。各電極は、導電性要素１１３、１２３、４１３、４２３、及び触媒層１１１、１２１も備える。方法は、複数の縦長ナノ構造体２２１を生成すること、ＳＣ１、及び複数の縦長ナノ構造体２２１に複数の触媒粒子２２２を付着させること、ＳＣ２、を含む。方法はまた、複数の縦長ナノ構造体２２１を、イオン交換膜１３０、４３０に対する複数の電極触媒粒子２２２の位置を制御するように配置すること、ＳＣ３、も含む。

Claims (31)

1. 第一及び第二の電極、並びに前記第一及び前記第二の電極の間に配置されたイオン交換膜（１３０、４３０）を備えた電解槽（１００、４００）であって、各電極は、導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）、及び触媒層（１１１、１２１）を備え、少なくとも１つの触媒層は、触媒構造体（２００、２００）を備え、前記触媒構造体は、複数の縦長ナノ構造体（２２１）、及び前記複数の縦長ナノ構造体（２２１）に付着した複数の電極触媒粒子（２２２）を備え、前記複数の縦長ナノ構造体（２２１）は、前記イオン交換膜（１３０、４３０）に対する前記複数の電極触媒粒子（２２２）の位置を制御するように配置されている、電解槽（１００、４００）。
2. 前記縦長ナノ構造体（２２１）が、それぞれの軸線（２３０）におおよそ沿って延び、前記軸線は、互いに対して平行に向いており、前記導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）に対して垂直に延びている、請求項１に記載の電解槽（１００、４００）。
3. 前記縦長ナノ構造体（２２１）が、カーボンナノ構造体を含む、請求項１又は２に記載の電解槽（１００、４００）。
4. 前記縦長カーボンナノ構造体が、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、及び／又はカーボンナノワイヤのうちの何れかを含む、請求項１～３の何れか一項に記載の電解槽（１００、４００）。
5. 縦長ナノ構造体（２２１）の少なくとも１つのセクションが、腐食に対する耐性を増加させるために配置される保護コーティングによって被覆されている、請求項１～４の何れか一項に記載の電解槽（１００、４００）。
6. 前記保護コーティングが、白金、イリジウム、チタン、及び窒化チタンの何れか、又はこれらの組み合わせを含む、請求項５に記載の電解槽（１００、４００）。
7. 前記縦長ナノ構造体（２２１）が、第一の基材上に成長され、導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）又は多孔質輸送層（１１２、１２２）などの電解槽（１００、４００）の構成要素を備えた第二の基材上に移される、請求項１～６の何れか一項に記載の電解槽（１００、４００）。
8. 前記縦長ナノ構造体（２２１）が、導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）又は多孔質輸送層（１１２、１２２）などの電解槽（１００、４００）の構成要素を備えた基材上に成長される、請求項１～７の何れか一項に記載の電解槽。
9. 前記基材が、構造化面を備え、前記縦長ナノ構造体（２２１）が、前記構造化面上に成長される、請求項８に記載の電解槽（１００、４００）。
10. 前記イオン交換膜（１３０、４３０）の面が、前記構造化面の輪郭に沿うように配置されている、請求項９に記載の電解槽（１００、４００）。
11. 前記縦長ナノ構造体（２２１）のうちの少なくとも１つが、少なくとも部分的に前記イオン交換膜（１３０、４３０）中に延びるように配置されている、請求項１～１０の何れか一項に記載の電解槽（１００、４００）。
12. 少なくとも１つの電極触媒粒子（２２２）が、前記少なくとも１つの縦長ナノ構造体（２２１）の第一のセクションに固定され、前記少なくとも１つの縦長ナノ構造体（２２１）の少なくとも前記第一のセクションが、前記イオン交換膜（１３０、４３０）中に延びている、請求項１１に記載の電解槽（１００、４００）。
13. 前記少なくとも１つの縦長ナノ構造体（２２１）の前記第一のセクションが、前記少なくとも１つの縦長ナノ構造体の、前記導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）とは反対側にある端部に位置する、請求項１２に記載の電解槽（１００、４００）。
14. 前記第一のセクションが、前記少なくとも１つの縦長ナノ構造体（２２１）の９０％超を構成する、請求項１２又は１３に記載の電解槽（１００、４００）。
15. 前記第一のセクションが、前記少なくとも１つの縦長ナノ構造体（２２１）の半分未満を構成する、請求項１２又は１３に記載の電解槽（１００、４００）。
16. 前記電極触媒粒子（２２２）が、堆積法を用いて前記縦長ナノ構造体（２２１）に付着され、前記堆積法は、電解めっき、無電解めっき、スパッタリング、スプレーコーティング、ディップコーティング、及び／又は溶媒キャスト法などの間接的若しくは直接的な物理化学的及び／又は物理的方法である、請求項１～１５の何れか一項に記載の電解槽（１００、４００）。
17. 前記少なくとも１つの電極が、前記導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）と前記触媒層（１１１、１２１）との間に配置された多孔質輸送層（１１２、１２２）を備え、前記多孔質輸送層は、多孔質材料を含む、請求項１～１６の何れか一項に記載の電解槽（１００、４００）。
18. 前記複数の縦長ナノ構造体（２２１）が、前記導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）を前記複数の電極触媒粒子（２２２）と接続するように配置され、各電極触媒粒子（２２２）が、それぞれの縦長ナノ構造体（２２１）の、前記導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）とは反対側にある端部に局在している、請求項１～８の何れか一項に記載の電解槽（１００、４００）。
19. 前記電極触媒粒子（２２２）が、前記イオン交換膜（１３０、４３０）から１０ｎｍ未満、好ましくは前記イオン交換膜から５ｎｍ未満の位置とされる、請求項１８に記載の電解槽（１００、４００）。
20. 前記電極触媒粒子（２２２）が、前記イオン交換膜（１３０、４３０）と接触した位置とされる、請求項１９に記載の電解槽（１００、４００）。
21. 前記縦長ナノ構造体（２２１）の少なくとも１つが、トランク部（２４１）と少なくとも２つの分岐部（２４２）とを備えた分岐状ナノ構造体であり、電極触媒粒子（２２２）が、各分岐部（２４２）の端部に局在している、請求項１８～２０の何れか一項に記載の電解槽（１００、４００）。
22. 前記触媒構造体（２００）が、多孔質カーボン材料を含む、請求項１８～２１の何れか一項に記載の電解槽（１００、４００）。
23. 電解槽（１００、４００）のための触媒構造体（２００）の製造方法であって、前記電解槽（１００、４００）は、第一及び第二の電極、並びに前記第一及び前記第二の電極の間に配置されたイオン交換膜（１３０、４３０）を備え、各電極は、導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）を備え、前記製造方法は、
    複数の縦長ナノ構造体（２２１）を生成すること（ＳＡ１）であって、前記複数の縦長ナノ構造体（２２１）は、前記第一又は第二の電極に備えられた前記導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）に接続される、生成すること（ＳＡ１）、及び
    各電極触媒粒子（２２２）が、それぞれの縦長ナノ構造体（２２１）の、前記第一又は第二の電極に備えられた前記導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）とは反対側にある端部に局在するように、複数の電極触媒粒子（２２２）を前記複数の縦長ナノ構造体（２２１）に付着させること（ＳＡ２）、
    を含む、方法。
24. 前記複数の縦長ナノ構造体（２２１）を生成すること（ＳＡ１）が、前記第一又は第二の電極に備えられた前記導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）のうちの１つ、多孔質輸送層（１１２、１２２）、又は他の何らかの基材などの基材上に前記縦長ナノ構造体（２２１）を成長させること（ＳＡ１１）を含む、請求項２３に記載の方法。
25. 基材上に前記縦長ナノ構造体（２２１）を成長させること（ＳＡ１１）が、前記基材の面上に成長触媒層を堆積させること、及び前記成長触媒層上に前記縦長ナノ構造体（２２１）を成長させることを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 成長触媒層を堆積させることが、均一な成長触媒層を堆積させること、及び前記堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入することを含む、請求項２５に記載の方法。
27. 基材上に前記縦長ナノ構造体（２２１）を成長させること（ＳＡ１１）が、前記基材の面上に導電性層を堆積させることを含む、請求項２４～２６の何れか一項に記載の方法。
28. 電解槽（１００、４００）のための触媒構造体（２００）の製造方法であって、前記電解槽（１００、４００）は、第一及び第二の電極、並びに前記第一及び前記第二の電極の間に配置されたイオン交換膜（１３０、４３０）を備え、各電極は、導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）を備え、前記製造方法は、
    前記第一又は第二の電極に備えられた前記導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）のうちの１つ、多孔質輸送層（１１２、１２２）、又は他の何らかの基材などの、面を有する基材を構成すること（ＳＢ０）、
    前記基材上での縦長ナノ構造体（２２１）の成長のための成長触媒を、前記電解槽（１００、４００）中の電解触媒としても前記成長触媒を使用できるように選択すること（ＳＢ１）、
    前記選択された成長触媒を含む成長触媒層を、前記基材の前記面上に堆積させること（ＳＢ２）、及び
    前記成長触媒層上に縦長ナノ構造体（２２１）を成長させることによって、電解槽（１００、４００）での使用に適する電極触媒粒子（２２２）が各縦長ナノ構造体（２２１）の端部に局在している縦長ナノ構造体（２２１）を生成すること（ＳＢ３）、
    を含む、方法。
29. 成長触媒層を堆積させること（ＳＢ２）が、均一な成長触媒層を堆積させること、及び前記堆積された均一な成長触媒層上にパターンを導入すること（ＳＢ２２）を含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記基材の前記面上に成長触媒層を堆積させること（ＳＢ２）は、前記基材の前記面上に導電性層を堆積させること（ＳＢ２１）を含む、請求項２８又は２９に記載の方法。
31. 電解槽（１００、４００）のための触媒構造体（２００）の製造方法であって、前記電解槽（１００、４００）は、第一及び第二の電極、並びに前記第一及び前記第二の電極の間に配置されたイオン交換膜（１３０、４３０）を備え、各電極は、導電性要素（１１３、１２３、４１３、４２３）を備え、前記方法は、
    複数の縦長ナノ構造体（２２１）を生成すること（ＳＣ１）、
    前記複数の縦長ナノ構造体（２２１）に複数の電極触媒粒子（２２２）を付着させること（ＳＣ２）、及び
    前記複数の縦長ナノ構造体（２２１）を、前記イオン交換膜（１３０、４３０）に対する前記複数の電極触媒粒子（２２２）の位置を制御するように配置すること（ＳＣ３）、
    を含む、方法。

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