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Design principle of metal oxides as electrocatalysts for alkaline water splitting based on machine learning and construction of durable water electrolyzer cell systems

Research Project

Project/Area Number 20K15087
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

Sugawara Yuuki  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (10814791)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2020: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Keywordsアルカリ水電解 / 電気化学触媒 / 機械学習 / 酸素発生反応 / 金属酸化物 / 構造因子 / 密度汎関数理論 / 設計指針 / MOF / Fe―O結合長 / 金属リン酸化物 / 水素発生反応
Outline of Research at the Start

地球環境問題・エネルギー問題の解決のため、化石燃料に依存せず太陽光・風力などの再生可能エネルギーを有効利用することが求められる。そこで、再生可能エネルギーから得られた電気により水を分解(水電解)してクリーンな燃料である水素を製造し、各消費地に運搬し高効率な水素燃料電池などで電気に戻して使用する「Power to Gas」のアプローチが提案されている。したがって、安価で高活性かつ高耐久な水電解用電極触媒の開発が求められている。本課題では、データの解析および予測を極めて迅速に実施可能な人工知能技術を活用することで、高活性電極触媒の効率的な設計開発を推進し、高性能水電解用セルシステムの構築を行う。

Outline of Final Research Achievements

A design guideline for highly active multimetal oxide catalysts AxByOz (A: typical metal, B: transition metal) for water electrolysis has been established through a machine learning analysis. Using this design guideline, we succeeded in developing a layered cobalt-manganese oxide/graphene hybrid catalyst with the highest catalytic activity for anodic oxygen evolution reaction in the water electrolysis among the previously reported transition metal-based binary oxides. Furthermore, we focused on the development of nanospinels AMn2O4 (A: inexpensive typical metal or transition metal) composed of manganese and reported highly active NiMn2O4 nanospinels.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果は、水電解用高性能電極触媒の開発および水電解による水素製造技術の高効率化に対して、結晶構造の観点から設計指針を提供することで当分野を大きく飛躍させると期待される。水電解反応に対する触媒作用と結晶構造の間に眠る法則を明らかにするという学術的な有用性に加えて、再生可能エネルギーと水からの水素製造のための水電解用触媒の開発は脱炭素ソリューションとしてのエネルギー変換技術の普及拡大に大きく貢献できる。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (22 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 5 results) Book (2 results) Remarks (5 results)

  • [Journal Article] Crystal Structures of Iron‐Based Oxides and Their Catalytic Efficiencies for the Oxygen Evolution Reaction: A Trend in Alkaline Media2022

    • Author(s)
      Sugawara Yuuki、Ueno Satomi、Kamata Keigo、Yamaguchi Takeo
    • Journal Title

      ChemElectroChem

      Volume: 9 Issue: 9

    • DOI

      10.1002/celc.202101679

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A cobalt-manganese layered oxide/graphene composite as an outstanding oxygen evolution reaction electrocatalyst2021

    • Author(s)
      Kobayashi Hiroaki、Sugawara Yuuki、Yamaguchi Takeo、Honma Itaru
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 57 Issue: 72 Pages: 9052-9055

    • DOI

      10.1039/d1cc03152j

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of Metal Coordination Fashion on Oxygen Electrocatalysis of Cobalt-Manganese Oxides2020

    • Author(s)
      Sugawara Yuuki、Kobayashi Hiroaki、Honma Itaru、Yamaguchi Takeo
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 5 Issue: 45 Pages: 29388-29397

    • DOI

      10.1021/acsomega.0c04254

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 水素製造用電極触媒の結晶構造からの設計戦略 - 実験、計算化学、データ科学の活用2023

    • Author(s)
      菅原勇貴
    • Organizer
      公益社団法人化学工学会エネルギー部会 第1回エネルギー部会シンポジウム
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      2022 Annual Research Report
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  • [Presentation] アルカリ水電解における鉄系MOF触媒の構造効果の解明2023

    • Author(s)
      孫福幹太, 菅原勇貴, 山口猛央
    • Organizer
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 実験・計算・データの協働による水電解用電極触媒開発および包括的結晶構造指標の提案2023

    • Author(s)
      菅原勇貴
    • Organizer
      第6回東工大応用化学系次世代を担う若手シンポジウム
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      2022 Annual Research Report
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  • [Presentation] Crystal Structure-Controlled Electrocatalysis on Iron-Based Oxides Toward Oxygen Evolution in Alkaline Media: Trend and Mechanism2022

    • Author(s)
      Yuuki Sugawara, Keigo Kamata, Satomi Ueno, Atsushi Ishikawa, Eri Hayashi, Mitsuru Itoh, Yosuke Hamasaki, Yoshitaka Tateyama, Takeo Yamaguchi.
    • Organizer
      The 242nd Electrochemical Society Meeting
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  • [Presentation] Development of Efficient Transition Metal Oxide-based Electrocatalysts toward Alkaline Water Electrolysis2022

    • Author(s)
      Yuuki Sugawara, Hiroaki Kobayashi, Itaru Honma, Takeo Yamaguchi.
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      Renewable Energy 2022 International Conference
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      孫福幹太, 菅原勇貴, 山口猛央
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      菅原勇貴
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      菅原勇貴
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      菅原勇貴
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      2021年度アライアンス合同ウェブ分科会
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      菅原勇貴、上野里美、鎌田慶吾、山口猛央
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Rational structure design of oxygen electrocatalysis on cobalt-manganese bimetallic oxides2021

    • Author(s)
      Hiroaki Kobayashi, Yuuki Sugawara, Itaru Honma, Takeo Yamaguchi
    • Organizer
      International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2021
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      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Book] 水電解技術の開発の基礎と応用 ― アニオン交換膜形水電解アノード反応に用いる高性能電極触媒の設計論2023

    • Author(s)
      菅原 勇貴、山口 猛央
    • Publisher
      (株)シーエムシー・リサーチ
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      2022 Annual Research Report
  • [Book] マテリアルズ・インフォマティクスのためのデータ構築技術と材料開発へのアプローチ ー モデル計算と第一原理計算を活用した燃料電池および水電解デバイスの触媒層・電解質膜の設計開発2021

    • Author(s)
      菅原勇貴、山口猛央
    • Total Pages
      14
    • Publisher
      株式会社技術情報協会
    • ISBN
      9784861048548
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      http://five-star.tagen.tohoku.ac.jp/uploads/pdf/20210910_031511_1631254511.pdf

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      http://www.res.titech.ac.jp/news/reserch/2021shien.html

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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