多段水熱炭素化・ヘテロ原子ドープ法によるバイオマス由来電極材料の創製
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22K14533
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 27020:Chemical reaction and process system engineering-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中安 祐太 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20827042)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
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| Keywords | 水熱炭化 / 電極触媒 / 燃料電池 / バイオマス / 未利用資源 / 水熱 |
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| Outline of Research at the Start |
通常，金属空気電池の正極には，Pt/Cなどの貴金属を用いた酸素発生/還元反応（OER/ORR）が最も効率的な電極触媒として用いられる。しかし，価格と資源制約上の問題から，高い活性と安定性を備えた低価格の代替材料を開発することが求められている。昨今，窒素, リン，鉄などのヘテロ原子がドープされたカーボン材料は，Ptに置き換わるOER/ORR電極触媒としての可能性が示された。本研究申請では，亜・超臨界水熱場を用いることにより，木質バイオマスの炭素化およびヘテロ原子をドープすることによりORR電極用の機能性バイオカーボンを創成するプロセスの提案を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、一段階目の水熱処理により鉄を含有する鉱山廃棄物の溶解を行い、二段階目の鉄イオン含有溶液を用いたもみ殻への水熱処理により、水熱炭化を行った。これにより鉄含有バイオマス前駆体を合成し、さらに窒素雰囲気下で窒素原料やテンプレート剤と混合して焼成することで、電極触媒の作製を行った。
結果として、TEMおよびSEM分析結果から、ヘテロ原子がうまくドープされた多孔質炭素材料が得られた。加えて、EDSマッピングにより、触媒スペクトル上のFe-NおよびFe-Oピークの存在によって確認された。C、Fe、NおよびSi元素が均質かつ均一に分布していることが確認された。さらぶ放射光測定により、Fe-N4部位やアモルファスSiO2ピークが形成されていることが明らかになった。
LSV測定の結果から、アルカリ性から酸性のすべての領域(0.1M KOH, 0.1M PB, 0.1M HClO4)において、それぞれ1.02V、0.96V、0.86Vのオンセットポテンシャルを示した。市販の40wt% Pt/Cがそれぞれ1.04V、0.99V、0.91Vを示したことから、Pt/Cに迫る値が得られたと。通常、酸性条件では高いORR活性や耐久性は発現しないが、本研究においては、もみ殻にもともと含有しているアモルファスシリカがFe-N4部位の安定性に寄与していることが示唆された。さらに、アルカリ性条件下での優れたORR性能に着目し、亜鉛空気電池を組み立てた。結果として、本触媒をカソードに用いた亜鉛空気電池は103mW/cm2の出力密度を達成し、40wt% Pt/Cセル（78mW/cm2）が達成した出力密度よりも50％近く高くなった。
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
