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Elucidation of the Mechanism of Activity Expression on Electrochemical Catalysts with Amorphous Surfaces

Research Project

Project/Area Number 23K17812
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

八木 俊介  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (60452273)

Project Period (FY) 2023-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords電気化学触媒 / 非晶質 / 酸素発生反応 / 四重ペロブスカイト型酸化物
Outline of Research at the Start

酸素発生反応は水の電気分解や工業用電解、金属空気二次電池などに利用される重要な電気化学反応であり、安価で資源的に制約の少ない元素からなる触媒の研究開発が精力的に行われている。しかし、水溶液中などの触媒使用条件下では、触媒表面に非晶質層が形成されるにもかかわらず、現在世界中で行われている研究の多くが、非晶質層についての詳細な考察なしに、もともとの結晶構造や電子状態と触媒活性の関係を議論している。そこで本研究では、触媒表面に形成される非晶質層が酸素発生反応に対する活性に与える影響の解明に取り組み、非晶質層の形成と電気化学触媒の活性との本質的な関係を議論する新たな研究領域の開拓を推し進める。

Outline of Annual Research Achievements

酸素の電気化学反応は水の電気分解、電解採取プロセスのアノード反応、金属空気電池などに関わる非常に重要な反応である。酸素の電気化学反応を現実的な速度で進行させるためには、熱力学的に必要と算出される電圧の印加だけでは足りず、活性化エネルギーに相当する余分な電圧(過電圧)の印加が必要となり、これが副反応の進行や莫大なエネルギー損失、電極の消耗などの重大な問題の原因となっている。この問題を解決するためには、安価で高活性かつ安定な電気化学触媒の開発が必要であり、世界中で様々な触媒が提案されている。
研究代表者らのこれまでの研究により、強塩基性水溶液中では、触媒表面に非晶質層が形成され、この非晶質層の形成により、本来物質が有する触媒活性が変化することがわかった。また、非晶質層が薄いほど、もともとの活性を維持する傾向があった。いくつかの構造を検討した結果、四重ペロブスカイト型酸化物は同種イオンを含有する単純ペロブスカイト型酸化物よりも高い安定性と活性を示したが、四重ペロブスカイト型酸化物の多くは高圧下で合成されるため、産業的応用が困難といった問題がある。これに対し本研究では、常圧下で合成できるRu含有四重ペロブスカイト型酸化物をベースに、複数種の金属元素を置換することで、常圧下で合成できる高活性かつ安定な触媒材料の探索を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り、触媒活性を非晶質層の形成と関連させて評価することができており、順調に研究が進展していると考えられる。また、常圧下で合成可能な四重ペロブスカイト型酸化物の組成探査も同時に進めることができている。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究により、形成される非晶質層が薄いほど、もともとの活性が維持される傾向があることを明らかにした。一方で、非晶質層の形成によって、触媒活性が向上する場合もあり、今後はこの変化がどのようにもたらされるのかについて検討を進める。また、四重ペロブスカイト型酸化物を中心に、非晶質層が形成されにくい物質の探査とその条件についても引き続き検討を進めていく予定である。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2024 2023

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Synthesis conditions affecting electrochemical and chemical stabilities of Ga‐doped Li<sub>7</sub>La<sub>3</sub>Zr<sub>2</sub>O<sub>12</sub> solid electrolyte2024

    • Author(s)
      DingYuan Huang, Masao Kamiko, Shunsuke Yagi
    • Journal Title

      EcoEnergy

      Volume: 2 Issue: 1 Pages: 141-153

    • DOI

      10.1002/ece2.24

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Thermochromism and thermal crystal structure evolution of YIn<sub>0.9</sub>Mn<sub>0.1</sub>O<sub>3</sub>2024

    • Author(s)
      Masaya Oshita, Hidenobu Murata, Isaac Oda-Bayliss, Wencong Wang, Shunsuke Yagi, Kenta Kimura
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 63 Issue: 1 Pages: 012007-012007

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad17e0

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synergistic Effect between Fe<sup>4+</sup> and Co<sup>4+</sup> on Oxygen Evolution Reaction Catalysis for CaFe<sub>1−</sub><i><sub>x</sub></i>Co<i><sub>x</sub></i>O<sub>3</sub>2023

    • Author(s)
      Yamada Ikuya、Tanaka Atsushi、Oda Seiji、Okazaki Yuichi、Toda Fumito、Kato Yuta、Kizawa Yuta、Oshita Masaya、Goto Manami、Morimura Amane、Ochi Asuka、Toda Kaoru、Wang Wencong、Yamamoto Hajime、Ikeno Hidekazu、Yagi Shunsuke
    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 64 Issue: 9 Pages: 2097-2104

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MG2022021

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • Year and Date
      2023-09-01
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Origin of Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction2024

    • Author(s)
      S. Yagi
    • Organizer
      Reactive Metal Workshop 17
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Vanadium Doping on α-KxMnO2 Positive Electrode Active Materials for Rechargeable Magnesium Batteries2024

    • Author(s)
      I. Oda-Bayliss and S. Yagi
    • Organizer
      Reactive Metal Workshop 17
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The Catalytic Activity of Transition Metal Doped α-MnO2 for Oxygen Evolution Reaction2024

    • Author(s)
      K. Shimada and S. Yagi
    • Organizer
      Reactive Metal Workshop 17
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 酸素発生電極の高活性化と産業応用のための課題2024

    • Author(s)
      八木 俊介
    • Organizer
      資源・素材学会 2024年度 春季大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] ペロブスカイト RIn<sub>1-x</sub>Mn<sub>x</sub>O<sub>3</sub> のサーモクロミズムと結晶構造の相関2024

    • Author(s)
      大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第62回セラミックス基礎科学討論会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Exploring Key Factors for Oxygen Evolution Reaction on La2-XSrxNiO4+Δ by Oxygen Defect Engineering2023

    • Author(s)
      S. Kobata, Y. Kimura, K. Amezawa, M. Oishi, F. Fujishiro, I. Takahashi, S. Yagi, and T. Nakamura
    • Organizer
      244th ECS Meeting
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Origin of Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction2023

    • Author(s)
      S. Yagi
    • Organizer
      Energy Material Seminar
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 酸素発生触媒活性の記述子に関する研究2023

    • Author(s)
      八木 俊介
    • Organizer
      電気化学会 第161回燃料電池研究会セミナー
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] ペロブスカイト RIn<sub>1-x</sub>Mn<sub>x</sub>O<sub>3</sub> のサーモクロミック特性2023

    • Author(s)
      大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
    • Organizer
      第64回高圧討論会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 高圧相 RIn<sub>1-x</sub>Mn<sub>x</sub>O<sub>3</sub> のサーモクロミック特性2023

    • Author(s)
      大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 高圧相RIn<sub>1-x</sub>Mn<sub>x</sub>O<sub>3</sub> (R = Y, Eu) の結晶構造とサーモクロミズム2023

    • Author(s)
      大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
    • Organizer
      第17回 日本セラミックス協会 関西支部 学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report

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Published: 2023-07-04   Modified: 2024-12-25  

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