酸素欠損を利用した電気化学反応促進機構の研究

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 20H05180
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 電気化学触媒 / 酸素発生反応 / 四重ペロブスカイト型酸化物 / 非晶質層 / 過電圧 / グルコース燃料電池 / 触媒活性制御 / 酸素欠損 / 金属空気電池

Outline of Research at the Start

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。本研究では、酸素の電気化学反応を促進させる触媒材料の研究を行い、省エネルギー化および副反応と電極消耗の抑制を目指す。特に、酸化物触媒中における酸素欠損量と、酸素の電気化学反応に対する触媒活性の本質的な関係を明らかにし、酸素欠損量を能動的に制御することにより、触媒活性の大幅な向上を試みる。さらに開発した電気化学触媒を、金属空気電池などのエネルギー変換デバイスへと応用する。

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。
本年度は、電気化学析出法によって、コバルト酸化物触媒の前駆体を電極表面に直接形成する手法を開発し、基板表面にあらかじめVS2層を形成するか否かによって、最終的に得られるコバルト酸化物触媒の結晶性を制御できることを明らかにした。VS2層を形成しない場合、Ar雰囲気下における300℃、3時間の熱処理によって、結晶性のスピネル型酸化物Co3O4が得られるが、VS2層を形成した場合、これが還元剤となって、異なる酸化数を有する非晶質複合Co酸化物が形成された。この非晶質複合Co酸化物は、スピネル型酸化物Co3O4よりも安定で、結果として物質が本来有する酸素発生触媒活性の発現が長期間にわたって可能であった。以上より、結晶粒界の無い非晶質Co酸化物の優位性が示されたと同時に、スピネル型Co酸化物の溶解が、結晶粒界から進行することが示唆された。
上記の他にも、本研究から派生したグルコース燃料電池用Pt触媒の反応機構や、マグネシウム電池用正極活物質の電解液酸化分解反応に対する触媒活性制御に関する学術論文を発表した。さらに現在、酸性・中性水溶液中でも安定な四重ペロブスカイト型酸化物触媒に関する研究成果をまとめた論文を投稿中である。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [Journal Article] Electrochemical deposition of amorphous cobalt oxides for oxygen evolution catalysis (2022)
  • Author(s): Liu Wei、Kamiko Masao、Yamada Ikuya、Yagi Shunsuke
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 12 Issue: 14 Pages: 8731-8736
  • DOI: 10.1039/d2ra00492e
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Highly active postspinel-structured catalysts for oxygen evolution reaction (2022)
  • Author(s): Okazaki Yuichi、Oda Seiji、Takamatsu Akihiko、Kawaguchi Shogo、Tsukasaki Hirofumi、Mori Shigeo、Yagi Shunsuke、Ikeno Hidekazu、Yamada Ikuya
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 12 Issue: 9 Pages: 5094-5104
  • DOI: 10.1039/d2ra00448h
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Catalytic mechanism of spinel oxides for oxidative electrolyte decomposition in Mg rechargeable batteries (2021)
  • Author(s): Han Jonghyun、Yagi Shunsuke、Takeuchi Hirokazu、Nakayama Masanobu、Ichitsubo Tetsu
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 9 Issue: 46 Pages: 26401-26409
  • DOI: 10.1039/d1ta08115b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pt-Catalyzed D-Glucose Oxidation Reactions for Glucose Fuel Cells (2021)
  • Author(s): Huang Ji、Simons Philipp、Sunada Yusuke、Rupp Jennifer L. M.、Yagi Shunsuke
  • Journal Title: Journal of The Electrochemical Society Volume: 168 Issue: 6 Pages: 064511-064511
  • DOI: 10.1149/1945-7111/ac0949
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Metamagnetic Behavior in a Quadruple Perovskite Oxide (2021)
  • Author(s): Okazaki Yuichi、Kato Yuta、Kizawa Yuta、Oda Seiji、Uemura Kai、Nishio Takuya、Fujii Fuminari、Fujinari Shintaro、Kinoshita Masaya、Odake Takao、Togano Hayato、Kamegawa Takashi、Kawaguchi Shogo、Yamamoto Hajime、Ikeno Hidekazu、Yagi Shunsuke、Wada Kouhei、Ahn Kyo-Hoon、Hariki Atsushi、Yamada Ikuya
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 60 Issue: 10 Pages: 7023-7030
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c03432
  • NAID: 120007143210
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PtCo3 Nanoparticle-Encapsulated Carbon Nanotubes as Active Catalysts for Methanol Fuel Cell Anodes (2021)
  • Author(s): Z. Cai, M. Kamiko, I. Yamada, and S. Yagi
  • Journal Title: ACS Appl. Nano Mater. Volume: 4 Issue: 2 Pages: 1445-1454
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c02977
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Zinc Ions at Tetrahedral Sites in Spinel Oxides on Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction (2021)
  • Author(s): W. Liu, J. Han, I. Yamada, and S. Yagi
  • Journal Title: J. Catal. Volume: 394 Pages: 54-57
  • DOI: 10.1016/j.jcat.2020.12.014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 四重ペロブスカイト酸化物の酸素発生触媒特性 (2021)
  • Author(s): 山田幾也, 池野豪一, 八木俊介
  • Journal Title: 触媒 Volume: 62 Pages: 83-88
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study on the Mechanism of Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction and Its Applications (2020)
  • Author(s): 八木俊介
  • Journal Title: Materia Japan Volume: 59 Issue: 10 Pages: 521-526
  • DOI: 10.2320/materia.59.521
  • NAID: 130007920105
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • Year and Date: 2020-10-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Size and Crystallinity of CaCu₃Fe₄O₁₂ on Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction (2020)
  • Author(s): S. Yagi, K. Wada, J. Yuuki, W. Liu, and I. Yamada
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 61 Issue: 8 Pages: 1698-1702
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2020147
  • NAID: 130007879888
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2020-08-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electrode Modification Using Catalyst Powder (2020)
  • Author(s): 八木俊介
  • Journal Title: Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy Volume: 67 Issue: 6 Pages: 334-337
  • DOI: 10.2497/jjspm.67.334
  • NAID: 130007854919
  • ISSN: 0532-8799, 1880-9014
  • Year and Date: 2020-06-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] EQCM analysis of intercalation species into graphite positive electrodes for Al batteries (2020)
  • Author(s): Yamagata Shingo、Takahara Izumi、Wang Mengqiao、Mizoguchi Teruyasu、Yagi Shunsuke
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 846 Pages: 156469-156469
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.156469
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 触媒粉末を用いた電極表面修飾とエネルギー変換デバイスへの応用 (2022)
  • Author(s): 八木 俊介
  • Organizer: 表面技術協会 第145回講演大会
  • Invited
• [Presentation] マグネトプランバイト型Fe・Co複合酸化物の酸素発生触媒活性 (2022)
  • Author(s): 戸田 文人，山田 幾也，河口 彰吾，八木 俊介
  • Organizer: 第60回セラミックス基礎科学討論会
• [Presentation] High-throughput Syntheses and Electrochemical Characterizations of Complex Transition Metal Oxides (2021)
  • Author(s): Y. Okazaki, I. Yamada, and S. Yagi
  • Organizer: 14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Oxygen Evolution Reaction Catalysis of M-type Hexaferrites BaFe12–xCoxO19 (2021)
  • Author(s): F. Toda, I. Yamada, S. Kawaguchi, and S. Yagi
  • Organizer: 14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Research on the Origin of Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction (2021)
  • Author(s): S. Yagi
  • Organizer: International Workshop on Materials Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Surface Modification of Co3O4 by VS2 for Enhanced Oxygen Evolution Catalysis (2021)
  • Author(s): W. Liu, I. Yamada, and S. Yagi
  • Organizer: Interfinish2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高圧合成法を用いたBaFe12O19へのCoドープと酸素発生触媒活性 (2021)
  • Author(s): 戸田 文人，山田 幾也，河口 彰吾，八木 俊介
  • Organizer: 第62回高圧討論会
• [Presentation] Mg蓄電池用正極活物質の電解液酸化分解に対する触媒機構解明 (2021)
  • Author(s): 韓鍾賢, 八木俊介, 竹内寛和, 中山将伸, 市坪哲
  • Organizer: 第62回電池討論会
• [Presentation] Effects of Cation Defects in Cobalt Spinel Oxides for Oxygen Evolution Catalysis (2021)
  • Author(s): W. Liu, I. Yamada, and S. Yagi
  • Organizer: The 16th UT-SNU-TU Student Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Catalytic Mechanism of Oxidative Electrolyte Decomposition in Spinel Oxides for Mg Rechargeable Batteries (2021)
  • Author(s): J. Han, S. Yagi, H. Takeuchi, M. Nakayama, and T. Ichitsubo
  • Organizer: The 16th UT-SNU-TU Student Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 第一原理計算によるLaMn0.5Co0.5O3の酸素還元反応触媒活性の評価 (2021)
  • Author(s): 平岡 俊亮，大崎 慎也，山田 幾也，八木 俊介，池野豪一
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋季講演大会
• [Presentation] 酸素発生触媒ABO3におけるBサイト混合の影響 (2021)
  • Author(s): 大崎 慎也，山田 幾也，八木 俊介，池野 豪一
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋季講演大会
• [Presentation] 無限の可能性を秘めた蓄電池の研究 (2021)
  • Author(s): 八木 俊介
  • Organizer: 東京大学生産技術研究所 第2回生研サロン
• [Presentation] 酸素発生反応に対する触媒活性の起源に関する研究 (2021)
  • Author(s): 八木 俊介
  • Organizer: 電気化学会 電解科学技術委員会 第32回電解プロセス研究会
  • Invited
• [Presentation] In-situ electrochemical studies of the cobalt-based oxygen evolution catalysts (2021)
  • Author(s): S. Hirai, T. Ohno, T. Matsuda, and S.Yagi
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ZIF-derived Co9-xNixS8 nanoparticles immobilized on N-doped carbon as a catalyst for zinc-air batteries (2021)
  • Author(s): S.Yagi, Z. Cai, and I. Yamada
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 四重ペロブスカイト型酸化物CaCu3Fe4O12の酸素発生触媒活性 (2020)
  • Author(s): 八木俊介, 和田光平, 結城潤一, 劉偉, 池野豪一, 山田幾也
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第33回秋季シンポジウム
• [Presentation] エネルギー変換・貯蔵材料への応用を目指した金属および金属酸化物の液相合成プロセス設計 (2020)
  • Author(s): 八木俊介
  • Organizer: 日本金属学会 2020年秋期第167回講演大会
  • Invited
• [Book] 金属空気二次電池 -要素技術の開発動向と応用展望- 第4章 金属空気二次電池の材料・セル形状とスタックの構造(pp.181-190) (2021)
  • Author(s): 八木俊介
  • Total Pages: 200
  • Publisher: サイエンス&テクノロジー社
  • ISBN: 9784864282260
• [Remarks] ENERGY STORAGE MATERIALS ENGINEERING LAB
  • URL: https://www.yagi.iis.u-tokyo.ac.jp/