2015 Fiscal Year Research-status Report
気相急冷プロセスによる複合ナノ粒子のフェーズ制御と機能創成
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15K06463
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
日原 岳彦 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60324480)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮崎 怜雄奈 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10756191)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノ粒子 / 気相合成 / 触媒 / 固体高分子形燃料電池 / ナノコンポジット磁石 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度は当初計画通り①合金ナノ粒子による新規燃料電池電極触媒の探索、及び、②軟／硬磁性複合ナノ粒子による交換結合型磁石について研究を実施した。
①の研究では、プラズマ・ガス凝縮法クラスター堆積装置を用いて、Ni-Pt合金ナノ粒子、及び、Ni-Zn-Pt合金ナノ粒子を作製した。STEMの元素マッピングにより、作製したNi-Zn-Pt合金ナノ粒子ではNiとPtが粒子の内側に多く分布し、粒子の外側にZnが多く分布していることが確認された。この結果はXRD測定結果とも対応している。さらに、Ni-Pt及びNi-Zn-Pt合金ナノ粒子はPt量の増加に伴い最大電力密度が大きくなることが確認された。最も高い触媒活性を示したPt単体の最大電力密度は54.8(mW/cm2)であった。また、Ni-Zn-Pt合金ナノ粒子はNi-Pt合金ナノ粒子と比較して、10at%Pt程度の低Pt組成側においても高い触媒活性を維持していることが確認された。
②の研究では、Fe-Ptナノコンポジット磁石の作製を最終目標として、軟磁性相と硬磁性相が共存する２相構造とL10構造のFePtの作製を目指した。FeとPtは合金を形成しやすいため２相構造が形成されにくい。この問題を解決するため、酸素を微量に添加しながら試料を作製した。TEM観察によると、２相が共存すると考えられる組織を有する粒子が観察された。続いて、生成した酸化物を還元するため還元雰囲気で熱処理を行った。XRD測定の結果より、L10構造のFePtが確認された。また、熱処理後の磁化曲線が大きな保磁力を示したことから、L10構造を有するFePtの規則相形成が確認できた。以上より、酸化鉄とFe-Ptの２相構造形成と熱処理によるFe-Ptの規則化に成功したが、磁気特性の測定結果より、ナノコンポジット磁石として機能させるためには、粒子サイズの制御を行うなどして、２相間の交換結合を十分作用させる必要があることが判明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
おおむね研究計画通り順調に進展している。理由は以下のとおりである。
①合金ナノ粒子による新規燃料電池電極触媒の探索では、Ni-V系など他の合金系のナノ粒子を作製、電極触媒に適用し、燃料電池の出力特性がPt を凌駕する物質探索を実施しながら、Ni-Zn-Pt合金の耐久性向上を目指し、粒子構造の詳細な研究をSTEMを用いて実施した。
②軟／硬磁性複合ナノ粒子による交換結合型磁石の研究では、Fe とPt のターゲットを用いて粒子を作製すると、一部の粒子がコアシェル型になることが判明していたが、気相合成法で酸素を微量に添加してナノ粒子を作製すると、Feが優先的に酸化されることから、鉄の酸化物とFeを固溶したPtの２相分離構造が実現でき、さらに水素雰囲気下で還元することでL10規則相の形成が確認された。また、ターゲット間距離を調整できる試料作製装置を用い、Co-Pt系で粒子の構造がターゲット間距離に応じてどのように変化するか観察しながら、SQUID 磁化測定装置を用いて磁化測定を実施した。
以上のように、研究目的周辺の基礎データの収集、解析を行い、問題の本質を考察してそれを解決するための課題設定を行いながら研究を遂行することが出来たことが判断理由である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28 年度は、以下に述べるように、①及び②の研究テーマをさらに発展させながら、電池材料分野の新機能探索として③の研究をスタートさせる。
①合金ナノ粒子による新規燃料電池電極触媒の探索：電極触媒では、触媒／燃料／電解質の３層が共存する界面で電極反応が進行する。つまり、３層界面の面積比を向上させる手法の導入が重要であると考えられる。さらに、触媒機能は粒子表面に存在すれば十分であり、コア・シェル型ナノ粒子のフェーズ制御でPtシェルが安定に形成される条件を実験から見いだすことを目的とする。具体的にはPtより高融点金属元素と同時スパッタすることにより、表面エネルギーの小さなPtがシェルを形成することを狙う。
②軟／硬磁性複合ナノ粒子による交換結合型磁石の研究：前年度の研究結果を顧みると、２相間のより強い交換結合を実現することが必要であり、そのためFePt規則相と軟磁性相のサイズ制御が肝要である。これはターゲット間距離を適切に設定し、粒子の成長と混合領域を制御することで実現できると予想している。今年度は、この基礎データーの収集と新たに基板加熱機構を構築し、L10-FePt規則相の規則度制御を行うための研究を実施する。
③リチウム電池用負極材料としての評価：SiやSn等のLi電池用高容量負極材料は、充放電に伴う大きな体積変化、あるいは活物質中でのLi拡散律速が実用化を阻害していると考えられている。今年度は、これらの高容量負極の問題点を明らかにし、材料･セル設計の指針を得ることを目的とする。具体的には、ナノ粒子堆積膜やスパッタ蒸着膜で膜厚の異なる薄膜を作製し、初回不可逆容量の膜厚依存性を求めることで、容量低下の原因が体積変化かLi拡散であるかを見極めながら、充放電過程の、固体電解質 / 活物質の界面組織を、ExsituでSEMあるいはSTEM観察を行い、活物質の連続的な膨張･収縮による組織変化と、充放電サイクル特性との相関を見出す。
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