2017 Fiscal Year Research-status Report
電気化学的に積層化したナノ触媒担持グラフェンアノードを用いる高効率酸素発生反応
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16K05938
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
中山 雅晴 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (70274181)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 層状二酸化マンガン / OER / コバルト / 過電圧 / グラフェン / カーボンクロス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
再生可能エネルギー(太陽光，風力発電など)をエネルギー源とした水の電気分解は炭酸ガスの排出を伴わない理想的な水素製造プロセスである。しかし，アノードでの酸素発生反応(Oxygen Evolution Reaction, OER)の過電圧が大きく，エネルギーロスの主因となっている。効率良く水素に転換するには，現在最も活性が高いと言われている貴金属や貴金属酸化物(イリジウムやルテニウム酸化物)並みの過電圧でOERが進行する安価かつ堅牢な電極触媒の開発が必須である。
本申請課題は，層状二酸化マンガンのOER活性の向上を目ざす研究である。二酸化マンガンは4価のマンガンに由来する酸化触媒能を有するが，単体ではOER活性をほとんど示さない。平成29年度は層間にコバルトイオンをインターカレートした層状二酸化マンガンを薄膜として作製し，そのOER特性を調べた。さらに，カーボンクロスやグラフェンと複合化し，更なる性能向上を目ざした。生成した複合薄膜の構造はX線光電子分光法，X線回折法，TEM, SEMなど各種分光法を使って詳細に調べた。OERに対する触媒活性の評価はアルカリ水溶液中でのリニアスイープボルタンメトリーによる。すなわち，OER開始に要する過電圧，ターフェル勾配，OER電流密度を測定した。その結果，コバルトをインターカレートした層状二酸化マンガンはバルクのコバルト酸化物よりも高いOER活性を示した。さらに，カーボンクロスを電極基板として使用することで過電圧の低減と耐久性の著しい向上が認められた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初はグラフェンと層状二酸化マンガンの複合化とそのOER応用までしか計画していなかったが，H29年度はコバルトの導入まで実施した。コバルトイオンを層間にインターカレートしたシングルイオン触媒は，バルクのコバルト酸化物，すなわち結合しているコバルトよりも1原子あたりの活性が高いことを明らかにした。これらの結果はいずれも論文発表している。H29年度の後半から，グラフェン-コバルト-二酸化マンガンの合成に着手している。コバルトは層間に位置するものと，二酸化マンガンの骨格にドープされる場合とを作り分け，それぞれのOER特性を評価した。さらに，電気化学センサーへの展開を考えている。以上を鑑み，区分(1)にあてはまると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでのOER評価はすべてアルカリ条件下(KOH水溶液)で行ってきた。水電解がpH変化を伴って進行することを考えると，H30年度は異なるpHでのOERに関するデータを取得する必要がある。また，無尽蔵に存在する海水を水素源にするためには，海水，すなわち塩化物イオン共存下での選択的OERを実現することが環境保全の立場からも理想的だと言える。さらに我々独自の電気化学法が常温大気開放下で均一な薄膜を形成できるというメリットを活かし，様々な電極基板を適用することを考えている。電極基板としてはニッケルフォーム，銅フォームを考えている。このような卑な金属を使用するためには，二酸化マンガンをアノード法ではなく，カソード法で析出させる必要があり，析出法の検討も行う予定である。
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| Causes of Carryover |
H29年度に実施予定であった電気化学試験を後ろ倒し，それに係る消耗品(濾紙)をH30年度に購入する。
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