2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of Organic-Inorganic Conversion Technic using Nonequilibrium Process induced by Radiation Irradiation
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17K05135
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
杉本 雅樹 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子ビーム科学研究部門, 上席研究員(定常) (90354943)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 春也 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員(定常) (70354941)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 炭素触媒 / 有機無機転換 / 電子線照射 / 非平衡反応 / 白金代替触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
白金代替触媒材料として期待されている炭素触媒材料は、前駆体高分子材料を有機-無機転換して合成されるが、その触媒性能に影響を及ぼす炭素骨格の微細構造や窒素含有率は焼成温度に依存しているため独立に制御できない。そこで、電離放射線により誘起される非平衡反応場をさまざまな温度と雰囲気下で実現する温度雰囲気同時制御電子線照射装置を開発し、炭素骨格の微細構造を保持したままその窒素含有率を制御する作製技術を創出する。
平成29年度においては、アンモニアを雰囲気で照射可能な気密構造、照射下で800℃まで昇温できる耐熱構造、電子線の吸収エネルギーによる試料温度の変動を抑制できる温度制御機能の実現を目指し、装置開発を実施した。これまで実績のある、電子線照射装置をベースに、照射ウィンドウの二層化による断熱性の向上、試料毎に独立したヒーターを配置した試料ステージ、熱電対を試料直近に配置し、照射による熱電対のフィードバックを迅速化した制御系の開発を行い、アンモニア流通下において、800℃の一定温度で試料を照射することが可能となった。
開発した装置を用い、グラファイト化に必要な塩化コバルト(II) (CoCl2) を5 mass%混合したフェノール樹脂に対し、100 vol% NH3雰囲気、600～800°Cで加熱しながら、2 MeV電子線を35 MGy照射し炭素系触媒材料を作製した。
残留コバルト種を塩酸で溶出させた後、XRD測定を実施した結果、800°Cで照射した試料の炭素002回折線が最も鋭く、700℃、600℃照射試料の順にブロードになった。また、N1sの XPSスペクトルから、窒素添加量、化学状態はどの試料もほぼ同じであったが、回転電極法によって触媒性能を評価したところ、800°C照射試料の活性が最も高くなることが明らかとなった。
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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
800℃照射を実現するために課題として想定していた断熱構造とヒーター及び試料ステージの設計が順調に進んだことから、年度後半からは調整運転を実施しながら、試料の作製を行うことが可能となり、H30年度に予定していた分析などを前倒しして開始することが出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
窒素添加量とORR電流との間に相関があることも見出されたため、添加窒素の化学状態制御、ORR活性点の同定に不可欠な照射技術の開発を進め、一層の性能向上を目指している。興味深いことに、炭素化に伴う結晶構造の形成にはアンモニアラジカル（NH2やNHなど）の寄与が示唆されており、放射線分解反応を利用した新規作製法の特長を明確にするための実験を検討している。
なお、到達温度を優先した設計から同時に照射可能な試料が 2x2cm x3箇所に制限されている。また、現状最も高い活性を示した温度が装置の運転上限である800℃であり、最適な温度の確認のためにも、より高い温度で照射可能な試料ステージへの改造を検討している。
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| Causes of Carryover |
最も高い触媒活性を示した試料の照射温度が、装置の運転上限である800℃であり、最適な温度の確認のためにさらに高い温度で照射可能な試料ステージが必要となった。こうした結果より、その時点での残予算を繰り越し、翌年度の予算と合わせてより高温度で照射可能な試料ステージへ改造することで、温度依存性の評価をさらに進めることとした。
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Research Products
(1 results)
