Electrochemical Synthesis of High-valence Transition Metal Oxides and Their Application as Catalysts

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K18973
• 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): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Keywords: 電気化学触媒 / 高原子価 / 酸素発生反応 / 酸素欠損

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、電気化学操作によって強い酸化雰囲気を作り出し、高原子価遷移金属イオンを生み出す手法の開発を目的としてスタートした。その結果、NiやCoなどの遷移金属を含有する酸化物を塩基性水溶液中でアノード分極させることにより、1.35 V vs. RHE近傍で酸化物中の遷移金属由来の酸化還元ピークが観察され、アノード分極によって高原子価遷移金属イオンを形成することが可能であることが明らかとなった。しかしながら、遷移金属の酸化ピークに対応する電気量は、酸化物を構成する遷移金属の量に比べて極めて小さかったため、本手法では遷移金属の一部しか酸化されないこともわかった。また、より低い電位で還元ピークも同時に観察されたため、この変化は化学的に可逆的であることもわかった。以上より、塩基性水溶液中においては、電気化学操作により高原子価遷移金属イオンを生み出すことは、限定的ではあるが可能であると結論できる。ただし、積極的に酸化状態を制御することは極めて難しい。
以上の検討を行っていく中で、構造内の酸素欠損が酸素発生反応に対する触媒活性に大きな影響を与えることを明らかにした。慶應大学の神原陽一准教授および北見工業大学の平井慈人助教と協力し、構造内における酸素欠損の影響を調べるための物質としてSr2VFeAsO3-dを選定し、酸素欠損の位置や欠損どうしの距離と酸素発生反応に対する触媒活性に大きな関連性があることを見出した。すなわち、酸素欠損の数が増え、欠損どうしの距離が近づくほど、酸素発生反応の過電圧は小さくなり、触媒としての性能が向上することを明らかにした。本成果について学会発表およびプレスリリースを行うとともに、英文原著論文としても発表を行った。さらに大阪府立大学の山田幾也准教授の協力のもと、酸化剤を用いた酸素欠損量の制御法の開発を行った。

Research Products

• [Journal Article] Systematic Study of Descriptors for Oxygen Evolution Reaction Catalysis in Perovskite Oxides (2018)
  • Author(s): I. Yamada, A. Takamatsu, K. Asai, T. Shirakawa, H. Ohzuku, A. Seno, T. Uchimura, H. Fujii, S. Kawaguchi, K. Wada, H. Ikeno, and S. Yagi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 122 Pages: 27885-27892
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b09287
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synergistically Enhanced Oxygen Evolution Reaction Catalysis for Multielement Transition-Metal Oxides (2018)
  • Author(s): I. Yamada, A. Takamatsu, K. Asai, H. Ohzuku, T. Shirakawa, T. Uchimura, S. Kawaguchi, H. Tsukasaki, S. Mori, K. Wada, H. Ikeno, and S. Yagi
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 1 Pages: 3711-3721
  • DOI: 10.1021/acsaem.8b00511
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxygen vacancy-originated highly active electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (2018)
  • Author(s): S. Hirai, K. Morita, K. Yasuoka, T. Shibuya, Y. Tojo, Y. Kamihara, A. Miura, H. Suzuki, T. Ohno, T. Matsuda, and S. Yagi
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 6 Pages: 15102-15109
  • DOI: 10.1039/C8TA04697B
  • Peer Reviewed
• [Presentation] OER Mechanism of Cobalt-based Layered Compounds (2018)
  • Author(s): S. Hirai, M. Furunaka, S. Yagi, T. Ohno, T. Matsuda
  • Organizer: Korea-Japan International Symposium on Materials Science and Technology 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unique Electronic Structure as a Key Factor for Highly Active Oxygen Evolution Catalysts (2018)
  • Author(s): S. Hirai, S. Yagi, W.-T. Chen, T. Ohno, H. Suzuki, T. Matsuda
  • Organizer: 69th Annual Meeting of ISE
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Introduction of Ruthenates as Promising Oxygen Evolution Catalysts (2018)
  • Author(s): S. Hirai, S.Yagi, T. Ohno, T. Matsuda
  • Organizer: APSMR, SPARCA 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 部分酸素欠損を含むペロブスカイト型鉄コバルト酸化物の酸素発生触媒特性 (2018)
  • Author(s): 小竹 恭央, 山田 幾也, 八木 俊介, 岡 研吾
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第31回秋季シンポジウム
• [Presentation] 高圧処理による酸素欠損ペロブスカイト型酸化物の酸素量制御と触媒特性 (2018)
  • Author(s): 小竹恭央, 山田幾也, 八木俊介, 岡研吾, 浅井海成
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Remarks] 【共同発表】鉄系超伝導体が拓く高性能な酸素発生触媒の世界
  • URL: https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/3039/
• [Remarks] 超伝導材料にも酸素発生触媒にもなりうるマルチな機能性材料を開発
  • URL: https://univ-journal.jp/24667/