Multifunctional Durable Nanostructured Redox Electrocatalysts on Conducting Titanium Oxide Support

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18F18372
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 井上 博史 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00213174)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): NAIK KEERTI 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2018-11-09 – 2021-03-31
• Keywords: 酸素欠損酸化チタン / ナノシート / 水素化マグネシウム / 還元剤

Outline of Annual Research Achievements

(1) 酸素欠損酸化チタンTiOxの合成法の確立
市販のTiO2（ルチル構造）粉末と水素化マグネシウム粉末を質量比1:4で混合後、加圧成型してペレットにし、アルゴン気流中、400～500℃で2時間熱処理した。その後、酸洗浄、水洗浄した後、真空乾燥することにより黒色粉末を得た。X線回折（XRD）測定より、450℃と500℃での熱処理で得られた黒色粉末はTi2O3の結晶構造に一致することが分かった。これに対して、400℃での熱処理で得られた黒色粉末には原料のTiO2が多く残っていた。
(2) 高表面積をもつTiO2の合成
チタン酸テトラブチルとフッ酸を用いた水熱合成によりTiO2ナノシート（TiO2-NS）を合成し、TiO2-NSをNaBH4で還元することにより酸素欠損酸化チタンナノシート（TiOx-NS）を合成する方法を確立した。TiO2-NSとTiOx-NSの比表面積はそれぞれ109.3 m2g-1と109.0 m2g-1であり、市販のTiO2粉末の10倍以上の比表面積をもつことが明らかになった。
XRD測定より、TiO2-NSもTiOx-NSもアナタース構造をもつことが分かった。Raman分光分析より、TiOx-NSはTiO2-NSに似たRamanスペクトルを示したが、TiOx-NSの各ピークは高波数側にシフトし、Ti-O結合の振動に起因する100～200 cm-1のピークがブロードになった。このことはTiOx-NSが酸素欠損していることを示唆している。TiOx-NSのTi2p核準位スペクトルも酸素欠損を示唆していた。UV-Vis吸収スペクトルより、TiOx-NSはTiO2-NSよりバンドギャップが小さくなることが分かった。このことも酸素欠損に起因している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り、(1)酸素欠損酸化チタンTiOxの合成法の確立、(2) 高表面積をもつTiO2の合成ともに成功した。(1)においては、還元剤を用いるとより低温でTiOxが生成することを明らかにし、(2)においては、ナノシート状のTiOxの合成に成功した。

Strategy for Future Research Activity

今年度の結果を受けて、まず、以下の2点について重点的に検討する予定である。
(1) 酸素欠損酸化チタン上へのPtナノ粒子の担持法の確立
(2) Pt/TiOx触媒層および膜－電極接合体の作製法の確立および燃料電池特性の評価
以上の検討により、Pt/TiOx触媒が市販のPtナノ粒子担持カーボン触媒（Pt/C）の優位性について明らかにしたい。さらに、酸素欠損酸化チタンを担体として用いる電極触媒、例えば、酸素発生反応、水素発生反応、二酸化炭素還元などの電極触媒開発のための基礎データを収集する予定である。