2019 Fiscal Year Annual Research Report
電解製錬の高効率化・省電力化を目指した酸素発生電極材料の研究
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18H03835
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
八木 俊介 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (60452273)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 幾也 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30378880)
池野 豪一 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30584833)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電気化学触媒 / 酸化物 / 酸素発生反応 / 酸性水溶液 / 金属空気二次電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
亜鉛の電解製錬は，我が国で最も重要な製錬プロセスの一つである．その中核を成す電解工程では，陰極上に亜鉛が還元析出されると同時に陽極において水の酸化分解反応（酸素発生反応）が進行する．電解液には硫酸酸性水溶液が用いられており，多くの酸化物・金属は溶解するため，現在，陽極には銀を1wt%程度含有する鉛電極が用いられており，この電極は酸性水溶液中で比較的安定ではあるものの，酸素発生反応の過電圧は1 V程度とかなり高く，電気エネルギーの大幅な損失の原因となっている．
これまでの研究において，酸性～中性水溶液中では，多くの酸化物は不安定で溶解することを，実験により明らかにした．本年度は，その中でも特に高い安定性を示した貴金属酸化物，特にルテニウムを成分に含む酸化物に対象を絞り，酸性水溶液中における酸素発生触媒活性の評価を行ったところ，Ru-O間距離と触媒活性に相関があることが示唆された．現在さらに評価対象物質を増やしながら，より詳細な検討を進めている．また，本研究を進める中で，四重ペロブスカイト型酸化物CaCu3Ru4O12を常圧条件下で合成する方法を確立した．一方で，より多くの触媒材料が検討できる塩基性水溶液を用いて，4価の鉄イオンとコバルトイオンが共存する酸化物の触媒活性と安定性が向上するメカニズムを，第一原理計算と実験を組み合わせて明らかにした．
また一連の検討を進める中で，酸素発生反応と酸素還元反応の両方に高い活性を有する硫化物系触媒材料を発見し，金属空気電池などのデバイスの試作と応用，また本成果について論文発表を行った．
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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
上記成果に関して，昨年度3本，本年度3本の英文原著論文を発表している．また現在，4本の論文が印刷中であり，一部プレスリリースも行っている．
また一連の検討の中で，酸素発生反応と酸素還元反応の両方に高い活性を有する触媒材料も得られたため，派生研究として，金属空気二次電池への応用を行っている．さらに，酸素発生触媒活性と水素発生触媒活性との関連性の検討も進めている．これらは当初の計画の中に無かった内容であり，当初の計画以上に研究が進展していることを示している．
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は本研究計画の最終年度である．多くの酸化物が不安定で溶解する酸性～中性領域で使用可能な，ルテニウムを含有する貴金属酸化物触媒の研究開発を引き続き精力的に進めていく．酸性～中性領域における酸素発生触媒活性発現のメカニズムの検討を合わせて行う．また，派生研究として，金属空気二次電池などのデバイスの試作と応用も行うとともに，水素発生触媒などの他の電気化学触媒への応用もできる限り検討していきたい．得られた成果はこれまで通り，学術論文としてあるいは学会などで積極的に発表していく予定である．
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