2018 Fiscal Year Annual Research Report
白金族元素（燃料電池用）の資源循環・金属触媒調製のためのバイオメタラジーの創出
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18H03846
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
小西 康裕 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90167403)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野村 俊之 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00285305)
荻 崇 広島大学, 工学研究科, 准教授 (30508809)
荻野 博康 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80233443)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | バイオメタラジー / 白金族元素 / 燃料電池 / 電極触媒 / 資源循環 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）金属イオン還元細菌Shewanella algae (ATCC 51181株) を利用するPtナノ粒子の室温合成において、最適操作条件を確立した（原料溶液の初期Pt(IV)濃度 2.0 mol/m3、pH 7.0、電子供与体HCOONaの初期濃度 50 mol/m3、細胞濃度 5.0 × 1015 cells/m3）。60 minの回分操作において、Pt粒子の収率は80 %であり、その生成量は乾燥細胞 1 g あたり0.21 g-Ptであった。また、バイオ合成Pt粒子（１次粒子）は、平均径が3 nmのシングルナノサイズであり、細胞ペリプラズム（ナノ領域）に生成した。
（２）S. algae細胞に対する化学的処理（NaOH添加・加熱）および物理的処理（超音波照射）により、バイオ合成Ptナノ粒子を液相に単離できることがわかった。バイオ合成Ptナノ粒子は、液相で凝集することなく、安定に均一分散して存在することがわかった。これは、S. algae細菌の破砕によって、Ptナノ粒子の保護剤として作用する生体物質が液相に溶出し、ナノ粒子の凝集が抑制されたためと推測される。
（３）バイオ合成Ptナノ粒子の懸濁液にカーボン担体粒子を添加し、溶液pHを調整するだけの簡便な操作により、バイオ合成Ptナノ粒子をカーボン粒子表面に付着・担持できることを明らかにした。
（４）バイオ調製Pt触媒の酸素還元反応（ORR）活性を回転ディスク電極法によって評価した結果、そのORR質量活性は市販Pt電極触媒（燃料電池用）の60%に達することがわかった。
（５）食品分野の普及品であるパン酵母 Saccharomyces cerevisiaeを利用しても、金属イオン還元細菌の場合と同様に、Pd(II)イオンやAu(III)イオンを還元して貴金属ナノ粒子を細胞表面に室温合成できることを見出した。
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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
金属イオン還元細菌Shewanella algaeを用いてバイオ合成したPt粒子は、市販Pt電極触媒の場合と同程度のシングルナノサイズであることを高分解能電子顕微鏡による観察によって確認することができた。一方、バイオ合成Ptナノ粒子を担持したPt/C電極触媒に対して酸素還元反応（ORR）活性を回転ディスク電極法によって評価した結果、そのORR質量活性は市販Pt電極触媒（燃料電池用）の60%にまで達することが明らかになった。室温での微生物反応を活用してPt電極触媒を調製する革新的な本研究においては、研究開始から1年目の段階で目標値の60%もの触媒活性が達成できたことから、現在までの研究進捗状況は「おおむね順調」であるとポジティブに受け止めている。
バイオ調製Pt/C触媒のORR質量活性が市販触媒の60%に留まった要因としては、カーボン担体に担持する際にバイオ合成Ptナノ粒子の一部が凝集した点が考えられる。この点を改善するために、バイオ合成Ptナノ粒子とカーボン担体とのゼータ電位の測定・評価とともに、コロイド科学の学術的基盤を踏まえたアプローチを次年度に実施する。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）使用済み電極触媒からの白金族金属（PGMs）の溶解操作では、環境負荷の少ない溶解液（酸性溶液＋酸化剤など）を選定するとともに、PGMs溶解に最適な操作条件を探索する。
（２）PGMs電極触媒のバイオ調製に関しては、Pt単一金属触媒に加えて、二成分金属（Pt/Ru、Pt/Pd、Pd/Auなど）の合金触媒およびコアシェル触媒のバイオ合成にも着手し、電極触媒の金属組成の観点から触媒活性・耐久性の向上をめざす。また、金属イオン還元微生物としては、Shewanella algae（野生株）やSaccharomyces cerevisiae（野生株）に加えて、その類縁微生物等からPGMsナノ粒子の生産性に優れた高機能微生物を開発する。
（３）微生物細胞の物理的・化学的破壊によるPGMsナノ粒子の液相への剥離方法、またPGMsナノ粒子のカーボン担体への担持方法についてはコロイド科学の学術的基盤を踏まえて、各工程をブラッシュアップする。また、PGMsナノ粒子を担持した微生物細胞自体の導電性を高める方策として、微生物細胞の炭化処理方法（濃硫酸溶液による加熱処理など）を検討し、微生物の最適な炭化方法を確立する。
（４）バイオ調製PGMs電極触媒に対して電気化学的測定（回転ディスク電極法によるCV測定、酸素還元活性測定など）を行い、PGMs電極触媒のバイオ調製条件と触媒活性の関係を把握するとともに、その触媒活性を市販電極触媒と比較検討する。その評価結果を踏まえて、使用済み電極触媒からPGMs電極触媒の調製に至る一連の工程について実験結果を解析し、電極触媒の調製条件を総合的にブラシュアップすることによってバイオ調製触媒の活性と耐久性の向上を図る。
（５）研究成果の情報発信に関しては、上記の研究結果を取りまとめ、学会発表を行うとともに、研究論文を投稿する。
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