2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of ion conducting membrane and electrocatalyst based on hydroxide nanosheets for efficient enery conversion
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18H03869
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
馬 仁志 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, グループリーダー (90391218)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂井 伸行 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (70431822)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 水酸化物 / ナノシート / イオン伝導 / 電極触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
独自に開発したトポケミカル手法を駆使し、層状複水酸化物（LDH）の金属組成および電荷密度を精密制御できるプロセスを開発した。Co5/6-Fe1/6やCo2/3-Ni1/6-Fe1/6など金属組成をチューニングしながら２層単元構造を有する板状結晶を合成した。続いて剥離させることによって、単層ナノシートと同じ電荷密度（1/3+）を持つが、平均厚さが約1.9 nmの２層（double-layer）ナノシートの作製に初めて成功した。単層に比べ、２層ナノシートが酸素発生反応（OER）触媒として、より優れた活性と高い反応速度を示すことを明らかにした。これにより、ナノシートの層数に依存する物理・化学特性を系統的に考察するための理想的なモデルを提供できるようになった。
さらに、６配位（Oh）と４配位（Td）共存するNi-Fe LDHナノシートを用い、静電的自己組織化過程により多種な酸化物ナノシート（RuO2.1、MnO2、還元型酸化グラフェン（rGO）等）とのヘテロ積層膜を形成した。その中で、表面にレドックス活性なLDHナノシートと下地に高導電性RuO2.1ナノシートをそれぞれ配置した２層膜が最も高いOER触媒活性を示す結果を得た。第一原理計算（DFT）とCOMSOL Multiphysicsシミュレーションを行い、表面触媒反応の電子が下地の導電性ナノシートへの効率的移動ができるヘテロ界面カプリング効果により、触媒能の向上に大きく寄与するメカニズムを解明した。
また、ナノシートから再構築した積層膜のイオン選択性はその表面電荷特性、寸法と形状に大きく影響されることを確認した。Mg-Al LDHナノシートの積層膜を長方形や三角形にカットして、イオン伝導・分離特性を評価したところ、幾何学的な制約と外部バイアス電圧を印加することにより、イオン整流効果（ダイオード特性）が得られることを実証した。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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