• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2018 Fiscal Year Annual Research Report

電極表界面の構造制御による燃料電池反応の高効率化

Research Project

Project/Area Number 18J11901
Research InstitutionChiba University

Principal Investigator

久米田 友明  千葉大学, 融合理工学府, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2018-04-25 – 2020-03-31
Keywords電極触媒 / 電気二重層 / 酸素還元反応 / 燃料電池
Outline of Annual Research Achievements

電気二重層構造の理解は、燃料電池やキャパシタなどさまざまな電気化学デバイスの開発において重要であると考えられている。本研究では主にアルキルアンモニウムなどの疎水性カチオンが燃料電池反応として重要な酸素還元反応(ORR)に与える影響を解明する。単結晶電極を用いた電気二重層構造の解析の他、実用的なナノ粒子触媒にも展開し、疎水性カチオンによるORR高活性化を目指す。
本年度は、疎水性カチオンを添加した過塩素酸溶液中におけるPt(111)単結晶電極のORR活性を評価し、カチオンのアルキル鎖長が与える影響を調べた。アルキル鎖長が長いほど活性向上に寄与し、テトラヘキシルアンモニウム(THA)を添加することで8倍の活性化を達成した。赤外分光法およびX線CTR散乱解析の結果、THAの疎水的な水和殻が水酸化物種の吸着を抑制していることが分かった。
また、アルカリ溶液中において電解質カチオンのORR活性への影響を調べた。Pt(111)および立方八面体型Ptナノ粒子において、ORR活性はテトラメチルアンモニウム(TMA) > カリウム > ナトリウム > リチウムの序列となり、水和エネルギーと逆相関にあることがわかった。X線CTR散乱解析では、カリウム中ではPtの表面酸化に伴い表面第1層のラフネスが増加するのに対し、TMA中ではラフネスは観測されず、原子レベルで平滑な表面が維持されることがわかった。
ナフィオン中のスルホン酸基はPt表面に特異吸着することで活性を低下させる。そこで、ナフィオン修飾したPt(111)表面において、疎水性カチオンがORR活性に与える影響を評価した。アルキル鎖が長いカチオンほど活性向上に寄与し、THAの添加により高活性化を達成した。 疎水性カチオンによりスルホン酸基の吸着が抑制されることが示唆された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画通り、Pt単結晶電極を用いた酸素還元活性評価、および赤外分光、X線回折による電気二重層の構造解析を実施している。酸素還元活性評価では、疎水性カチオンによる活性の向上、およびカチオンのアルキル鎖長との相関解明に至っている。赤外分光では、疎水性カチオンによる吸着アニオンおよび吸着水の構造変化を確認している。X線回折では、疎水性カチオンによるPt表面層の構造変化を確認している。さらに、実用的なPtナノ粒子にも展開し、疎水性カチオンによる活性向上を達成している。

Strategy for Future Research Activity

当初の計画通り、窒素ドープグラフェン電極に展開し、酸素還元活性の評価を実施する。化学気相成長によって金属単結晶表面に窒素ドープグラフェンを合成する手法を確立する。酸性溶液およびアルカリ溶液中において、電解質であるアニオンおよびカチオン種が活性に与える影響を解明する。

  • Research Products

    (7 results)

All 2018 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Effect of hydrophobic cations on the oxygen reduction reaction on single-crystal platinum electrodes2018

    • Author(s)
      Kumeda Tomoaki、Tajiri Hiroo、Sakata Osami、Hoshi Nagahiro、Nakamura Masashi
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 9 Pages: 4378

    • DOI

      10.1038/s41467-018-06917-4

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 疎水性カチオンのPt電極上の酸素還元反応への影響2018

    • Author(s)
      久米田 友明、中村 将志、星 永宏
    • Organizer
      第25回燃料電池シンポジウム
  • [Presentation] Interfacial Structure of Hydrophobic Cations Activating Oxygen Reduction Reaction on Pt(111) Electrode2018

    • Author(s)
      Kumeda Tomoaki、Hoshi Nagahiro、Nakamura Masashi
    • Organizer
      22nd Topical Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Hydrophobic Cations on the Oxygen Reduction Reaction on Pt Electrode2018

    • Author(s)
      Kumeda Tomoaki、Nakamura Masashi、Hoshi Nagahiro
    • Organizer
      The 8th International Fuel Cell Workshop 2018
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 疎水性カチオンによるPt電極上のORR高活性化と固液界面構造への影響2018

    • Author(s)
      久米田 友明、中村 将志、星 永宏
    • Organizer
      2018年電気化学秋季大会
  • [Presentation] 界面カチオンによるPt電極触媒の酸素還元活性および表面酸化への影響2018

    • Author(s)
      久米田 友明、中村 将志、星 永宏
    • Organizer
      第11回新電極触媒シンポジウム
  • [Remarks] 燃料電池反応を活性化する電極反応場を発見

    • URL

      http://www.f-eng.chiba-u.jp/topics/files/20181106.pdf

URL: 

Published: 2019-12-27  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi