2021 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of bifunctional catalysts for metal-air batteries via first-principles calculations
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19H02438
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 幾也 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30378880)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 計算材料科学 / 電気化学触媒 / エネルギー材料 / 第一原理計算 / 超高圧合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、異常高原子価を含む遷移金属複合酸化物を対象として、第一原理計算と実験を密接に連携させることで、金属・空気二次電池の実用化に向けた新たな酸素発生反応(OER)・酸素還元反応(ORR)二機能性触媒の材料設計指針を提案することを目的としている。
これまでにポストスピネル型構造をとるCaFe2O4が実験的に高いOER触媒活性を示すことを実験的に見出している。CaFe2O4はFeO6八面体が辺共有した3次元構造をとる物質である。2021年度においては、CaFe2O4における様々なOER反応機構を考え、第一原理計算から理論過電圧を求めた。その結果、表面に表れる不飽和FeO6八面体のFeサイト単独で吸着と反応が進むのではなく、辺共有した隣接FeO6八面体の酸素原子と吸着分子に含まれる酸素原子が結びつくことでO2分子が生成する機構の方が、OER過電圧が低下することを見出した。このことから、吸着子との付加的な化学結合の形成が可能となる吸着サイト周辺の幾何学的配置がOER活性を高める要因の一つとなっていることが示され、原子構造に基づいた触媒設計指針を与える新な知見が得られた。
単純ペロブスカイト酸化物において、Bサイトに複数のイオンを混合することで、OER・ORR活性が大幅に向上すること(シナジー効果)が報告されている。2021年度においては、LaCo0.5Mn0.5O3 を対象として固溶体の表面スラブモデルを作成し、サイト毎のORR理論過電圧を算出した。その結果、Bサイトに複数のイオンを混合することで、イオン周辺の局所原子配列・電子状態にバリエーションが生じ、複数のサイトにおいて理論過電圧が低下することを見出した。また、この理論過電圧の低下は、Bサイト混合によりOOH中間体の安定性が変化することに起因していることを明らかにした。
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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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