Exploration of bifunctional catalysts for metal-air batteries via first-principles calculations

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02438
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: IKENO Hidekazu 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30584833)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 計算材料科学 / 第一原理計算 / 電気化学触媒 / 遷移金属酸化物

Outline of Final Research Achievements

The objective of this study was to clarify the correlation between atomic structure and catalytic properties for oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) in transition metal complex oxides through a combination of theoretical calculations and experiments. As a main result, it was found experimentally that composite oxides with post-spinel structure exhibit high OER catalytic properties. The reaction mechanism was investigated at the atomic level by first-principles calculations, and a new OER reaction cycle was proposed, which is different from that of conventional oxides. Furthermore, electronic structure calculations revealed that the OER/ORR activity is enhanced at some reaction sites when multiple elements are mixed at the cationic sites of transition metal composite oxides.

Free Research Field

材料科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究を通して、OER・ORR触媒の材料設計において原子配列を変化させることにより活性を向上させるというコンセプトが機能することを実証することができた。また、特定の結晶構造に対して、固溶体化して複数の元素を混合することでOER・ORR特性が向上する現象に対して、電子状態計算から定量的に評価することが可能であることを示した。本研究で用いた計算手法は電気化学触媒に留まらず、任意の触媒反応において汎用的に利用できるものであり、学術的応用が広がることが期待される。これらの計算手法を用いることで新規触媒材料設計に有用な知見が得られ、材料探索が加速し、革新的な触媒材料の開発に資すると考えられる。