2019 Fiscal Year Annual Research Report
Tailoring of highly active amorphous oxide electrodes derived from anodizing of iron-base alloys
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19H02469
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
幅崎 浩樹 北海道大学, 工学研究院, 教授 (50208568)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | アノード酸化 / 酸素発生反応 / 電極触媒 / 多孔質膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属のアノード酸化は，簡便かつ大面積に自己規則化ナノ構造酸化物膜を形成できる他の手法ではほぼ得られない優れた電気化学プロセスである。本研究では，このアノード酸化プロセスを高表面積でアルカリ水電解による高活性な酸化物やオキシ水酸化物触媒を集電体ともなりうる金属・合金上に直接創製することを目的としている。申請者らは世界最高水準の活性を誇る鉄ドープコバルトオキシ水酸化物触媒をすでに得ているので，このような鉄ドープ酸化物をアノード酸化法で高表面積薄膜として得ることを試みた。
本年度は，めっきしやすいNiをベースとした組成の異なるNi-Fe合金の電析を行い，これをさらにアノード酸化することで，多孔質アノード酸化皮膜を得た。合金はすべてfcc単相であり，電析浴中の鉄添加量に比例して合金中のFe含有量も雑談することが確認された。電解液にはフッ化物含有有機電解液を用いているため，得られる多孔質アノード酸化皮膜はフッ化物をかなり含んだオキシフッ化物であった。
このアノード酸化試料をKOH水溶液中においてアノード分極することにより酸素発生活性を評価した。Niを含みいずれの組成のNi-Fe合金も初期の酸素発生アノード電流はかなり低いが，アノード分極サイクルを繰り返すごとにアノード電流は大きくなり，分極中に「その場」活性化が進行することが明らかとなった。特にNi-Fe合金ではNiよりもかなり高いアノード電流が流れ，高活性な酸素発生電極となることが明らかとなった。活性はアノード酸化を行っていないめっき膜と比べても遥かに高く，アノード酸化によって表面の多孔質化と活性種の生成が活性化の要因となっていることが示唆された。アルカリ電解液中において活性化後の表面を走査電子顕微鏡にて観察すると，ナノポーラス構造からナノシート状に変化が見られることから，アノード分極中に高活性種への変化が起こったと推察される。
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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
高活性酸素発生電極の研究の多くは水素製造と関連して精力的に行われている。RuO2やIrO2電極のような導電性貴金属酸化物電極を除いて，一般的な酸化物や水酸化物電極は導電性が乏しいため，触媒粉末，導電助剤とバインダーを混合して集電体に塗布することで作製される。本研究では，集電体となりうる合金をアノード酸化するだけという，簡便なプロセスで高活性な酸素発生電極をバインダーフリーで得ることができた。その活性はバインダーを用いたタイプの電極と同等以上であることから，本手法の有望性を確認できた。また，本手法によっても鉄ドープによる電極活性の大幅な向上が確認されたことから，当該年度の研究は順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度以降は以下の点に着目して研究を推進する予定である。
・活性種の同定に関する研究
Ni-Fe合金のアノード酸化によって生成した皮膜が，酸素発生分極中に高活性化するという興味深い現象を見出したので，このアノード分極前後の皮膜の解析を行い，活性種の同定を試みる。解析にはX線回折，走査電子顕微鏡観察，透過電子顕微鏡・EDS分析，グロー放電分光法深さ方向分析，X線光電子分光法などを用い，皮膜の構造と組成をナノスケールで解析する。さらには電気二重層容量の測定から電気化学表面積を評価し，や窒素ガス吸着によるBET比表面積測定結果と比較して，高抵抗と思われる皮膜内での有効な電気化学表面積について評価し，バインダフリーで高活性が得られる要因について考察する。
・陽極酸化皮膜の半導体的性質の検討
バイダーフリーで高活性が得られたことから，高活性な皮膜はある程度導電性を示す半導体と考えられる。電気化学インピーダンス法を用いてモット・ショットキー解析等を行うなどして，皮膜の半導体的性質が合金組成や「その場」活性化によってどのように変化するかを明らかにし，酸素発生反応の活性と皮膜の電気特性との関係を明らかにする。
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Research Products
(1 results)
