2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of hydrogen evolution catalysts for oxygen-deficient transition metal oxides
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20H02825
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
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) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 酸素発生反応 / 水素発生反応 / 超高圧合成 / 電気化学触媒 / ペロブスカイト酸化物 / アルカリ水電解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
再生可能エネルギーを用いた水電解水素製造において用いられる遷移金属酸化物を対象とした触媒材料探索を実施し、酸素・水素発生触媒における材料設計指針の確立を目的とした研究を行っている。本年度に得られた、酸素・水素発生触媒に関する主な成果は以下の通りである。1,2については論文発表済み、3については論文採択済み、4, 5については投稿準備中である。
1. 四重ペロブスカイト酸化物CaCu3Fe4-xCoxO12の酸素・水素発生触媒活性におけるシナジーが組成領域によって異なることを、結晶構造・電子状態解析によって明らかにした。2. ポストペロブスカイト構造を有する酸化物CaM2O4 (M = Cr, Mn, Fe)が、他の結晶構造の酸化物と比較して一様に高い酸素発生触媒活性を有することを実験的に明らかにし、第一原理計算に基づくメカニズムの検討を行った。3. マグネトプランバイト酸化物とペロブスカイト酸化物においてFe・Coの混合によるシナジーが発現し、混合がない場合と比べて酸素発生触媒活性が著しく高くなることを実験的に明らかにした。また、第一原理計算や電子物性測定によって、触媒活性に寄与する因子について検討を行った。4. ベイズ最適化によって高エントロピーペロブスカイト酸化物LaMO3 (M: 5種以上の遷移金属元素)における酸素発生触媒活性の向上・最適化を行い、他元素混合酸化物において有用な活性記述子を見出すことに成功した。5. 多元素混合酸化物の合成・評価の高スループット化により、複雑な組成を有する酸化物触媒の合成・評価を従来よりも格段に高速で実施する体制の構築を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
単純ペロブスカイト酸化物に加えて、超高圧合成法で得られた四重ペロブスカイト酸化物においても、異種元素混合によるシナジーが酸素発生触媒活性と水素発生触媒活性について明らかにすることに成功した。また、自動分注ロボットなどを用いた多元素混合酸化物の合成手法が短期間で確立し、具体的な材料合成・評価のフェーズに早期に移行することができた。機械学習を適用した性能最大化についても、適切なコードを共同研究者から提供を受けたことにより、想定以上の成果が得られている。以上の理由により、本課題は当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本格的な運用体制が整った自動分注ロボットを活用し、3元素以上を含む複雑な組成を有する複合遷移金属酸化物を対象とした材料探索を実施する。5元素以上を含有することができるLaペロブスカイト酸化物を中心に合成を行い、どのような元素の組み合わせによって触媒性能が最大化できるのかを明らかにする。ベイズ最適化などの機械学習の手法を導入することによって、5次元以上の高次の物質空間をもつ化合物に対して、より少ない試行回数で高性能化を行う手法を確立し、スピネル、マグネトプランバイトなどの様々な系への適用を行う。共同研究者による電子状態計算データを加えた検討を行い、理論的な裏付けのある触媒活性メカニズムの確立を目標とする。
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[Journal Article] Metamagnetic Behavior in a Quadruple Perovskite Oxide2021
Author(s)
Okazaki Yuichi、Kato Yuta、Kizawa Yuta、Oda Seiji、Uemura Kai、Nishio Takuya、Fujii Fuminari、Fujinari Shintaro、Kinoshita Masaya、Odake Takao、Togano Hayato、Kamegawa Takashi、Kawaguchi Shogo、Yamamoto Hajime、Ikeno Hidekazu、Yagi Shunsuke、Wada Kouhei、Ahn Kyo-Hoon、Hariki Atsushi、Yamada Ikuya
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Journal Title
Inorganic Chemistry
Volume: 60
Pages: 7023～7030
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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