2020 Fiscal Year Annual Research Report
d電子間に働く強い相互作用が生み出す酸素発生触媒の開発
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20H02831
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| Research Institution | Kitami Institute of Technology |
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Principal Investigator |
平井 慈人 北見工業大学, 工学部, 准教授 (80756669)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
八木 俊介 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (60452273)
大野 智也 北見工業大学, 工学部, 教授 (90397365)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 酸素発生反応 / 酸素発生触媒 / 複合酸化物 / 金属－絶縁体転移 / ペロブスカイト関連構造 / 電子相関 / 金属空気電池 / 水分解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属－絶縁体転移の境界領域にあるペロブスカイト関連構造のBa1-xSrxIrO3（x＝0,0.05,0.1)を固相法によって合成し、その酸素発生触媒能を測定した。酸素発生触媒能の評価には、「触媒担持液を塗布した回転リング-ディスク電極」を用いて、固体高分子形(PEM)水電解セルへの応用を念頭に酸性電解液中(0.5 M H2SO4)で電気化学測定を実施した。酸素発生触媒能は過電圧と電流密度によって評価した。また、酸素発生反応に対する耐久性は酸素発生反応を1000サイクル繰り返した後の触媒能を1サイクル目の触媒能と比較して評価した。酸素発生反応前後のIrの価数はX線吸収分光法によって観察した。
その結果、Ba1-xSrxIrO3（x＝0,0.05,0.1)は初期活性だけでなく耐久性においても、典型的な酸素発生触媒であるIrO2よりも高く、また反応の前後でIrの価数はほぼ一定であることが明らかになった。BaIrO3と比較して、Ba1-xSrxIrO3（x＝0.05,0.1)の触媒安定性は同程度であったが、初期活性は増強された。Ca1-xSrxRuO3のケース（Hirai et al., J. Mater. Chem. A7, 15387-15394 (2019)）と同様に、初期活性の増強は、SrによってBaの一部を置換することで金属－絶縁体転移の境界領域に近づいたためと考えられる。また、触媒安定性が同程度であったのは、母物質であるBaIrO3の構造安定性が十分に高いことを示唆している。これらの研究成果について、2021年3月開催の日本材料科学会 マテリアルズ・インフォマティクス基礎研究会において招待講演を行い、2020年７月開催のマテリアルズ・インフォマティクス基礎研究会および同年12月開催の日本材料科学会 電池・レーザー材料研究会において学会発表（口頭発表）を行った。
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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
当初の計画通り、金属－絶縁体転移の境界領域にあるBa1-xSrxIrO3の合成ならびに酸性電解液中での酸素発生触媒能の評価を行った。その結果、Ba1-xSrxIrO3は初期活性だけでなく耐久性においても、典型的な酸素発生触媒であるIrO2よりも高く、また反応の前後でIrの価数はほぼ一定であり、構造安定性の高い優れた酸素発生触媒を開発することができた。
さらに、SrによってBaの一部を置換することで、酸素発生反応に対する高い耐久性を維持したままで、初期活性を増強できたことから、Ba1-xSrxIrO3系においてもCa1-xSrxRuO3系と同様に金属－絶縁体転移の境界領域において酸素発生触媒能が増強されることを明らかにした。これは、金属－絶縁体転移の境界領域ではd電子間に働く相互作用によって酸素発生触媒能が増強されるという考え方がアルカリ電解液だけなく、酸性電解液においても適用可能であることを示唆している。
今後、Ba1-xSrxIrO3の酸素発生触媒としての実用化を目指すには、より高表面積の試料合成ならびに、合成可能なSrの置換量の拡大が望ましく、前駆体溶液の設計を工夫したいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られたBa1-xSrxIrO3の周辺における酸素発生触媒能を引き続き調査するとともに、より高表面積の試料合成ならびに、合成可能なSrの置換量の拡大のために、前駆体溶液の設計の工夫を始めとした新たな合成手法による酸素発生触媒の開発を行う。
また、触媒粒子の分散制御による亜鉛空気電池、水の電気分解セルの性能の最適化を行う。具体的には、空気電池のガス拡散電極や電解セルの陽極に用いるNi発泡金属と触媒粒子の構造化も含めて行うとともに、実用化に向けて最適化された化学組成のBa1-xSrxIrO3を導き出す。分散制御は、2次粒子の凝集を最小化する必要があるため、ゼータ電位の測定結果をもとに触媒担持液のpHを調整する。
最終的には新たな化学組成のBa1-xSrxIrO3ならびに新規のイリジウム複合酸化物を合成し、触媒能を評価することで「OER前の価数および電子構造」と「酸素発生触媒能」の相関関係から、d電子間に働く相互作用が酸素発生反応の反応機構に果たす役割を解明することをめざす。
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