2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of electrodeposition technique of iridium oxide having both high activity and durability for oxygen evolution reaction
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20K05157
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
今林 慎一郎 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (50251757)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 水和型酸化イリジウム / 電析法 / 電析速度 / OER活性 / OER耐性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酸化イリジウムは酸素発生反応（OER）の良い触媒であるため、電解用陽極、水電解による水素製造などへの利用が期待される。本研究は優れたOER活性と耐性を兼備する水和型酸化イリジウム（IrOx）膜を厚膜形成にも十分な速度で形成できる電析方法の開発を目標としている。
〔課題１〕電析液組成と電析膜の熱処理条件を液安定性、電析特性、OER活性と耐性などの実用性の点から最適化している。建浴後数ヶ月で電析速度の低下が始まる電析液安定性の問題があった。シュウ酸やIr源であるIrCl4の濃度を調整することで、電析の速度や電流効率を大きく損なわずに安定性を向上できることを明らかにした。また、電位を規制することが2つの副反応を抑えて効率良く電析するために有用であることがわかり、定電流よりも液撹拌を伴う定電位電析が有効であることを実証した。
〔課題２〕電析の活性種や反応、水和型IrOxのOER耐性の支配因子など電析法の学術的、基礎的な理解を進めている。液撹拌条件における電析反応の電流効率が電析電位によって決まり、約0.47 Vまでは副反応(2)のみが起こる(効率0％)が、これ以上では電析が起こるようになり、0.6 Vでは電流効率80 %になることがわかった。副反応(1)は0.62 V以上で起こり、電位が高いほど電析の電流効率が低下するため、0.6 V前後の定電位で電析することが副反応の寄与を減らすことに有効である。
電析IrOx膜のOER耐性試験中の膜厚減少は、低電流密度で起こる初期減少と高電流密度で起こる後期減少があることがわかった。
〔課題３〕電極の多孔化によるOER過電圧の低減を期待して、空孔率が異なる多孔Ti表面に本電析方法によってIrOxを電析した多孔IrOx電極を作製した。電解液フロー条件の多孔電極のOER電流はIrOx/ Ti平板より大きく、空孔率によって異なることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
〔課題１〕おおむね順調に進展している： 電析液組成については、液安定性と電析特性の両立の点からシュウ酸を添加するすることにし、シュウ酸とIrCl4の最適な組成を検討した。概要記載のように、2つの副反応が起こる電位領域がわかったので、液撹拌しながら定電位で電析することが副反応を抑えて高い電析の速度、電流効率を実現するために有効であることを明らかにした。
〔課題２〕おおむね順調に進展している： 電析を阻害する2つの副反応について以下のことがわかった。副反応(1)は0.62 V以上で電析されたIrOx上で起こるOERであり、電析の電流密度が上がるほど寄与が増大して電析の電流効率を低下させる。副反応(2)は電析液のIr源であるIrCl4から生成する物質起因の酸化反応であり、液撹拌条件において電析反応を阻害する程度は電位に依存することがわかった（概要記載）。回転電極測定から電析反応は副反応(2)より反応物濃度および活性化支配電流が大きいことが推察され、これが電位上昇に伴って電析反応の割合が急に増える原因と考えられる。
OER耐性試験中に起こるIrOx電析膜の膜厚および面積の減少についてより詳細に検討した。膜厚の減少は低電流密度（0.3 A/cm2）で起こる初期減少と高電流密度（> 0.6 A/cm2）で起こる後期減少に分けられることがわかった。
〔課題３〕やや遅れている： IrOx/多孔Ti電極のOER電流を電解液フロー条件で測定した結果、IrOx/Ti平板より大きく、多孔電極の空孔率によって異なることがわかった。再現性のチェックを含めて、OER電流の空孔率依存性を測定している。また、OER触媒能の評価、比較の際に用いられるiR補償について、過剰補償にならない適当な方法を検討している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年に始まった新型コロナ感染による研究計画の遅延のため、研究期間を2023年度まで1年延長した。最終年度の2023年度は学会発表や論文投稿を中心とした研究成果発表に注力しながら、当初の研究計画に沿った下記事項を検討する。
〔課題１〕液安定性（電析速度が初期値から20%以上低下するまでの期間）と電析特性（速度、電流効率）の点からシュウ酸を添加した電析液の最適組成を検討する。また、定電位電析の有用性を実証する。
〔課題２〕電析の副反応(2)に関する基礎検討を続けると共に、電析の主反応の解明に注力する。副反応(2)は起こる電位から反応の特定を試みる。OER耐性の支配因子の解析に必要なデータとして、OER耐性試験中にIrOx膜がどのように劣化（膜の溶出や剥離）するかを電析条件が異なるIrOx膜について測定し、OER耐性、膜の劣化と電析条件の相関を掴む。さらに、OER耐性の優劣とIrOx膜のOER電位の相関について検討する。
〔課題３〕多孔IrOx 電極のOER特性に対する酸素居気泡発生の影響を半定量的に評価すると同時に、電極表面構造や溶液フローなどによってその影響を低減できるかを検討する。また、本研究の電析法で形成したIrOxのOER活性を他のOER触媒と比較する際に必要となるiR補償の方法について最適な方法を検討する。
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| Causes of Carryover |
近年、イリジウム化合物やTi製品を中心に研究遂行に必要な物品の価格が高騰しているが、2021年度と同様に2022年度の研究においても、前年度や過去の研究課題で購入したイリジウム化合物などの試薬類、Ti板や多孔Tiなどの電析担体を使用できた。このため、研究期間の延長を決定した後、相応の研究費を2023年度に繰り越すことができた。
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Research Products
(2 results)
