2022 Fiscal Year Annual Research Report
Design principle of metal oxides as electrocatalysts for alkaline water splitting based on machine learning and construction of durable water electrolyzer cell systems
| Project/Area Number |
20K15087
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
菅原 勇貴 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (10814791)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | アルカリ水電解 / 電気化学触媒 / 機械学習 / 密度汎関数理論 / 酸素発生反応 / 金属酸化物 / 構造因子 / ＭＯＦ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
令和３年度に発見した鉄系酸化物の触媒作用の法則から、他の遷移金属にも何らかの法則が存在すると推測され、鉄以外の卑金属触媒の触媒活性の解明が重要な研究課題であると考えた。したがって、本年度は、マンガンから成るナノスピネルAMn2O4(A: 安価な典型金属または遷移金属)に着目し、Aの元素の違いによる水電解アノードの酸素発生反応(OER)活性への効果を分析した。その結果、AがNi>Co>>Li>Zn>Mg>Cuの順で活性が高いことが観察された。DFT計算により、最高活性のNiMn2O4表面での反応が他の材料と比べエネルギー的に有利であることが示され、実験結果と一致した。さらにオペランドXAFS測定でOER中にNiMn2O4の構造が変化し、触媒表面にNiOOHが生じ反応の活性種となることが示唆された。以上のようにナノスピネルのOERにおける新規なメカニズムを発見した。
さらに、触媒活性の法則を解明する対象として、金属酸化物から別の化合物群の調査へと拡大することにし、Metal-Organic Framework (MOF)を選択した。MOFは金属中心と有機リガンドから成り、有機リガンドの違いにより多様な構造を取ることが特徴である。今回は鉄とカルボン酸リガンドからなるMOFを合成・評価し、OER触媒作用の支配因子を解明した。11種類の構造の異なる鉄系MOFを合成し、構造の特徴とOER活性の相関を分析した結果、FeOx多面体の体積およびFe-O結合長と活性に相関が見られ、金属酸化物と同様の傾向を示した。一方、有機リガンド分子の長さ(最も離れている炭素数)および分子量との相関も見られた。さらに機械学習により、MOFのOER活性を表現する数式の導出も試み、構造のパラメータから成る簡便な式で活性を記述することができた。当基礎学術的成果は、水電解用触媒の高効率化に貢献すると期待される。
|
