2022 Fiscal Year Annual Research Report
高性能な空気電池用空気極のための酸化物/ナノカーボン触媒のトップダウン製法の確立
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20K15223
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute |
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Principal Investigator |
立花 直樹 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 技術支援本部多摩テクノプラザ複合素材技術グループ, 副主任研究員 (60633526)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 触媒 / 酸素還元反応 / ボールミル / メカノケミカル反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
空気電池は大きなエネルギー密度を有していることから注目されている。しかし、正極反応である酸素還元反応の進行が遅いためエネルギー変換効率が低い。窒素ドープカーボンは優れた酸素還元活性を示すが、ナノ粒子等と組み合わせることでさらに高い活性を示すことが報告されている。本研究では窒素ドープカーボンを用いたコンポジット触媒を作製し、高性能な空気極の構築を目指した。
これまでに、白金粒子を窒素ドープカーボン上に担持させた触媒を評価した。約5 nm以下の白金粒子はそのサイズが小さいほど比活性が低下する傾向を示すことが知られているが、合成した白金粒子担持窒素ドープカーボン（平均粒子径：2.99 nm）は白金粒子担持カーボン（3.24 nm）より高い比活性を示した。このコンポジット触媒はXPS解析により白金粒子と窒素ドープカーボンとが強く相互作用していることが明らかになった。また、微小なジルコニアビーズを用いて酸化物をミル処理したところ、結晶構造を破壊することなく分散されていることが確認できた。昨年度は、窒素ドープカーボンと酸化マンガンからなるコンポジット触媒を用いたマグネシウム空気電池を作製した。この電池は、従来の酸化マンガン/カーボンブラックを用いたものと比較して、最大出力が約1.5倍となった。しかし、結晶性の低いカーボンブラックから合成した窒素ドープカーボンは貴な電位において酸化消耗しやすいことがわかった。そこで、本年度は、結晶性の高いカーボンブラックに対して固体－気体メカノケミカル反応による窒素ドープを試みた。ボールミル処理によって窒素がドープされ、かつ粒子径が小さくなって比表面積が大幅に増加することが分かった。この窒素ドープカーボンは優れた酸素還元活性を示したが、これは比表面積の大きな窒素ドープカーボンの表面にドープされた窒素が有効な活性サイトを数多く形成したためであると考えられる。
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