2011 Fiscal Year Research-status Report
内的電場供給に基づく電気化学的触媒活性効果発現系の構築
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23655180
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
田中 優実 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00436619)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2013-03-31
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| Keywords | イオン伝導体 / セラミックス / 燃料電池 / 電極触媒 / エレクトレット |
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| Research Abstract |
酸化還元触媒へのイオン伝導体を介した電圧印加によって触媒反応の選択性と活性が飛躍的に向上する現象は「NEMCA効果」として知られている。しかしこの効果を誘発するためには外部電源からの定常的な電界印加が必要となるため、発電自体を目的とするようなデバイスへのNEMCA効果の適用が検討された例はなかった。そこで本研究では、分極処理により高密度な表面電荷を半永久的に保持し得る「イオン伝導性セラミックエレクトレット」を触媒担体とすることで、 エレクトレットの持つ表面電場空間を起源としたNEMCA効果の発現を目指すこととした。本年度は、エレクトレット基材として酸化物イオン伝導を有するイットリア安定化ジルコニアセラミックス（YSZ; Y2O3=3 mol%）を選定し、200 ℃、250 Vcm-1で5～480分間分極処理した場合の電荷保持特性を評価するとともに、電荷強度、極性と触媒活性との相関を調べた。結果、上記条件での分極処理により、処理前の結晶構造を保持しつつ帯電強度が異なるYSZエレクトレット（電荷密度1～100 mCcm-2）を作成することに成功した。また、得られたYSZエレクトレット上に金電極を介して白金-カーボン系触媒を蒸発乾固塗布したのち、酸素ガスバブリング下の過塩素酸水溶液中にて回転ディスク電極（RDE）測定を行い、酸素還元触媒反応の活性化支配電流Ikを算出したところ、負電荷蓄積面上に塗布した触媒上のIkが、他の面と比して有意に大きくなることを見出した。
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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
当初予定のステージA(エレクトレット開発)、B(セラミックエレクトレットの電荷極性と表面電荷密度の違いが触媒活性に与える影響の検証)、およびC(エレクトレット上の触媒/集電体層形成パターンが触媒活性に与える影響の検証/YSZを利用)のうち、本課題において最も主要な取り組みであるステージBに関して、YSZセラミックエレクトレットを用いた場合の評価を一通り終えたことから、上記の区分とした。ステージB》このステージでは、エレクトレットの電荷極性および表面電荷密度の違いが触媒活性に与える影響を、RDE（回転ディスク電極）法に基づく酸素還元触媒反応評価によって検証する。この際、サンプル形状は平板とし、その表面を集電体で完全に被覆した後に触媒を担持することで、エレクトレット側からの反応場に対するアイオニックな作用の影響を排除する。なお、ここで使用するエレクトレットには様々な帯電状態を戦略的に付与しておく必要があり、ステージＡで新たに開発するエレクトレットを対象とする場合、この技術を確立するまでに多大な時間を要する恐れがある。これは期間内の目標達成に対して大きな障害である。そこで、本ステージは当面、結晶構造や微構造、分極条件の組合せを変えることで帯電状態を制御することに成功しているバイオエレクトレットを対象として進めてゆく予定である。応募者がこれまでに扱ってきたバイオエレクトレットは、HA、炭酸アパタイト（CA）、リン酸三カルシウム（TCP）およびYSZの4種類であるが、このうち、HA、CAおよびTCPは酸性溶液中での溶解性が高く、PEFCの触媒反応環境下において利用するのは難しい。そのため、本ステージ開始時の主たる評価対象には、現時点で本課題の趣旨に最も合致していると思われるYSZを選択することとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下のステージA(エレクトレット開発)およびステージC(エレクトレット上の触媒/集電体層形成パターンが触媒活性に与える影響の検証/YSZを利用)を進めるとともに、ステージAで開発したエレクトレットについてもステージB～Cに進めてゆく。ステージA》常に水が発生し、また高い酸性状態にさらされているPEFC電極への利用という観点において優れた特性が発揮されるような、新たなエレクトレットの開発に引き続き着手してゆく予定である。イオン伝導を利用したエレクトレット作成という手法は極めて拡張性が高く、あらゆるイオン伝導体に対して適用可能であるものと考えられる。従って、基材となるイオン伝導性セラミックスは、イオン伝導特性（導電率の温度依存性）、熱安定性、酸化還元耐性、環境調和性などに関する文献データをもとに広い範囲で選定し、有力な候補に関して、詳細なイオン伝導特性・分極特性評価を経てエレクトレット化技術の確立につなげてゆく。ステージC》エレクトレットを金属性の触媒/集電体層で完全に被覆した場合、エレクトレットから発生する電気力線を完全に遮蔽する形で金属内における静電誘導が生じるために、エレクトレットの静電荷と同じ極性を持つエレクトロニックな電荷が触媒/活物質界面に集中するものと予想される。一方、エレクトレットが反応環境に露出している場合、エレクトレットから反応場に向けて電気力線が走ることになるため、電解質の誘電率に応じて、エレクトレット上の静電荷と同じ極性を持つイオンや分極分子がエレクトレット界面から排斥され、逆の極性を持つイオンや分極分子がエレクトレット界面に集合するものと予想される。したがって、このような界面状態の違いが触媒活性に与える影響を検証ため、エレクトレット上に、様々なナノ凝集構造を有する触媒を様々なマイクロパターンで堆積させ、RDE法に基づく酸素還元触媒反応評価を行ってゆく。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
次年度は、1点50万円を超える高額備品の購入はせず、試薬費を含む実験消耗品費として35万円、分析費及び電極の委託加工などを含む「その他」経費として35万円、成果報告費および旅費として20万円、計90万円の範囲で進めてゆく予定である。
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