2023 Fiscal Year Research-status Report

高出力な空気電池のためのメカノケミカル法による複合ドープカーボン触媒の材料設計

Research Project

Project/Area Number	23K13700
Research Institution	Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute
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, 主任研究員 (60633526)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Keywords	触媒 / メカノケミカル法 / ドープカーボン / 空気電池
Outline of Annual Research Achievements	遊星型ボールミルを用いたメカノケミカル法により窒素を多孔性カーボンにドープした。多孔性カーボンの細孔は、空気電池の正極で進行する酸素還元反応の反応物である酸素の拡散パスとして機能する。本研究では空気電池用酸素還元触媒の担体によく使用される多孔性カーボンであるカーボンブラックを出発原料として用いた。回転速度を300 rpmとしてボールミル処理を施しても、カーボン結晶のサイズは変化せずに窒素はドープされなかったが、回転速度を600 rpmとしてボールミル処理を施すと、炭素六角網面方向の結晶子サイズ（La）が、積層方向の結晶子サイズ（Lc）とともに小さくなった。したがって、ボールミル処理によって、この炭素六角網面を成すC－C結合が切断されてダングリングボンドが表面に生成すると考えられ、この化学的に不安定なダングリングボンドをもつCがボールミルジャー雰囲気中の窒素との間で固体―気体メカノケミカル反応して、カーボンブラック表面に窒素がドープされたと考えられる。また、カーボンブラック粒子はボールミル処理によって粉砕され、得られた窒素ドープカーボンの比表面積はボールミル処理前のカーボンブラックと比較して10倍に増加した。この固体―気体メカノケミカル処理によって得た高比表面積の窒素ドープカーボンは、ドープされた窒素によって活性サイトが表面に多数、形成されるため、高い酸素還元活性を示した。一方、回転速度を800 rpmとしてボールミル処理を施すと、得られた窒素ドープカーボンのドープ量はさらに増加したが、粉砕された粒子の再凝集が生じて比表面積は小さくなることがわかった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason カーボンへの複合ドープの一段階目として、遊星型ボールミルを用いたメカノケミカル法による窒素のシングルドープを検討し、そのドープ量の制御方法を確立するとともに、ボールミル処理条件によっては比表面積を増加させることができることを明らかにした。したがって、予定の内容をおおむね遂行できたため、「（2）おおむね順調に進展している」と判断した。
Strategy for Future Research Activity	既にリンドープについて検討を進めており、固体―気体メカノケミカル法により得た窒素ドープカーボンに対して熱処理法によってリンドープすると、同様の熱処理法によってリンドープしたカーボンブラックと比較して、そのリンドープ量が14倍に増加することがわかった。今後はこのリンドープのメカニズムの解明を進めるとともに、カーボン材料に対するリンドープ量の制御方法の確立を目指す。
Causes of Carryover	円安の進行等により、海外製のボールミル粉砕ジャーが大幅に高騰したため、セットで購入する必要があるジャーの一つを、安価なバランサーで代替したため。次年度にガス置換可能なジャーを購入する。