2022 Fiscal Year Annual Research Report
燃料電池の高性能・長寿命化に向けたイリジウム合金アノードの表面設計と反応解析
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21H01645
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
和田山 智正 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (20184004)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 固体高分子形燃料電池 / アノード触媒 / 過酸化水素生成 / 水素酸化反応 / 酸素還元反応 / イリジウム / 白金 / イリジウム合金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、構造の規定された合金単結晶表面を超高真空中で物理構築し、触媒表面構造モデルとして用いて、固体高分子形燃料電池(PEFC)のアノードで進行する水素酸化反応(HOR)や過酸化水素(H2O2)の生成メカニズムを検討することを目的として行われた。さらに、アノード触媒開発に不可欠な表面構造を原子レベルで提示することを目標とした。より具体的には、PEFCアノード触媒材料としてIrとその合金系を選択し、分子線エピタキシ(MBE)法やアークプラズマ堆積(APD)法を用いて、Ir単結晶表面合金のような構造規制された表面をアノード触媒モデルとしてドライプロセス合成し、走査型電気化学顕微鏡(SECM)を用いてそのHOR活性とH2O2生成特性を評価して、反応メカニズムを明らかにすることを狙った者である。
R3年度の単味Irの基本低指数面（111),(110),(100)表面の示すHOR活性とH2O2生成特性の評価結果に基づいて、R4年度にはIr(111)単結晶基板に対して、基板温度を制御してRuを真空堆積して作製したIr-Ru(111)モデル触媒表面系のアノード触媒特性を検討した。その結果、低速イオン散乱分光分析結果から試料最表面のRu / Ir原子組成は、試料作製熱処理温度に依存し、1 : 1 (673 K), 1 : 2 (773 K), 1 : 4 (873 K)であることを見いだした。HORは、最表面のIr2 や Ir3アンサンブルサイトが担うことがわかった。一方H2O2生成特性に関しては、Ru単結晶(0001)面では活発に生成するのに対して、Ir-Ru(111)ではSECMの検出限界以下であり、最表面IrサイトがH2O2生成抑制に寄与することを明らかにした。
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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
研究計画では、単味のIr(hkl)(hkl;111,110,100)単結晶基板上に、異種元素をMBE、APD法などのドライプロセスを用いて超高真空中において蒸着し、Ir系の構造規整合金表面を物理構築した上でそのアノード特性（HOR活性およびH2O2生成特性）を電気化学顕微鏡(SECM)で評価解析し、Pt(hkl)系に関する先行研究と比較し、単味Ir表面の特性を明確にすることを目指した。
R4年度においては、主としてIr-Ru系合金表面を評価対象とし、Ir(111)表面を超高真空中で清浄化後、Ruを堆積基板温度を制御して堆積して作製したIr-Ru(111)表面のHORおよびH2O2生成特性をSECM評価した。その結果、低速イオン散乱法(LE-ISS)で評価した表面Ir/Ru組成比とアノード触媒特性に相関が認められ、HORに関しては、Ir2 や Ir3アンサンブルサイトが重要であり、またH2O2生成に関しては、Ir/Ru組成比によらずSECMの検出限界以下であり、最表面のIrサイトがH2O2生成抑制に寄与することを明らかにすることができた。従って、おおむね概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
Pt－Ir(111)表面系を気相合成し、電気化学走査顕微鏡(SECM)を用いて、H2O2生成に対応する反応電流と水素酸化反応(HOR)速度定数k0に基づいて、アノード特性とPt/Ir最表面組成比およびPtとIrの化学結合状態に着目して、反応メカニズムを検討する。
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