2023 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of oxygen evolution catalysts by flexible anion defect control
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22H02174
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中村 崇司 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (20643232)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
麻生 亮太郎 九州大学, 工学研究院, 准教授 (40735362)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 酸素発生触媒 / アニオン欠陥 / 電気化学リアクター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に引き続き、層状ペロブスカイト酸化物La2-xSrxNiO4+δを対象にSr量xおよび酸素欠陥量δを制御することで、Ni電子状態（＝価数）と酸素欠陥量をそれぞれ独立に制御した材料を合成し、各因子が酸素発生反応（OER）活性に与える影響を評価した。今年度はSr量の組成幅を広げて、Ni価数：2価～3価という広いNi価数条件でのOER活性を評価する。これにより、Ni平均価数2.4+近傍において、OER活性が最大となることを明らかにした。これは既報で報告されていた「遷移金属eg電子数1.2個近傍で活性が最大化する」という傾向とおおよそ一致するものであった。ただし、この現象の解釈については注意深く議論を進める必要があると考えている。また昨年と同様、酸素空孔が触媒活性を向上し、非占有格子間サイトは触媒活性に寄与しないことも確認できた。以上の結果は酸素欠陥と遷移金属電子状態が触媒活性に与える影響を明らかにするうえで重要な知見である。
また今年度は異種アニオン欠陥の影響を評価するため、ペロブスカイト酸化物(La,Sr)CoO3に対して電気化学的にFを導入し、フッ素欠陥がペロブスカイト酸化物のOER活性に与える影響を評価した。F導入はフッ化物イオン伝導体（La0.9Ba0.1F2.9）により構成される電気化学リアクターを使って250℃にて実施した。XPSやTOF-SIMSでの分析により、ペロブスカイト酸化物にF欠陥を導入することができていることを確認した。またF導入によりCoが還元する傾向が確認できた。現状、合成サンプルの詳細な分析が完了していないが、F導入によりOER活性がわずかに向上、また活性の長期安定性が向上する傾向が確認できている。
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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
電気化学リアクターを使った酸素欠陥制御に成功し、酸素欠陥とNi電子状態がOER活性に与える影響を独立に評価することができた。また昨年度よりも探索する組成範囲（Sr量および酸素欠陥量）を広げることで、Ni電子状態が触媒活性を大きく変調することを明らかにした。ペロブスカイト関連酸化物の触媒性能決定因子を明らかにするうえで重要な知見を得ることができた。
また、酸化物中のF欠陥の影響を調査するため、ペロブスカイト酸化物(La,Sr)CoO3にFをドープした酸フッ化物触媒を合成した。XPSおよびTOF-SIMS、XRDなどの分析により、ペロブスカイト構造を維持したまま、ペロブスカイト酸化物にF欠陥を導入できていることを確認した。F欠陥導入は触媒活性の向上に寄与しており、異種アニオン欠陥の触媒機能に関する知見が得られつつある。
以上のように、本研究は概ね順調に進展しており、これまで未知であったアニオン欠陥が触媒特性に与える影響に迫る知見を順調に積み上げている。今後、再現性の確認やより詳細なサンプルの分析により議論の妥当性を担保しつつ、「アニオン欠陥制御」という新戦略に基づいた革新的なOER触媒開発につなげていきたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
層状ペロブスカイト酸化物La2-xSrxNiO4+δの触媒性能決定因子が明らかになりつつある。今後は再現性の確認と、TEMによる合成サンプルの分析を進める。サンプル合成とOER
OER特性評価は代表者グループで、TEMを使った各種分析については分担者麻生との連携により効率よく進めていく。
ペロブスカイト型酸化物(La,Sr)CoO3材料を対象に、電気化学リアクターを使ったフッ素欠陥および塩素欠陥の導入と、異種アニオン欠陥が触媒活性に与える影響を明らかにする。これは従来的な研究とは異なる新しいアニオン複合化（＝アニオン欠陥制御方法）の実証となる重要な目標の一つである。代表者グループで材料合成、分析、OER特性評価を進め、分担者グループでTEMによる分析を進める。特に表面近傍の結晶構造、化学状態、組成分布は重要な知見であり、TEMとの連携が不可欠である。
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