2014 Fiscal Year Annual Research Report
セルロースを出発原料とする白金代替燃料電池用ウッドカーボンカソード触媒の開発
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24580244
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
畑 俊充 京都大学, 生存圏研究所, 講師 (10243099)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | セルロース / メラミン / 炭化 / 窒素官能基 / 酸素還元活性 / 燃料電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低炭素社会実現のため新エネルギー開発に関する研究は重要性を増しており、CO2の排出を大きく低減できる燃料電池が注目される。この中でも固体高分子形燃料電池(PEFC)は小型化・低温作動が可能で、自動車、家庭用電源、モバイル機器用に利用できる。PEFCの普及のために、高価で希少な白金を代替するカソード電極触媒を開発する研究が必要である。本研究ではバイオマスの大半を占めるセルロースを原料とした燃料電池用ウッドカーボンカソード触媒の合成を行った。
木質バイオマスの50%程度を占める主成分であるセルロースは難黒鉛化材料と知られ、結晶化が起こりにくいという性質がある。一方、炭化セルロースはエッジを多く含み活性点が多く他元素との結合が起こりやすい。そこで、セルロースの誘導体化と触媒炭素化により、導電性と高い酸素還元活性をあわせもつ白金代替燃料電池用カソード触媒(WFC)合成を試みた。最終年度は燃料電池用触媒の合成最適条件を求めるため、WFCの空隙構造や表面構造を表す因子のうち、WFCの酸素還元活性を向上させるための説明因子を多変量解析による分析を行い、最適合成条件を得るための道筋を示し、今後の研究開発に役立つ知見を得ることを目指した。
炭素化前駆体に金属イオンを担持したアセトアセチル化セルロース(CAA)にメラミンを75wt%混合した混合物を用いた。炭素化条件は窒素雰囲気下で、温度：600-800℃、昇温速度：20℃/分の条件で通電加熱を行った。
元素分析とXPSによる表面化学分析により得られたデータの直線回帰分析を行ったところ、触媒中の第四級型窒素と酸素官能基の二つの因子が酸素還元活性発現において重要であることが示唆された。さらに鉄イオンの添加は触媒を構成するナノシェルの黒鉛型構造の発達を促し、バイオマスから酸素還元活性の高い触媒が得られる可能性があることを明らかにした。
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