2013 Fiscal Year Annual Research Report
界面イオン輸送現象を利用した高速水素生成・貯蔵システムの開発
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25281061
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大友 順一郎 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (90322065)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 低炭素社会 / 化学エネルギー貯蔵 / イオン伝導体 / 水素生成 |
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| Research Abstract |
固体イオニクスとケミカルループ法を融合させた高速水素エネルギー生成・貯蔵システム（ケミカルループ型水素エネルギー変換システム）の基礎技術の開発を目的とする。今年度は、金属酸化物－イオン伝導体複合サーメット粒子の開発を行い、セリア系酸化物イオン伝導体およびカルシウムチタネート系酸化物イオン伝導体について検討を行った。ガドリニアドープセリア(GDC)および鉄ドープカルシウムチタネート(CTFO)を担体に用い、酸化鉄の還元反応速度を水素およびメタン雰囲気下で評価した。その結果、標準担体であるアルミナと比較した場合、還元反応速度の向上が観測された。水蒸気による再酸化過程で生成する水素生成速度についても、セリア系担体による加速効果が観測された。さらに、合成した複合粒子の長寿命化に向けて、酸化鉄と担体粒子の界面領域の電子顕微鏡像の画像解析を行い、三相界面長の評価を行った。反応速度解析の結果、三相界面長の増加に従い、還元反応の速度定数が増加することが明らかになった。この結果は、酸化物イオンの界面近傍における拡散に起因する酸化鉄の還元反応の加速効果を示唆している。これら還元反応の促進効果に対する担体の酸化物イオン伝導及び電子伝導の寄与（担体効果）について、CTFO（混合伝導体）、イットリア安定化ジルコニア（酸化物イオン伝導体）、アルミナ(絶縁体)の比較によって評価を行った。速度論的検討の結果、担体効果による還元反応活性の向上には、担体の電子伝導よりも酸化物イオン伝導の寄与の方が大きいと考えられる。また、プロトン伝導体の担体利用の検討に向けて、リン酸ガラス系およびランタンタングステン系プロトン伝導体の合成とプロトン伝導率の最適化を行った。これらの新材料についても、次年度以降、担体への適用可能性を検討する。
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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
本研究の中心的な検討事項である担体の酸化物イオン伝導性に起因する金属酸化物の酸化還元反応の促進効果が観測され、酸化還元反応に対する異相界面でのイオン輸送現象の関与を示唆する結果が得られている。さらに、酸素キャリアである金属酸化物の新規担体としてカルシウムチタネート系担体の材料開発を行った。検討の結果、カルシウムチタネート系担体は、酸化還元時における安定性を有しており、かつ資源的に豊富な元素から構成されている材料であるため、性能と経済性の両者の観点からも優れた材料であることが示された。その成果は、今年度、専門誌に速報として掲載された。また、酸化物イオン伝導体に加えプロトン伝導体についても材料開発を行い、リン酸ガラス系電解質を合成し、微構造制御によるプロトン伝導率の最適化を行った。その成果についても専門誌に掲載された。得られた知見および新材料は、提案する高速水素エネルギー生成・貯蔵システムの重要な基盤技術であり、以上を勘案すると、本研究は順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
複合サーメット粒子の反応速度解析および構造解析の検討を進める。還元反応および水素生成反応の速度論的解析について、引き続き解析を実施し、三相界面長と反応速度、および反応生成物の選択率の依存性について詳細に検討する。さらに、界面の反応性の詳細を明らかにするために、界面・粒界構造、構造変化について電子顕微鏡による微構造観察を実施し、界面構造と反応機構の関連性を検討する。酸化還元サイクル時の構造変化についても観測を行う。さらに、走査型プローブ顕微鏡による局所電気化学測定を実施する。本手法により、直流測定による金属酸化物－イオン伝導体間の界面における局所的な電気抵抗、あるいは交流測定によるキャパシタンスおよびインピーダンスの局所的な値を計測する。これらの検討を通じて、酸化還元反応と界面物性の関連性について明らかにする。
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