2019 Fiscal Year Annual Research Report
Activation of hydrogen evolution reaction promoted by fast proton transfer in electrical double layer
Publicly Offered Research
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
19H05048
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
中村 将志 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70348811)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 水素発生反応 / 有機カチオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素社会の実現に向け，自然エネルギーを利用した高効率な水電解が求められている。水電解は電気エネルギーを水素に直接変換でき，エネルギー貯蔵や運搬などが容易になる。水電解の触媒ではPtが高活性を示すが，燃料電池触媒にも用いられるため，資源の枯渇が懸念されている。コスト低減のためにも貴金属使用量を大幅に削減する必要があるが，水素発生反応(HER)の過電圧が高くなる。本研究では，界面水が関与するHERについて，アルキルアンモニウムイオンのような疎水性有機カチオンにより界面水和状態を改良し活性化を目指す。
2019年度は初めに，アルカリ溶液中においてPt単結晶を用いてアルカリ金属カチオンのHER活性への影響を調査した。Pt(110)はHER活性が高いことが知られているが，LiOH中において活性が最大となった。さらなる活性化を目指して，山梨大学で開発されたアニオン交換ポリマー(QPAF-4)をPt(110)表面に修飾しHER活性評価したところ，QPAF-4のイオン交換容量や末端イオン官能基の種類によってHER活性が大きく変化した。イオン交換容量が小さくなるほどHER活性が向上するが，小さくなりすぎると活性低下し火山型序列となった。またイオン官能基は親水的なものがHER活性を向上させ，アルカリ金属イオンと同様な傾向を示した。さらに，四級アンモニウムカチオンを修飾してHER活性を評価したところ，疎水的なアンモニウムカチオンで活性が向上した。これらの結果より，電極近傍では親水的なカチオンがHER活性を向上させるが，電極から離れた場所では疎水的な状態が適していることが明らかにとなった。
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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
当初の計画通り単結晶基板を用いて表面に有機物カチオンや電解質ポリマーを修飾させることによりHER活性を向上させることに成功した。2019年度は放射光実験も行い，構造解析を実施している。次年度は表面分析を実施し，活性化因子を明らかにする予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
HERを活性化させる電気二重層の構造を明らかにするために，回折および赤外分光測定および真空中でのモデリング実験を実施する。イオンや溶媒間の相互作用を明らかにする。さらに，これらの知見をもとに，HER活性を向上させるための有機イオンやポリマーを共同研究先と検討し，最適な電気二重層構造を構築する。
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