2020 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
Project/Area Number	19H05048
Research Institution	Chiba University
Principal Investigator	中村将志千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70348811)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2021-03-31
Keywords	水素発生反応 / 水素酸化反応 / Pt電極 / 疎水性有機カチオン
Outline of Annual Research Achievements	CO2削減に向け，自然エネルギーを利用した高効率な水電解は水素社会に大きく貢献できる技術である。水電解では，アノードにおける酸素発生反応，カソードにおいて水素発生反応が起こる。アノードの過電圧が大きいことが知られているが，カソードにおいてもアルカリ型はPt電極を用いても十分な活性ではない。Ptは燃料電池触媒にも期待されているため，資源の枯渇が問題となっている。資源量やコストの問題から貴金属使用量を大幅に削減する必要がある。本研究では，水電解で重要な水素発生反応(HER)および燃料電池の水素極の反応である水素酸化反応(HER)の活性化を目指し，界面の親水性・疎水性場に注目した。HERやHORは反応生生物として水が関与しており，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年度はアルカリ金属イオンの水和エネルギーがHOR/HER活性へ影響することを見出し，山梨大学で開発されたアニオン交換ポリマー(QPAF-4)をPt電極表面に修飾しHOR/HER活性が向上することを明らかにした。2020年度は，より定量的な解析にむけ，異なるイオン官能基をもち，かつイオン交換容量の異なる複数のQPAF-4を用いて活性評価を実施した。これまでの傾向と一致し，電極近傍では親水的なカチオン，電極から離れた場所では疎水的な状態がHOR/HERを活性化している。また，界面の水和状態を明らかにするために超高真空中において電極界面を再現する実験も行なった。Pt基板にLiおよび水分子を導入することにより，Pt電極表面で観測されたin-situ IR結果を再現することに成功した。
Research Progress Status	令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和2年度が最終年度であるため、記入しない。