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Strain-managements of oxide catalysts for large scale generation of carbon-free hydrogen

Research Project

Project/Area Number 18H01741
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

轟 直人  東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (10734345)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2018: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Keywords水電解 / 酸素発生反応 / イリジウム酸化物 / 界面 / 格子歪み / ステンレス鋼 / ナノ構造 / 異相界面 / CO2フリー水素 / 酸化物触媒 / 歪みマネジメント / エピタキシャル成長 / ヘテロ構造 / 電極触媒 / 酸化物 / 歪み制御
Outline of Annual Research Achievements

本年度は、固体高分子膜型水電解のアノードで起こる酸素発生反応に対し触媒活性を示すIr酸化物(IrO2)を対象に、ニオブ(Nb)ドープチタン酸化物(TiO2)単結晶基板へのナノ薄膜の成長、各種構造解析および触媒特性評価を行った。
アークプラズマ蒸着法を用い、IrO2ナノ薄膜を膜厚を制御してTiO2単結晶基板上に(110)配向して成長させることに成功した。面内X線回折測定によるIrO2ナノ薄膜の構造解析の結果から、IrO2薄膜の結晶格子は[001]方向では縮み、[-110]方向に広がっている、すなわち異方性歪みが印加されており、この異方性歪みは膜厚が薄くなるほど増大することがわかった。更に、この異方歪みの増大にしたがい、X線光電子分光法で観測されるIr4f軌道のピーク位置が高結合エネルギー側にシフトし電子状態の変化が確認され、これに起因して触媒活性が向上することが明らかになった。
また、酸化物触媒の酸素発生反応電流と触媒の溶出反応電流を区別するために、回転ディスク電極とオンライン質量分析装置を組み合わせた分析システムを新規構築した。白金電極を用いた分極曲線の測定、およびそれと対応するマススペクトルの評価から、新規システムが酸素発生反応触媒の分析に有効であることを確認した。また、燃料電池触媒反応である酸素還元反応、および電気化学的二酸化炭素還元反応に対し本システムを適用したところ、酸素還元反応に伴う電極表面近傍の酸素濃度の変化、二酸化炭素還元反応のディスク回転数の増加に伴う促進を見出した。

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。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(18 results)

All 2021 2020 2019 2018

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Electrochemical Stability of Stainless-Steel-Made Anode for Alkaline Water Electrolysis: Surface Catalyst Nanostructures and Oxygen Evolution Overpotentials Under Applying Potential Cycle Loading2021

    • Author(s)
      N. Todoroki, T. Wadayama
    • Journal Title

      Electrochemistry Communications

      Volume: 122 Pages: 106902-106902

    • DOI

      10.1016/j.elecom.2020.106902

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Online electrochemical mass spectrometry combined with the rotating disk electrode method for direct observations of potential-dependent molecular behaviors in the electrode surface vicinity2020

    • Author(s)
      N. Todoroki, H. Tsurumaki, H. Tei, T. Mochizuki, T. Wadayama
    • Journal Title

      Journal of the Electrochemical Society

      Volume: 167 Pages: 106503-106503

    • DOI

      10.1149/1945-7111/ab9960

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ドライプロセス法による表面原子構造制御に立脚した燃料電池触媒の開発2020

    • Author(s)
      轟直人
    • Journal Title

      燃料電池

      Volume: 20 Pages: 50-56

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] Hetero-Layered Ni-Fe Hydroxide/Oxide Nanostructures Generated on Stainless-Steel Substrate for Efficient Alkaline Water Splitting2019

    • Author(s)
      N. Todoroki, T. Wadayama
    • Journal Title

      ACS Applied Materials and Interfaces

      Volume: 11 Pages: 44161-44169

    • DOI

      10.1021/acsami.9b14213

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of Energy Conversion Catalytic Materials Based on Surface Scientific Approach2019

    • Author(s)
      轟直人
    • Journal Title

      Materia Japan

      Volume: 58 Issue: 6 Pages: 328-332

    • DOI

      10.2320/materia.58.328

    • NAID

      130007657063

    • ISSN
      1340-2625, 1884-5843
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] よく規定された合金系電極触媒表面モデルのドライプロセス合成と特性評価2019

    • Author(s)
      轟直人, 和田山智正
    • Journal Title

      Denki Kagaku

      Volume: 87 Issue: Autumn Pages: 250-257

    • DOI

      10.5796/denkikagaku.19-te0006

      10.5796/denkikagaku.19-TE0006

    • NAID

      130007703278

    • ISSN
      2433-3255, 2433-3263
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] Oxygen Reduction and Oxygen Evolution Reaction Activity on Co/Pt(111) Surfaces in Alkaline Solution2018

    • Author(s)
      Naoto Todoroki and Toshimasa Wadayama
    • Journal Title

      ECS Transactions

      Volume: 86 Pages: 569-574

    • DOI

      10.1149/08613.0569ecst

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Journal Article] Oxygen Reduction Reaction Activity for Cobalt-Deposited Pt(111) Model Catalyst Surfaces in Alkaline Solution2018

    • Author(s)
      Naoto Todoroki and Toshimasa Wadayama
    • Journal Title

      Electrochemistry

      Volume: 86 Issue: 5 Pages: 243-245

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.18-00024

    • NAID

      130007481431

    • ISSN
      1344-3542, 2186-2451
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] TiO2(110)基板上にアークプラズマ堆積したIrO2の酸素発生特性2021

    • Author(s)
      林 謙汰, 横井 瑞穂, 轟 直人, 和田山 智正
    • Organizer
      日本金属学会2021年春期講演大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 気相法により作製したIrO2/TiO2(110)表面系の酸素発生反応特性2021

    • Author(s)
      轟 直人, 林 謙汰, 横井 瑞穂, 和田山 智正
    • Organizer
      電気化学会第88回大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Ni-Fe Hydroxide/Oxide Nanostructures generated on Stainless Steels for Efficient Alkaline Water Electrolysis2020

    • Author(s)
      Naoto Todoroki, Toshimasa Wadayama
    • Organizer
      71st ISE Annual Meeting ‘Belgrade Online’
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] アルカリ水電解酸素発生反応電極としてのステンレス鋼の比較検討2020

    • Author(s)
      四之宮 新, 轟 直人,和田山 智正
    • Organizer
      日本金属学会2020年春期講演大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] アルカリ水電解模擬環境におけるステンレス鋼酸素発生電極の電気化学的安定性2020

    • Author(s)
      轟 直人, 四之宮 新, 和田山 智正
    • Organizer
      電気化学会第87回大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] ステンレス鋼のアルカリ水電解電極への応用に向けた基礎検討2019

    • Author(s)
      轟 直人, 和田山 智正
    • Organizer
      日本鉄鋼協会第178回秋季講演大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] NiFe水酸化物皮膜を形成したステンレス鋼酸素発生電極の電気化学的耐久性2019

    • Author(s)
      轟 直人, 和田山 智正
    • Organizer
      第43回電解技術討論会-ソーダ工業技術討論会-
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] アルカリ水電解酸素発生電極としてのステンレス鋼の検討2019

    • Author(s)
      轟直人, 和田山智正
    • Organizer
      電気化学会第86回大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Oxygen Reduction and Oxygen Evolution Reaction Activity on Co/Pt(111) Surfaces in Alkaline Solution2018

    • Author(s)
      N. Todoroki, T. Wadayama
    • Organizer
      AiMES2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ステンレス表面酸化皮膜のナノ構造と酸素発生特性2018

    • Author(s)
      轟直人,和田山智正
    • Organizer
      第42回電解技術討論会-ソーダ工業技術討論会-
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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