Kinetic analysis and High efficiency of water electrolysis with layered Mn oxides containing metal complexes
| Project/Area Number |
22K04715
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
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| Research Institution | Kanto Gakuin University |
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Principal Investigator |
友野 和哲 関東学院大学, 理工学部, 准教授 (40516449)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本田 暁紀 東京理科大学, 理学部第一部化学科, 助教 (10812977)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
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| Keywords | 水素発生 / 層状化合物 / 層間金属錯体 / 価数制御 / 反応メカニズム / pH / 層状酸化物 / 電気分解 / 金属錯体 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究課題の概要は，金属錯体(Co, Fe, Ni, Ru系)を層間にもつバーネサイト型MnO2薄膜を作製し，①良導電性竹炭/CNTとの複合化による水の電気分解に対する触媒能の向上(低エネルギー化と高収率化)，②電解装置直結のガスクロ-in situ分析による反応速度論的解析を行う。これらの系統的な研究結果と各種分光分析により高効率な電子伝達機構を明らかにするとともに触媒能向上の指針を打ち出すことを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
層状MnO2の層間に酸化還元活性な金属錯体を挿入することで，比容量が増加することを初めて見出した。さらに，波長依存の光電流(５倍)を示した。層間の金属錯体種の違いにより低エネルギーで水電解によるガス発生が進行し，作製膜の触媒能を観察した。
本研究課題の目的は，金属錯体(Co, Fe, Ni, Ru系)/ 層状MnO2薄膜を作製し，①良導電性竹炭/CNTとの複合による触媒能向上(電気分解の高効率化)，②電解装置直結のガスクロ-in situ分析による反応速度論的解析と電子伝達機構を明らかにすることである。
2023年度では，引き続き，(1)竹炭/CNT混合膜との金属錯体/層状MnO2のバインダーフリー水電解触媒を作製し，金属錯体種および電解質を変更し，水電解反応の各種条件の最適化を行った。各種配位子をbpy(ビピリジン)とen(エチレンジアミン)に固定したCoとRu錯体を中心に進め，(2)金属錯体の吸収波長の光照射を行い，光照射によるガス発生について検討した。 また，メカニズムを解明する手段のひとつとして電解質を変更しpHが与える影響について検討した。
全サンプルでガス発生を確認した。水素ガス発生のメカニズムは混合原子価状態(Mn(III)/Mn(IV))である層状マンガン酸化物のマンガンのMn(III)がMn(IV)に酸化電子が水素発生に関係しており，Mn(III)とMn(IV)の比率は，層間イオンや作製電位および各種添加剤等で制御できる。光を照射することで，水素発生量が3倍に上昇した例もあったが再現性が取れていない。また，電解質変更によるpH変更から，酸性が強くなると水素発生触媒である薄膜が剥離しやすいことを明らかにした。今後は，設置したガスクロ設置を使いガス発生反応について詳細に検討を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度に続き，各種の系統的な実験により水素発生メカニズムの推定ができた。また，水素発生触媒である薄膜が剥離するという課題についてもpHによる影響であることを明らかにした。懸念していた，半導体および輸送費等の高騰により，申請時の予算での設置が困難であったガスクロの設置を行えた。ただし，反応装置の3DCAD による設計と各種反応ラインの製造・組立を自身で行う必要が残っており予算を繰り越した。2024年度の夏までにin-situガスクロによる設置を終え，より詳細な反応機構に関する実験計画を進める。また，電気化学的なデータ分析から反応速度解析を試みる。
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| Strategy for Future Research Activity |
光照射による最適化を行い，電気化学分析およびガスクロ分析の両方から水素発生の反応速度解析を進め，反応機構を明らかにする。
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Report
(2 results)
Research Products
(14 results)
