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電極表界面の構造制御による燃料電池反応の高効率化

研究課題

研究課題/領域番号 18J11901
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 ナノ構造化学
研究機関千葉大学

研究代表者

久米田 友明  千葉大学, 融合理工学府, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード固体高分子形燃料電池 / 酸素還元反応 / 電極触媒 / 電気二重層 / 燃料電池
研究実績の概要

固体高分子形燃料電池はクリーンかつ高効率なエネルギーデバイスとして、広範な利用が期待されている。しかし、空気極における酸素還元反応(ORR)の過電圧が高く、触媒として貴金属のPtを大量に使用していることが問題となっている。本研究の目的は、電気二重層内のイオンや水分子の構造がORR活性に与える影響を解明することである。
昨年度の研究で、アルカリ溶液中におけるPtのORR活性が電解質カチオンに依存することがわかった。Pt上のORRは表面酸化物などの吸着種によって阻害されることが知られている。そこで本年度は、表面増強ラマン分光法および放射光表面X線回折を用い、アルカリ溶液中におけるPt(111)の表面酸化物形成過程を詳細に検討することとした。電解液にはKOHおよび水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAOH)水溶液を用いた。その結果、1.2 V(RHE)において、KOH中では不可逆的な三次元構造の酸化物が形成するのに対し、TMAOH中では可逆的な二次元構造の酸化物が形成することがわかった。カチオンはその水和水を介して電極表面と静電的に相互作用し、Pt表面酸化物の安定性に影響を与えていると考えられる。
近年、非Pt系ORR触媒として、窒素ドープカーボンが注目されている。アルカリ溶液中において高いORR活性が報告されているが、電気二重層構造がORR活性に与える影響については解明されていない。、そこで、市販の窒素ドープグラフェン触媒を用い、アルカリ溶液中の電解質カチオンがORR活性に与える影響を調査した。アルカリ金属カチオンおよびTMAを用いたところ、Ptとは異なりカチオン種による活性の顕著な差異は確認されなかった。これは、PtとカーボンではORR機構が異なるためであると考えられる。今後は、カーボン系触媒における詳細なORR機構を解明したうえで、最適な電気二重層構造を模索する必要がある。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Activation of Oxygen Reduction Reaction on Well-Defined Pt Electrocatalysts in Alkaline Media Containing Hydrophobic Organic Cations2019

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Kumeda, Ryota Kubo, Nagahiro Hoshi, Masashi Nakamura
    • 雑誌名

      ACS Appl. Energy Mater.

      巻: 2 号: 5 ページ: 3904-3909

    • DOI

      10.1021/acsaem.9b00582

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of hydrophobic cations on the oxygen reduction reaction on single?crystal platinum electrodes2018

    • 著者名/発表者名
      Kumeda Tomoaki、Tajiri Hiroo、Sakata Osami、Hoshi Nagahiro、Nakamura Masashi
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 9 号: 1 ページ: 4378-4378

    • DOI

      10.1038/s41467-018-06917-4

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ナフィオン修飾Pt電極上の酸素還元反応における疎水性カチオンの影響2019

    • 著者名/発表者名
      久米田 友明, 中村 将志, 星 永宏
    • 学会等名
      第26回燃料電池シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] ナフィオン修飾Pt電極上の酸素還元反応における疎水性カチオンの影響2019

    • 著者名/発表者名
      久米田 友明, 中村 将志, 星 永宏
    • 学会等名
      2019年電気化学秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Effect of Organic Cation on the Surface Oxidation of Pt(111) Electrode in Alkaline Media2019

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Kumeda, Masashi Nakamura, Nagahiro Hoshi
    • 学会等名
      236th ECS Meeting
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 疎水性カチオンのPt電極上の酸素還元反応への影響2018

    • 著者名/発表者名
      久米田 友明、中村 将志、星 永宏
    • 学会等名
      第25回燃料電池シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Interfacial Structure of Hydrophobic Cations Activating Oxygen Reduction Reaction on Pt(111) Electrode2018

    • 著者名/発表者名
      Kumeda Tomoaki、Hoshi Nagahiro、Nakamura Masashi
    • 学会等名
      22nd Topical Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Hydrophobic Cations on the Oxygen Reduction Reaction on Pt Electrode2018

    • 著者名/発表者名
      Kumeda Tomoaki、Nakamura Masashi、Hoshi Nagahiro
    • 学会等名
      The 8th International Fuel Cell Workshop 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 疎水性カチオンによるPt電極上のORR高活性化と固液界面構造への影響2018

    • 著者名/発表者名
      久米田 友明、中村 将志、星 永宏
    • 学会等名
      2018年電気化学秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 界面カチオンによるPt電極触媒の酸素還元活性および表面酸化への影響2018

    • 著者名/発表者名
      久米田 友明、中村 将志、星 永宏
    • 学会等名
      第11回新電極触媒シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [備考] 燃料電池反応を活性化する電極反応場を発見

    • URL

      http://www.f-eng.chiba-u.jp/topics/files/20181106.pdf

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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