| 研究課題/領域番号 |
19H02438
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26020:無機材料および物性関連
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| 研究機関 | 大阪府立大学 |
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研究代表者 |
池野 豪一 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30584833)
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| 研究分担者 |
山田 幾也 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30378880)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2021年度)
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| 配分額 *注記 |
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2021年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2020年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2019年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
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| キーワード | 計算材料科学 / 第一原理計算 / 電気化学触媒 / 遷移金属酸化物 / エネルギー材料 / 超高圧合成 / マテリアルズインフォマティクス / 電気科学触媒 / 機械学習 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
次世代の大容量電池として有望視されている金属・空気二次電池の実用化にあたっては、空気極における酸素発生反応(OER)および酸素還元反応(ORR)の反応速度を向上させるための二機能性触媒の開発が必要不可欠である。本研究では、異常高原子価遷移金属イオンを含む複合酸化物を対象として、第一原理計算を用いてOER・ORR触媒反応の自由エネルギー変化および過電圧を評価し、その触媒特性を予測する。同時に同種元素からなる様々な構造バリエーションの化合物に対して系統的な評価を行い、体系的に整理することで、原子構造と触媒活性の相関を明らかにすると共に、新たなOER・ORR二機能性触媒の材料設計指針を提案する。
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| 研究成果の概要 |
本研究では理論計算と実験を組み合わせて、遷移金属複合酸化物における原子構造と酸素発生反応(OER)および酸素還元反応(ORR)触媒特性の相関を明らかにすること目的とした。主な成果として、ポストスピネル構造を有する複合酸化物が高いOER触媒特性を示すことを実験的に見出した。また、第一原理計算によりその反応機構を原子レベルで検討し、これまでの酸化物とは異なる新しいOER反応サイクルを提案した。さらに、遷移金属複合酸化物のカチオンサイトに複数の元素を混合すると、一部の反応サイトにおいてOER・ORR活性が向上することを電子状態計算から明らかにした。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
本研究を通して、OER・ORR触媒の材料設計において原子配列を変化させることにより活性を向上させるというコンセプトが機能することを実証することができた。また、特定の結晶構造に対して、固溶体化して複数の元素を混合することでOER・ORR特性が向上する現象に対して、電子状態計算から定量的に評価することが可能であることを示した。本研究で用いた計算手法は電気化学触媒に留まらず、任意の触媒反応において汎用的に利用できるものであり、学術的応用が広がることが期待される。これらの計算手法を用いることで新規触媒材料設計に有用な知見が得られ、材料探索が加速し、革新的な触媒材料の開発に資すると考えられる。
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