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照射誘起の原子空孔を利用した燃料電池電極触媒の創製:動的挙動解明による性能制御

研究課題

研究課題/領域番号 21H04669
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分31:原子力工学、地球資源工学、エネルギー学およびその関連分野
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

八巻 徹也  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 本部 経営企画部, 室長 (10354937)

研究分担者 出崎 亮  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子技術基盤研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員 (10370355)
中村 一隆  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (20302979)
松村 大樹  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (30425566)
池田 隆司  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 放射光科学研究センター, 上席研究員 (60370350)
岡崎 宏之  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子技術基盤研究所 先端機能材料研究部, 主任研究員 (90637886)
田口 富嗣  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員 (50354832)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
42,640千円 (直接経費: 32,800千円、間接経費: 9,840千円)
2024年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2023年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2022年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2021年度: 22,620千円 (直接経費: 17,400千円、間接経費: 5,220千円)
キーワード固体高分子形燃料電池 / 電極触媒 / 荷電粒子ビーム / 原子空孔 / 酸素還元反応(ORR) / 固体高分子型燃料電池(PEFC) / Pt/C触媒 / N-C触媒 / 固体高分子形燃料電池(PEFC) / Nドープカーボン触媒 / 固体高分子形燃料電池(PEFC)
研究開始時の研究の概要

固体高分子形燃料電池内のPt触媒の性能が限界を迎える中で、従来とは異なった発想に基づく触媒開発が望まれている。研究代表者らは、荷電粒子ビーム照射を利用して、炭素担体上の高活性・高耐久性Ptナノ微粒子触媒(Pt/C触媒)とPtを用いない窒素ドープ炭素系触媒(N-C触媒)を開発し、これらの性能発現には炭素中の原子空孔が関与していることを見出した。本研究では、Pt/C触媒、N-C触媒に対して、電極反応の動的挙動に着目し、最先端のX線吸収微細構造(XAFS)解析と第一原理計算、超高速レーザー分光を融合させることで、高性能化メカニズムや照射誘起の原子空孔の役割を解明する。

研究実績の概要

本研究の目的は、炭素担体上のPtナノ微粒子(Pt/C)触媒、窒素ドープ炭素系(N-C)触媒で起こる酸素還元反応(ORR)の動的挙動に着目し、X線吸収微細構造(XAFS)解析、第一原理計算と超高速レーザー分光の融合により、当該触媒における炭素原子空孔の役割を解明することである。今年度は、グラファイト粉末や高配向性熱分解グラファイト(HOPG)基板等に荷電粒子ビームを照射し、本研究の開発手法により適切な実験条件の下でPt/C触媒、N-C触媒を作製するとともに、先進XAFS測定や原子空孔を導入したグラファイトに対する分子動力学(MD)シミュレーション、過渡反射率測定を行った。
Pt/C触媒に対して透過型電子顕微鏡観察を行ったところ、グラッシーカーボン(GC)に物理蒸着したPtナノ微粒子のサイズは、イオンビーム照射GC上で未照射GC上に比べてわずかに減少、アスペクト比(縦/横比)は不変であった。一方、N-C触媒の作製では、多層カーボンナノチューブを混合したポリアクリロニトリルの電子線架橋体を前駆体とする新しい手法において、最大のORR電流を示す試料の合成条件を見出した。
XAFS解析では、Pt/C触媒粉末を対象に、広域X線吸収微細構造(EXAFS)領域における解析可能なデータの取得にはじめて成功した。X線ラマン散乱分光(XRS)では、イオンビーム照射グラファイト粉末のスペクトルを酸素雰囲気下でその場測定することができ、オペランド測定への展開を期待させる成果が得られた。
第一原理MD計算では、シミュレーション手法の改良を行い、加速エネルギー等のビーム照射条件による欠陥形成過程の変化を追跡した。また、HOPG基板のコヒーレントフォノン計測結果の詳細な解析を進め、空孔導入によりグラフェンの層間に引張応力、面内には圧縮応力が生じていることを見出した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

粉末状試料等への荷電粒子ビーム照射技術を利用して、新たな試料作製法の開発と最適条件の探索を進め、先進XAFS測定やフォノンダイナミクスのための過渡反射率測定に十分量となる試料の提供が可能になった。また、プラズマ法等の既存手法に加え、本研究で見出した新しい手法により、従来研究と比較して最高レベルのORR電流を示すN-C触媒の作製に成功した。
Pt/C触媒粉末に対する雰囲気制御下その場XAFS測定では、EXAFS領域の解析に進展したことから、これまでの電子状態だけでなく局所的な原子構造の観点でも時分解XAFS測定の対照データとして価値ある成果が得られた。一方のXRSでは、酸素吸着による表面電子状態の変化を観測でき、今後のオペランド測定に向けたデータ収集は完了しつつある。
さらに、第一原理MDシミュレーション手法の改良により、加速エネルギー等のイオンビーム照射条件による欠陥形成過程の変化が追跡可能になったことは、空孔を導入したグラファイト構造の原子レベル解明・モデル構築、さらにはそれに基づくORR機構の予測へと研究の大きな進展を期待させる。イオンビーム照射HOPG基板のコヒーレントフォノン計測では、未照射HOPG基板と比較して、グラフェン層間振動フォノンは振動数が低くなり、グラフェン面内振動フォノンは振動数が高くなることを見出している。この結果は、原子空孔の導入によりグラフェンの層間に引張応力、面内に圧縮応力という異方的な歪みが生じていることを示しており非常に興味深い。
以上の諸点より、ORR触媒における炭素原子空孔の役割解明に向けて重要な成果が得られており、研究はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

電子構造に基づく酸素吸脱着とORRダイナミクス、原子空孔により制御される電荷輸送についての知見を取得して、触媒の作製手法へフィードバックをかけるため、以下の先進XAFS測定や理論計算、フォノン物性研究を計画している。①Pt/C触媒粉末に対し、電位掃引下等のオペランドXAFS解析を進め、酸素吸着の強さ・様式や反応中間体などの情報を実環境に近い条件で取得する。また、グラファイト粉末やN-C触媒を対象に、環境制御下でXRS計測を行い、CのK吸収端に係る情報の取得を進めることで、触媒活性点や性能劣化に対する原子空孔の役割を検討する。②第一原理MD計算により構築した構造モデルを用い、酸素分子の吸着様式、触媒活性点で可能なORR機構を予測する。③原子空孔を有するグラファイトに対し適用できるコヒーレントフォノン制御モデルとして、量子マスター方程式を用いた理論構築を進める。
以上の方策を実施することで、ORRの動的挙動に立脚したメカニズムを解明するとともに、それをもとにしてORR性能の制御、向上への指針を提示することにより、研究全体を総括したい。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 9件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 11件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Effect of ion irradiation after platinum nanoparticles deposition onto glassy carbon substrates on microstructural evolution and oxygen reduction reaction activities2024

    • 著者名/発表者名
      Taguchi Tomitsugu、Yamamoto Shunya、Koshikawa Hiroshi、Okazaki Hiroyuki、Idesaki Akira、Yamaki Tetsuya
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      巻: 549 ページ: 165286-165286

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2024.165286

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Weakened Oxygen Adsorbing the Pt-O Bond of the Pt Catalyst Induced by Vacancy Introduction into Carbon Support2023

    • 著者名/発表者名
      Okazaki Hiroyuki、Idesaki Akira、Koshikawa Hiroshi、Matsumura Daiju、Ikeda Takashi、Yamamoto Shunya、Yamaki Tetsuya
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 127 号: 49 ページ: 23628-23633

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c04117

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Platinum nanoparticles prepared by ion implantation exhibit high durability for fuel cell applications2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Kimata、Taichi Kato、Itsuki Takagi、Yuma Konno、Hiroyuki Okazaki、Shunya Yamamoto、Tetsuya Yamaki、Kazutaka G. Nakamura
    • 雑誌名

      APL Materials

      巻: 11 号: 6 ページ: 061115-061115

    • DOI

      10.1063/5.0148263

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 380-keV Ar+-irradiation effects on optical phonons in graphite studied with transient reflection measurement2023

    • 著者名/発表者名
      Kimata Tetsuya、Kato Taichi、Takagi Itsuki、Konno Yuma、Okazaki Hiroyuki、Yamamoto Shunya、Yamaki Tetsuya、Nakamura Kazutaka G.
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 134 号: 13 ページ: 135306-135306

    • DOI

      10.1063/5.0161215

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Coherent optical phonons in glassy carbon2023

    • 著者名/発表者名
      Itsuki Takagi, Yuma Konno, Tetsuya Kimata, and Kazutaka G. Nakamura
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 204 ページ: 191-195

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrafast quantum-path interferometry of photo-absorption involving excitons in a GaAs multiple-quantum-well structure2023

    • 著者名/発表者名
      Yuya Furusho , Ryoko Yagi , Masaki Suda , Tsukasa Maruhashi , Itsuki Takagi , Yosuke Kayanuma , Fujio Minami , Kazutaka G. Nakamura
    • 雑誌名

      Solid Sate Communications

      巻: 360 ページ: 115056-115056

    • DOI

      10.1016/j.ssc.2022.115056

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] The influence of initial phonon states on the generation of coherent optical phonons2023

    • 著者名/発表者名
      Takagi Itsuki、Nakamura Kazutaka G.
    • 雑誌名

      Solid State Communications

      巻: 360 ページ: 115053-115053

    • DOI

      10.1016/j.ssc.2022.115053

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Morphology and chemical state of platinum ions implanted into glassy carbon substrates2022

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Kimata, Sho Kato, Tomohiro Kobayashi, Shunya Yamamoto, Tetsuya Yamaki, and Takayuki Terai
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 132 号: 17 ページ: 175303-175303

    • DOI

      10.1063/5.0103520

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Interference of optical phonons in diamond studied using femtosecond pulses of polarized near-infrared light2022

    • 著者名/発表者名
      Itsuki Takagi, Taichi Kato, Yosuke Kayanuma, and Kazutaka G. Nakamura
    • 雑誌名

      Solid State Communications

      巻: 350 ページ: 114747-114747

    • DOI

      10.1016/j.ssc.2022.114747

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Change of the oxygen adsorption states of Pt nanoparticles on carbon support by the ion irradiation2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Okazaki、Takashi Ikeda、Akira Idesaki、Hiroshi Koshikawa、Daiju Matsumura、Shunya Yamamoto、Tetsuya Yamaki
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Ultrafast phonon dynamics in surface-polished glassy carbon2023

    • 著者名/発表者名
      Itsuki Takagi、Yuma Konno、Tetsuya Kimata、Kazutaka G. Nakamura
    • 学会等名
      33rd International conference on diamond and carbon materials
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Coherent optical phonons in HOPG modified by Ar-ion irradiation2023

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Kimata、Taichi Kato、Yuma Konno、Hiroyuki Okazaki、Shunya Yamamoto、Tetsuya Yamami、Kazutaka G. Nakamura
    • 学会等名
      33rd International conference on diamond and carbon materials
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Surface modification of carbon support for platinum nanoparticle catalyst by Ar ion irradiation2023

    • 著者名/発表者名
      Shunya Yamamoto、Tomitsugu Taguchi、Hiroshi Koshikawa、Tetsuya Yamaki
    • 学会等名
      21st International Conference on Radiation Effects in Insulators
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of ion irradiation after platinum deposition onto carbon substrates on oxygen reduction reaction activity of electrocatalysts2023

    • 著者名/発表者名
      Tomitsugu Taguchi、Shunya Yamamoto、Hiroyuki Okazaki、Hiroshi Koshikawa、Akira Idesaki、Tetsuya Yamaki
    • 学会等名
      21st International Conference on Radiation Effects in Insulators
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Preparation of ion-track membranes of polystyrene: first successful preparation of through-pores2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Koshikawa、Shunya Yamamoto、Masaki Sugimoto、Shin-ichi Sawada、Tetsuya Yamaki
    • 学会等名
      21st International Conference on Radiation Effects in Insulators
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of post-annealing in oxygen atmosphere on GdBa2Cu3Oy superconducting films irradiated with 10 MeV Au-ions2023

    • 著者名/発表者名
      Toshinori Ozaki、Hiroyuki Okazaki、Hiroshi Koshikawa、Shunya Yamamoto、Tetsuya Yamaki、Tetsuro Sueyoshi、Hitoshi Sakane
    • 学会等名
      21st International Conference on Radiation Effects in Insulators
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] X-ray Raman spectroscopy study of ion beam irradiated glassy carbon for in situ observation of light element based catalysts2023

    • 著者名/発表者名
      Daiju Matsumura、Hiroyuki Okazaki、Akira Idesaki、Kenji Ishii、Tetsuya Yamaki
    • 学会等名
      21st International Conference on Radiation Effects in Insulators
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of the track overlapping on the ion-track grafting reactivity2023

    • 著者名/発表者名
      Kimio Yoshimura、Nunung Nuryanthi、Hiroshi Koshikawa、Shin-ichi Sawada、Takayuki Terai、Tetsuya Yamaki
    • 学会等名
      21st International Conference on Radiation Effects in Insulators
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] グラファイト のコヒーレント光学フォノンにおけるイオン照射効果2022

    • 著者名/発表者名
      加藤太一,高木一旗,今野佑磨,木全哲也,山本春也,八巻徹也,中村一隆
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] イオン照射炭素担持Ptナノ粒子の湿潤雰囲気XAFS研究2022

    • 著者名/発表者名
      岡﨑宏之、出崎亮、松村大樹、越川博、山本春也、八巻徹也
    • 学会等名
      第36回日本放射光学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 担体へのイオン照射による炭素担持Pt触媒の酸素吸着状態変化2022

    • 著者名/発表者名
      岡﨑宏之、出崎亮、越川博、松村大樹、池田隆司、山本春也、八巻徹也
    • 学会等名
      電気化学会第89回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Oxygen adsorption state of Pt nanoparticles deposited on the ion-irradiated carbon support2021

    • 著者名/発表者名
      岡﨑宏之、出崎亮、越川博、松村大樹、山本春也、八巻徹也
    • 学会等名
      MRM2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Changes of oxygen adsorption state of Pt nanoparticle catalyst on the carbon support by the ion irradiation2021

    • 著者名/発表者名
      岡﨑宏之、出崎亮、越川博、松村大樹、山本春也、八巻徹也
    • 学会等名
      240th ECS Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 炭素担体へのイオン照射によるPtナノ粒子触媒のORR活性向上2021

    • 著者名/発表者名
      岡﨑宏之、出崎 亮、越川 博、山本春也、八巻徹也
    • 学会等名
      第18回放射線プロセスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [産業財産権] 電極触媒、燃料電池用電極、および燃料電池2024

    • 発明者名
      岡崎宏之、山本春也、越川博、出崎亮、八巻徹也
    • 権利者名
      量子科学技術研究開発機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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