| 研究課題/領域番号 |
21H04936
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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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 |
中区分64:環境保全対策およびその関連分野
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
多田 千佳 東北大学, 農学研究科, 准教授 (30413892)
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| 研究分担者 |
横山 幸司 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (00911158)
中安 祐太 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20827042)
梅津 将喜 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (30891387)
渡邉 洋輔 山形大学, 有機材料システムフロンティアセンター, 助教 (30891527)
古川 英光 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50282827)
張 民芳 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (60518330)
高橋 英志 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (90312652)
関口 貴子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (50738086)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円)
2023年度: 12,220千円 (直接経費: 9,400千円、間接経費: 2,820千円)
2022年度: 12,220千円 (直接経費: 9,400千円、間接経費: 2,820千円)
2021年度: 13,520千円 (直接経費: 10,400千円、間接経費: 3,120千円)
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| キーワード | メタン菌 / カソード電極 / セミウェット / 3Dプリント / CO2 / バイオカソード / 微生物燃料電池 / 表面処理 / 白炭 / 3Dプリンティング / CNT / CH4 / 3Dプリンタ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、CO2をCH4に変換するバイオカソード微生物燃料電池(以下MFC)へのCO2供給 方法を、微生物に直接的にガス供給 するセミドライ型バイオカソード電極を新たに開発するものである。さらに電極材料のコ ストダウン化、高効率化によるCH4変換速度の促進、セミドライ電極製造を確立するため3 Dゲルプリントによる微生物と炭素材料のプリント化によるMFC製造を行う。
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| 研究実績の概要 |
微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell: MFC)は、微生物の代謝反応を利用して有機物から直接電気エネルギーへと変換する装置である。近年、我々は白金触媒の代わりにメタン菌を触媒に利用したセミウェット型メタン菌カソード電極を開発し、電気エネルギーと共にエネルギーガスのCH4 をCO2 から得るMFCを開発した。今後、電極性能を向上させるためには、構造をデザインして電極を造形する必要がある。そこで3Dでの電極設計と造形、セミウェットを維持可能な3Dゲルプリントを用いてメタン菌カソード電極を構築した。本研究では①メタン菌カソード電極を3Dゲルプリントで造形するためのバイオインクを開発し、できた造形物中でのメタン菌の活性やメタン変換について検討した。②3Dゲルプリントで造形したメタン菌カソード電極をMFCに適用し、電池性能を明らかにした。バイオインクは、ナラ白炭、偏性嫌気性メタン発酵種菌、アルギン酸ナトリウム、シリカ材を混合して作成した。3Dゲルプリンタを用いて設計した構造を好気条件下で印刷した。その後、完成造形物をバイアル瓶に入れて水素と二酸化炭素で置換し、培養した。培養過程でメタン生成量を測定し、造形物中のメタン菌量を分析し、微生物群集解析を行なった。このカソード電極をMFCに設置し、電流測定、ポテンショスタットで電力密度を計測した。植菌濃度が標準のゲルインク造形物からの5日目のメタンガス生成は0.001 mmol gwet-1であった。その時のmcrAのコピー数は標準ゲルインクで8.79×105 copies gwet-1であった。5日目のメタン菌群はMethanobacterium属が全メタン菌群中の相対存在量89%を占めた。上記方法で作成したメタン菌カソード電極をMFCに適用した結果、電流が流れ、板状の電極に比較して約２倍高い電流であった。また、最大電力密度は1.38 mW/m2となった。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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