| 研究課題/領域番号 |
22K05295
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分36020:エネルギー関連化学
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
北野 翔 北海道大学, 工学研究院, 特任助教 (50736840)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
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| キーワード | ナノシート / 形状制御 / 電気化学 / 電極触媒 / 界面 / 酸素発生反応 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
酸素発生反応(OER)は多くの電気化学システムにおいて重要なアノード反応だが、大きな過電圧を必要とするため高活性触媒の開発が望まれる。近年、反応サイトに加えて吸着サイトへ同時に中間体を吸着させるデュアルサイト吸着型活性点がOERに有効であることが報告されたが、未だその活性は不十分である。本研究では、エッジが反応サイトである層状複水酸化物(LDH)ナノシートと、全ての表面が同じ結晶面から成る形状制御金属ナノ粒子を複合化することで、構造制御されたデュアルサイト吸着型界面活性点を構築する。反応サイトおよび吸着サイトにおける中間体の吸着エネルギーの影響を系統的に解明し、高効率なOER活性点の設計指針の確立を目指す。
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| 研究実績の概要 |
酸素発生反応(OER)は多くの電気化学システムにおいて重要なアノード反応だが、大きな過電圧を必要とするため高活性触媒の開発が望まれる。近年、反応サイトに加えて吸着サイトへ同時に中間体を吸着させるデュアルサイト吸着型活性点がOERに有効であることが報告されたが、未だその活性は不十分である。本研究では、エッジが反応サイトである層状複水酸化物(LDH)ナノシートと、全ての表面が同じ結晶面から成る形状制御金属ナノ粒子を複合化することで、構造制御されたデュアルサイト吸着型界面活性点を構築する。反応サイトおよび吸着サイトにおける中間体の吸着エネルギーの影響を系統的に解明し、高効率なOER活性点の設計指針の確立を目指す。
本年度は、ナノシートとしてNiとMnを含むナノシートを合成した。前駆体であるLDHから剥離処理を行うことで、金属水酸化物ナノシートを合成した。NiFeナノシートの場合と同様に、NiMn試料も二次元形態を有していることがわかり、幅10 nm程度のナノシートを合成することに成功した。したがって、異なる組成でありながら、形態および構造が同様のNiFeおよびNiMnナノシートを合成することに成功した。NiMnナノシートを結晶面が（100）面である立方体と（111）面である八面体のPdナノ粒子に複合した触媒を合成した。ナノシートの種類およびPdの形状に関わらず、いずれの複合触媒もPd表面に微細化されたナノシートが複合されており、局所構造の異なる活性点を有する触媒を合成できたことを確認した。合成した触媒を用いて、アルカリ水溶液中におけるOERを行ったところ、Pd/NiMn複合触媒はNiMnナノシート単独よりも高い活性を示した。また、立方体Pd複合触媒が八面体Pd複合触媒よりも高い活性を示したことから、(100)面とナノシートからなる活性点がOER活性に有効であることが示唆された。
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| 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
本年度は、NiとMnを含む金属水酸化物ナノシートを合成し、複合触媒を作製することに成功した。複合触媒はナノシート単独よりも高い活性を示し、(100)面とナノシートからなる活性点がOER活性に有効であることが示唆された。異なる組成でありながら、形態および構造が同様のNiFeおよびNiMnナノシートを合成することに成功したことから、活性点の電子状態とPd結晶面から成るデュアルサイト吸着型界面活性点の影響を系統的に行うことが可能になった。
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| 今後の研究の推進方策 |
合成した触媒を用いてOER特性評価を詳細に行うことで基質と中間体の吸着が反応速度に与える影響を検討する。OERにおいては、金属イオンが活性点であると考えられているため、ナノシートの組成に伴う分子の吸着エネルギーや、Pdの結晶面の影響を検討的に調べることでデュアルサイト吸着に関する総合的な検討を行う。また、OER以外の反応系(水素発生反応、アルコール酸化反応)への適用も試みる。
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