| 研究課題/領域番号 |
22K14533
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分27020:反応工学およびプロセスシステム工学関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
中安 祐太 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20827042)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 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 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
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| キーワード | 水熱炭化 / 電極触媒 / 燃料電池 / バイオマス / 未利用資源 / 水熱 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
通常，金属空気電池の正極には，Pt/Cなどの貴金属を用いた酸素発生/還元反応（OER/ORR）が最も効率的な電極触媒として用いられる。しかし，価格と資源制約上の問題から，高い活性と安定性を備えた低価格の代替材料を開発することが求められている。昨今，窒素, リン，鉄などのヘテロ原子がドープされたカーボン材料は，Ptに置き換わるOER/ORR電極触媒としての可能性が示された。本研究申請では，亜・超臨界水熱場を用いることにより，木質バイオマスの炭素化およびヘテロ原子をドープすることによりORR電極用の機能性バイオカーボンを創成するプロセスの提案を行う。
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| 研究成果の概要 |
本年度は、鉄を含有する鉱山廃棄物を一段階目の水熱処理で鉄イオン水溶液へと変換し、その水溶液、もみ殻、尿素を混合して二段階目の水熱処理を行うことにより、炭素、鉄、窒素、シリコンがドープされた燃料電池用の電極触媒の作製を行った。LSV測定の結果から、アルカリ性から酸性のすべての領域において、高いオンセットポテンシャルを示した。通常、酸性条件では高いORR活性や耐久性は発現しないが、本研究においては、もみ殻にもともと含有しているアモルファスシリカがFe-N4部位の安定性に寄与していることが示唆された。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
本研究は、環境低負荷な水熱炭化プロセスを用いて、再生可能エネルギー社会に必要不可欠な燃料電池用カソード触媒を未利用バイオマスから創製することを目的とした。希少金属資源の代替となるだけでなく、バイオマスに含有されているアモルファスシリカがFe-N系触媒の安定性に寄与することも示唆された。天然物を用いて先端デバイス材料を作製することは、最終製品の低コスト化や資源問題の解決につながるだけでなく、もともと含まれている物質や元素による新たな材料特性を発現することが示された。
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