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燃料電池の高性能・長寿命化に向けたイリジウム合金アノードの表面設計と反応解析

研究課題

研究課題/領域番号 23K21043
補助金の研究課題番号 21H01645 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分26040:構造材料および機能材料関連
研究機関東北大学

研究代表者

和田山 智正  東北大学, 環境科学研究科, 教授 (20184004)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2024年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2022年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2021年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
キーワード固体高分子形燃料電池 / アノード触媒 / 過酸化水素生成 / 水素酸化反応 / 酸素還元反応 / イリジウム / 白金 / 表面結晶方位 / イリジウム合金 / 過酸化水素生成反応 / アノード / 触媒材料
研究開始時の研究の概要

固体高分子形燃料電池(PEFC)のアノードで進行する水素酸化反応(HOR)や過酸化水素(H2O2)の生成メカニズムを、構造の規定されたIr系合金単結晶表面を超高真空中で物理構築・モデル触媒化して検討する。その上で、アノード触媒開発に不可欠な表面構造をPtやPt基合金表面系を比較対象としつつ原子レベルで明確にする。この課題解決に向けて、我々がこれまで培ってきた世界的にも唯一無二の超高真空中における良く規定された金属・合金表面系構築技術を最大化して取り組む。

研究実績の概要

本研究では、固体高分子形燃料電池(PEFC)のアノードで進行する水素酸化反応(HOR)や過酸化水素(H2O2)の生成メカニズムを、構造の規定されたIr系合金単結晶表面を超高真空中で物理構築・モデル触媒化して検討する。その上で、アノード触媒開発に不可欠な表面構造を現状用いられているPtやPt基合金表面系を含めて原子レベルで明確にする。この課題解決に向けて、我々がこれまで培ってきた世界的にも唯一無二の超高真空中における良く規定された金属・合金表面系の物理構築技術を最大化して取り組む。
R3年度に得られた純Ir単結晶の基本低指数面(111),(110),(100)が発現するHOR活性とH2O2生成特性に関する評価結果に基づいて、R4年度にはIr(111)単結晶基板表面上に、Ruを基板温度を制御して真空堆積して作製したIr-Ru(111)モデル触媒表面系を構築し、アノード触媒特性を検討した。まず、低速イオン散乱分光法を用いて試料最表面のRu / Ir原子組成比を求めたところ、組成比は試料作製時の熱処理温度(基板温度)に敏感であり、それぞれRu:Ir=1:1 (673 K), 1:2 (773 K), 1:4 (873 K)であることがわかった。その上でHOR活性を評価検討したところ、HORは最表面のIr2 や Ir3アンサンブルサイトが担うことがわかった。一方H2O2生成特性を評価すると、Ru単結晶(0001)面では活発に生成するのに対して、Ir-Ru(111)ではSECMの検出限界以下であり、最表面IrサイトがH2O2生成抑制に寄与することが明らかとなった。R5年度には、Pt表面に対してWO3を表面に助触媒として添加することによりH2O2生成が抑制されることが明らかとなり、その機構を検討した。また、多結晶電極における表面結晶粒ごとの触媒特性の検討にも着手した。

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

研究計画では、単味のIr(hkl)(hkl;111,110,100)単結晶基板上に、異種元素をMBE、APD法などのドライプロセスを用いて超高真空中において蒸着し、Ir系の構造規整合金表面を物理構築した上でそのアノード特性(HOR活性およびH2O2生成特性)を電気化学顕微鏡(SECM)で評価・解析し、Pt(hkl)系に関する先行研究と比較して、単味Ir表面の特性を明確にすることを目指した。
R4年度においては、主としてIr-Ru系合金表面を評価対象とし、Ir(111)表面を超高真空中で清浄化後、Ruを堆積基板温度を制御して堆積して作製したIr-Ru(111)表面のHORおよびH2O2生成特性をSECM評価した。その結果、低速イオン散乱法(LE-ISS)で評価した表面Ir/Ru組成比とアノード触媒特性に相関が認められ、HORに関しては、Ir2 や Ir3アンサンブルサイトが重要であること、またH2O2生成に関しては、Ir/Ru組成比によらずSECMの検出限界以下であり、最表面のIrサイトがH2O2生成抑制に寄与することをそれぞれ明らかにした。さらにR5年度には、Pt系単結晶表面にWO3を助触媒として堆積することにより、H2O2生成が抑制されることを明らかにするとともに、IrやPt系単結晶表面のアノード触媒特性評価を多結晶電極表面における各表面結晶粒ごとの特性評価に対して拡張することにも着手し、その手がかりを得た。以上より研究の進捗としては概ね順調と判断した。

今後の研究の推進方策

本研究の最終年度であるR6年度においては、これまでに得られた単結晶モデル表面に対して得られた成果を踏まえて、IrやPt系多結晶合金表面における、各表面結晶粒ごとの触媒特性をSECMを用いて2次元的に可視化し、最表面組成や結晶粒方位と電極触媒特性との関係を明確化することに主眼を置く。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Suppressed Hydrogen Peroxide Generation and Enhanced Electrochemical Hydrogen Oxidation Activity for Tungsten-Oxide-Modified Platinum Surface Model Catalyst System2023

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Kenta、Kamikawa Hikaru、Todoroki Naoto、Wadayama Toshimasa
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 64 号: 10 ページ: 2431-2439

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MH2022004

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2023-10-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced electrochemical hydrogen oxidation reaction and suppressed hydrogen peroxide generation properties on Pt/Ir(111) bimetallic surfaces2023

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Kenta、Tomimori Takeru、Sato Riku、Todoroki Naoto、Wadayama Toshimasa
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 25 号: 4 ページ: 2770-2775

    • DOI

      10.1039/d2cp05430b

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrogen peroxide generation and hydrogen oxidation reactions of vacuum-prepared Ru/Ir(111) bimetallic surfaces2022

    • 著者名/発表者名
      Kenta Hayashi *, Keisuke Kusunoki , Takeru Tomimori , Riku Sato , Naoto Todoroki and Toshimasa Wadayama
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 24 号: 23 ページ: 14277-14283

    • DOI

      10.1039/d2cp01261h

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrogen Peroxide Generation and Hydrogen Oxidation Reaction Properties of Ir(111)-, (100)-, and (110)-Low-Index Single-Crystal Surfaces2021

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Kenta、Tomimori Takeru、Chida Yoshihiro、Todoroki Naoto、Wadayama Toshimasa
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 号: 39 ページ: 21481-21487

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c07322

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Pt電極表面結晶粒と水素酸化反応特性の可視化2024

    • 著者名/発表者名
      三瓶柾希、野田大輔、林謙汰、轟直人、和田山智正
    • 学会等名
      電気化学会第91回大会 (優秀学生講演賞)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Ir多結晶電極表面における水素酸化反応活性の2次元マッピング2023

    • 著者名/発表者名
      三瓶柾希、野田大輔、林謙汰、 轟直人、和田山智正
    • 学会等名
      日本金属学会2023年秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] HOR活性の電極表面結晶粒方位依存性2023

    • 著者名/発表者名
      三瓶柾希、野田大輔、林謙汰、轟直人、和田山智正
    • 学会等名
      第14回電極触媒シンポジウム&宿泊セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Oxygen Reduction Reaction on Pt / Transition Metal High Entropy Alloy Single Crystal Model Catalyst2023

    • 著者名/発表者名
      T. Wadayama
    • 学会等名
      e-MRS 2023 Fall Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 燃料電池の電極触媒-よく規定されたハイエントロピー合金表面系の構築と燃料電池触媒特性-2023

    • 著者名/発表者名
      和田山智正
    • 学会等名
      第52回薄膜・表面物理 基礎講座(2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] タングステン酸化物修飾Pt(111)の過酸化水素生成および水素酸化反応特性2022

    • 著者名/発表者名
      林 謙汰, 上川 光瑠, 富森 雄, 轟 直人, 和田山 智正
    • 学会等名
      日本金属学会2022年秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Pt/遷移金属高エントロピー合金/Pt(111)表面系の過酸化水素生成および水素酸化反応特性2022

    • 著者名/発表者名
      富森 雄, 林 謙汰, 千田 祥大, 轟 直人, 和田山 智正
    • 学会等名
      日本金属学会2022年秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] WOx/Pt(111) Prepared As PEFC Model Anode Catalyst: Surface Structure and Suppressed Hydrogen Peroxide Generation2022

    • 著者名/発表者名
      K. Hayashi, H. Kamikawa, N. Todoroki and T. Wadayama
    • 学会等名
      242nd ECS meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Pt-Cr-Mn-Fe-Co-Niハイエントロピー合金単結晶表面の過酸化水素生成および水素酸化反応特性2022

    • 著者名/発表者名
      富森 雄, 林 謙汰, 千田 祥大, 轟 直人, 和田山 智正
    • 学会等名
      第63回電池討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 走査型電気化学顕微鏡により評価した白金族元素最稠密表面上の過酸化水素生成挙動2022

    • 著者名/発表者名
      林 謙汰, 富森 雄, 轟 直人, 和田山 智正
    • 学会等名
      第63回電池討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Pt(111)の過酸化水素生成特性にタングステン酸化物が及ぼす影響2022

    • 著者名/発表者名
      林 謙汰, 上川 洸瑠, 轟 直人, 和田山 智正
    • 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] アークプラズマ蒸着法により作製したWOx/Pt(111)の電気化学的過酸化水素生成2022

    • 著者名/発表者名
      上川 洸瑠, 林 謙汰, 轟 直人, 和田山 智正
    • 学会等名
      日本金属学会2022年春季講演大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] IrおよびIr-Pt合金単結晶モデル触媒の水素酸化反応および過酸化水素発生特性2021

    • 著者名/発表者名
      林 謙汰, 富森 雄, 轟 直人, 和田山 智正
    • 学会等名
      第62回電池討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Hydrogen Peroxide Generation and Hydrogen Oxidation Reaction Properties of Pt/Ir(111) and Ir/Pt(111) Bimetallic Surfaces2021

    • 著者名/発表者名
      K. Hayashi, T. Tomimori, K. Kusunoki, N. Todoroki and T. Wadayama
    • 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] Hydrogen Oxidation Reaction Activity for Vacuum-prepared Ru/Ir(111) Bimetallic Alloy Surfaces2021

    • 著者名/発表者名
      K. Hayashi, K. Kusunoki, T. Tomimori, N. Todoroki and T. Wadayama
    • 学会等名
      ISSS9
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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