| 研究課題/領域番号 |
23K21043
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| 補助金の研究課題番号 |
21H01645 (2021-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2021-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26040:構造材料および機能材料関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
和田山 智正 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (20184004)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 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)
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| 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 |
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| 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。
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| 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。
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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
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。
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| 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。
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