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多電子還元生成物選択的なCO2還元銅触媒の創生と設計指針解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K23443
補助金の研究課題番号 22H02175 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分36020:エネルギー関連化学
研究機関東北大学

研究代表者

岩瀬 和至  東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (90846437)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2022年度: 11,310千円 (直接経費: 8,700千円、間接経費: 2,610千円)
キーワード電極触媒 / 二酸化炭素還元 / 銅 / 多電子還元 / 選択性 / ナノ材料 / スパッタリング / 金 / 二酸化炭素電解 / 生成物選択性 / 二酸化炭素還元反応 / 金属間化合物 / 第一原理計算
研究開始時の研究の概要

電気化学的二酸化炭素還元反応は、再生可能エネルギーを用いたCO2の再資源化の手法として注目されている。本研究では、多電子還元生成物を生成しうると報告されている銅触媒に単原子状からクラスター状へと形態が制御されている異種金属を担持することで反応中間体の吸着エネルギーを制御し、高い電流効率での多電子還元生成物の生成を達成する。第一原理計算や放射光による反応メカニズム解析の結果を適宜フィードバックすることで、さらなる高活性化を図る。

研究実績の概要

当該年度としての結果は主に、前年度に引き続き(1)金属間化合物からなる電気化学的二酸化炭素還元反応(CO2RR)触媒の開発、に取り組んだ他、(2)スパッタリングを用いたCO2RRを高効率で進行させる触媒電極の作製、に取り組んだ。まず(1)について、前年度に合成した銀(Ag)と錫(Sn)からなる金属間化合物触媒について、表面構造の詳細な解析を行い、合成した触媒についてはやや酸化されたSnが触媒表面上に偏析されているということを確認した。合成した金属間化合物触媒は単体のSnよりも高いCO2RRによるギ酸生成選択性を有していることから、この結果は、金属間化合物相上に存在する酸化Snが高いギ酸生成効率を有することを示しており、金属間化合物の特異な電子状態の影響に起因すると考えられる。次に(2)に関して、金(Au)をモデル触媒として電極作製を行った。スパッタリングのレートを適切に選択することで、金触媒を均一に触媒層上に担持することに成功した。詳細な構造解析を行ったところ、電極上に担持された金は粒子径が小さくナノ粒子状になっていることがわかった。また、スパッタリングの時間を制御することにより金の堆積量を制御できた。得られた電極のCO2RR活性を評価したところ、低電流密度領域ではどの触媒電極でも高効率で一酸化炭素(CO)を生成した。また、特にスパッタリングの量を少なくしたものでは高いAuの重量あたりのCO生成比活性を達成した。これは、ナノ粒子を電極上に均一に担持できたことによると考えられ、自年度以降さらなる構造解析を行う予定である。

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

材料合成プロセス、及び電極作製プロセスを制御することによりCO2還元選択性を制御することに成功している。次年度は得られた知見をより広く展開し、Cu触媒による多電子還元生成物の生成効率向上にもつなげる。

今後の研究の推進方策

当該年度で得られた知見を銅触媒に展開する。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (26件) (うち国際学会 6件、 招待講演 6件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Rational Strategy for Tuning Electrocatalytic Oxygen Evolution Activity of Perovskite Oxides via Low-Temperature Fluorination2023

    • 著者名/発表者名
      Iwase Kazuyuki、Ohtaka Masaki、Honma Itaru
    • 雑誌名

      Chemistry of Materials

      巻: 35 号: 7 ページ: 2773-2781

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.2c03099

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 亜臨界流体を用いた多元系酸化物ナノ粒子の合成とその電気化学的酸素発生触媒能2024

    • 著者名/発表者名
      加藤涼雅、岩瀬和至、笘居高明
    • 学会等名
      第26回化学工学会学生発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 水熱条件における二酸化炭素電解系の開発2024

    • 著者名/発表者名
      高柳 龍生、岩瀬和至、笘居高明
    • 学会等名
      第26回化学工学会学生発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 新規無機ナノ材料の開発と二酸化炭素還元電極触媒への応用2024

    • 著者名/発表者名
      岩瀬和至
    • 学会等名
      電気化学会第91回大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 金担持ガス拡散電極の開発とそのCO2還元特性2024

    • 著者名/発表者名
      山田 拓哉、岩瀬和至、轟 直人、本間 格
    • 学会等名
      電気化学会第91回大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 酸素発生反応電極触媒としてのハイエントロピースピネル酸化物ナノ粒子の開発とその反応メカニズムの解析2024

    • 著者名/発表者名
      岩瀬和至、加藤 涼雅、笘居 高明、本間 格
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会(2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Auナノ薄膜を担持したガス拡散性電極のCO2還元特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      山田拓哉、岩瀬和至、轟直人、本間格
    • 学会等名
      2023年電気化学秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 銀ドープ銅ナノ粒子の開発とCO2還元選択性向上のための電極化条件の検討2023

    • 著者名/発表者名
      岩瀬和至、平野杜萌、本間格
    • 学会等名
      2023年電気化学秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Quantitative Analysis of The Impact Factors of Experimental Parameters Affecting on CO2 Electrolysis Performance Through Machine Learning2023

    • 著者名/発表者名
      Setyowati Vuri Ayu、向田志保、中西周次、岩瀬和至
    • 学会等名
      2023年電気化学秋季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 金ナノ薄膜担持ガス拡散電極の作製とそのCO2還元特性2023

    • 著者名/発表者名
      山田拓哉、岩瀬和至、轟直人、本間格
    • 学会等名
      CSJ化学フェスタ2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fluorine Substituted Perovskite Oxides Synthesized by a Low-Temperature Process as Oxygen Evolution Electrocatalysts2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuyuki Iwase, Masaki Ohtaka, Itaru Honma
    • 学会等名
      74 th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fluorine Substituted Perovskite Oxides Synthesized via Low-temperature Processing as Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reactions2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuyuki Iwase
    • 学会等名
      4 th International Conference on Materials Science and Engineering
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] CO2 電解における Au 薄膜担持ガス拡散電極の特性評価特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      山田拓哉、岩瀬和至、轟直人、本間格
    • 学会等名
      International Symposium for the 80th Anniversary of the Tohoku Branch of the Chemical Society of Japan
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of Ag-Sn Intermetallic Compounds via Mechanical Alloying as Selective Electrocatalysts for CO2 Reduction Reaction2023

    • 著者名/発表者名
      Takeyuki Kamimura, Kazuyuki Iwase, Itaru Honma
    • 学会等名
      2023 MRS Fall Meeting and Exhibit
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] CO2 電解生成物選択性の制御における機械学習活用2023

    • 著者名/発表者名
      岩瀬 和至
    • 学会等名
      近化電池/資源・環境セミナー「電気化学によるCO2リサイクル」~グリーントランスフォーメーションからカーボンニュートラルへの道程~
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 表面処理した銀―スズ合金触媒の電気化学的CO2還元活性の評価2023

    • 著者名/発表者名
      上村赳之、岩瀬和至、本間格
    • 学会等名
      電気化学会第90回大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ハイスループット量子化学計算による触媒元素戦略2022

    • 著者名/発表者名
      岩瀬和至、大岡英史
    • 学会等名
      科技ハブ共同研究プログラム 2022年度合同ワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Ag担持Cuナノ粒子の電気化学的二酸化炭素還元活性評価2022

    • 著者名/発表者名
      平野杜萌、岩瀬和至、本間格
    • 学会等名
      2022年電気化学秋季学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ホイスラー合金からなる電気化学的二酸化炭素還元電極触媒の開発2022

    • 著者名/発表者名
      岩瀬和至, 小嶋 隆幸, 轟 直人, 本間 格
    • 学会等名
      2022年電気化学秋季学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] F 置換ペロブスカイト酸化物 BaFe1-xCoxO3-yFy からなる高活性酸素発生電極触媒の開発2022

    • 著者名/発表者名
      岩瀬和至、大高 正幹、本間 格
    • 学会等名
      公益社団法人日本セラミックス協会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 超臨界水熱プロセスを用いた 5 元素スピネル酸化物からなる酸素発生電極触媒の開発2022

    • 著者名/発表者名
      岩瀬和至、本間 格
    • 学会等名
      公益社団法人日本セラミックス協会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 電気化学による多孔質膜で培養した腸管モデルの薬剤透過性評価2022

    • 著者名/発表者名
      伊藤千聖、伊野浩介、岩瀬和至、本間格、珠玖仁
    • 学会等名
      東北大学第4回 環境科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] upercritical Hydrothermal Synthesis of High Entropy Spinel Oxide Nanoparticles as Oxygen Evolution Electrocatalysts2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuyuki Iwase, Itaru Honma
    • 学会等名
      2022 MRS Fall Meeting and Exhibit
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Copper-Aluminum Layered Double Hydroxides with different morphologies and compositions as CO2 reduction electrocatalysts"2022

    • 著者名/発表者名
      Tomo Hirano, Kazuyuki Iwase, Itaru Honma
    • 学会等名
      2022 MRS Fall Meeting and Exhibit
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of novel nanomaterials and additive manufacturing of electrochemical energy storage devices2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuyuki Iwase,
    • 学会等名
      令和4年度 化学系学協会東北大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 二酸化炭素電解触媒粒子の合成とその電極化2022

    • 著者名/発表者名
      岩瀬和至
    • 学会等名
      2023年度 第1回・第2回 粉体操作に伴う諸現象に関する勉強会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nanomaterials with controlled coordination and electronic structure as electrocatalysts for water and CO2 electrolysis2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuyuki Iwase
    • 学会等名
      The 84the Green Seminar
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] 岩瀬和至の個人ページ

    • URL

      https://sites.google.com/view/kaz-web/home

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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