• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

遷移金属イオンの混合による相乗的電荷移動促進作用を利用した酸素発生触媒の創成

研究課題

研究課題/領域番号 23K26431
補助金の研究課題番号 23H01738 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分26060:金属生産および資源生産関連
研究機関東京大学

研究代表者

八木 俊介  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (60452273)

研究分担者 池野 豪一  大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (30584833)
村田 秀信  大阪公立大学, 大学院工学研究科, 助教 (30726287)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)
2025年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2024年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
キーワード電気化学触媒 / 電荷移動 / 遷移金属イオン / 混合 / 反応速度 / 酸素発生反応
研究開始時の研究の概要

研究代表者らはこれまでに,電解による酸素発生反応を促進させるための電気化学触媒の研究開発を行い,数々の候補材料を提案してきた.一連の研究の中で,複数種の遷移金属イオンを含有する酸化物が,それぞれの遷移金属イオンを単一に含有する酸化物に比べて高い活性を示す現象を発見し,それが構造や組成に依らず多くの酸化物で成り立つことを実証してきたが,そのメカニズムは未だ不明である.そこで本研究では上記知見に基づき,異種遷移金属イオンを複数種含有する酸化物触媒の活性向上のメカニズム,特に相乗的な電荷移動促進作用の解明を行い,酸素発生触媒の設計基盤の確立ならびに新規高活性酸素発生触媒の創成を目指す.

研究実績の概要

研究代表者らはこれまでに,工業用電解プロセスや水の電気分解反応におけるアノード反応,すなわち酸素発生反応を促進させるための電気化学触媒の研究開発を行い,数々の候補材料を提案してきた.この研究の中で,複数種の遷移金属イオンを含有する酸化物が,それぞれの遷移金属イオンを単一に含有する酸化物に比べて,酸素発生反応に対して高い活性を示す現象を発見し,イオンの種類,結晶構造に依らず,多くの酸化物で成り立つことを実証してきた.この機構の解明を目指し,本年度は,高圧法を用いてペロブスカイト型酸化物CaFe1-xCoxO3を合成し,酸素発生反応に対する触媒活性を評価した. その結果,FeイオンとCoイオンの比を変化させても,それぞれのイオンの価数が変わらないことをX線吸収分光法により示すとともに,ペロブスカイト型酸化物CaFe1-xCoxO3は,その両端組成を有するペロブスカイト型酸化物CaFeO3とCaCoO3の加重平均よりも高い活性を示すことを明らかにした.特に,CaFeO3/CaCoO3への1 at.%程度のCo/Feドーピングは,酸素発生反応に対する触媒活性を著しく向上させた。すなわち,イオンの価数に依らない,CoイオンとFeイオンの混合がもたらした別の活性向上機構が働いていることを明確にした.以上の結果を受けて,研究分担者の池野を中心に,SQS(special quasirandom structure)モデルを用いた密度汎関数法(density functional theory)計算によって, CaFe1-xCoxO3に含まれるFeイオンおよびCoイオンのCharge-transfer energyとその分布をサイトごとに求め,活性向上の説明を行った.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

異種遷移金属イオンを複数種含有する酸化物触媒の活性向上のメカニズム,特に相乗的な電荷移動促進作用の解明を行い,酸素発生触媒の設計基盤の確立ならびに新規高活性酸素発生触媒の創成を目指すことが本研究の目的である.既に本年度の成果によって,イオン種やその価数,構造のみが活性に寄与するのではなく,Charge-transfer energyによってその活性向上が予見できることを明らかにした.これは思いがけない研究の進展である.さらに本研究から派生して,加熱や冷却により可逆的に色が変化するサーモクロミック材料として,YIn0.9Mn0.1O3を発見した.この物質のサーモクロミズムの起源は主に,配位酸素の振動が熱によって増強されることと,三方両錐形多面体の変形が関係していると考えている.

今後の研究の推進方策

以上のように,本年度の研究では,ペロブスカイト型酸化物CaFe1-xCoxO3の活性の起源に関して検討を行い,含まれるイオン種やその価数,構造のみが活性に寄与するのではなく,Charge-transfer energyによってその活性向上を説明できることを示した.今後の研究では,ペロブスカイト型構造以外の構造を有する物質を合成し,元素置換や元素添加と活性との関係性を検討することで,これまでに得た知見の適用可能範囲を明確にするとともに,活性と安定性がより高い触媒の探索を行う予定である.

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Synthesis conditions affecting electrochemical and chemical stabilities of Ga‐doped Li<sub>7</sub>La<sub>3</sub>Zr<sub>2</sub>O<sub>12</sub> solid electrolyte2024

    • 著者名/発表者名
      DingYuan Huang, Masao Kamiko, Shunsuke Yagi
    • 雑誌名

      EcoEnergy

      巻: 2 号: 1 ページ: 141-153

    • DOI

      10.1002/ece2.24

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Thermochromism and thermal crystal structure evolution of YIn<sub>0.9</sub>Mn<sub>0.1</sub>O<sub>3</sub>2024

    • 著者名/発表者名
      Masaya Oshita, Hidenobu Murata, Isaac Oda-Bayliss, Wencong Wang, Shunsuke Yagi, Kenta Kimura
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 63 号: 1 ページ: 012007-012007

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad17e0

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synergistic Effect between Fe<sup>4+</sup> and Co<sup>4+</sup> on Oxygen Evolution Reaction Catalysis for CaFe<sub>1−</sub><i><sub>x</sub></i>Co<i><sub>x</sub></i>O<sub>3</sub>2023

    • 著者名/発表者名
      Yamada Ikuya、Tanaka Atsushi、Oda Seiji、Okazaki Yuichi、Toda Fumito、Kato Yuta、Kizawa Yuta、Oshita Masaya、Goto Manami、Morimura Amane、Ochi Asuka、Toda Kaoru、Wang Wencong、Yamamoto Hajime、Ikeno Hidekazu、Yagi Shunsuke
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 64 号: 9 ページ: 2097-2104

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MG2022021

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2023-09-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Origin of Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction2024

    • 著者名/発表者名
      S. Yagi
    • 学会等名
      Reactive Metal Workshop 17
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Vanadium Doping on α-KxMnO2 Positive Electrode Active Materials for Rechargeable Magnesium Batteries2024

    • 著者名/発表者名
      I. Oda-Bayliss and S. Yagi
    • 学会等名
      Reactive Metal Workshop 17
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The Catalytic Activity of Transition Metal Doped α-MnO2 for Oxygen Evolution Reaction2024

    • 著者名/発表者名
      K. Shimada and S. Yagi
    • 学会等名
      Reactive Metal Workshop 17
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ペロブスカイト RIn1-xMnxO3 のサーモクロミズムと結晶構造の相関2024

    • 著者名/発表者名
      大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第62回セラミックス基礎科学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 酸素発生電極の高活性化と産業応用のための課題2024

    • 著者名/発表者名
      八木 俊介
    • 学会等名
      資源・素材学会 2024年度 春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 酸素発生触媒活性の記述子に関する研究2024

    • 著者名/発表者名
      八木 俊介
    • 学会等名
      電気化学会 第161回燃料電池研究会セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Exploring Key Factors for Oxygen Evolution Reaction on La2-XSrxNiO4+Δ by Oxygen Defect Engineering2023

    • 著者名/発表者名
      S. Kobata, Y. Kimura, K. Amezawa, M. Oishi, F. Fujishiro, I. Takahashi, S. Yagi, and T. Nakamura
    • 学会等名
      244th ECS Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Origin of Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction2023

    • 著者名/発表者名
      S. Yagi
    • 学会等名
      Energy Material Seminar
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhancing Diffusion of Mg2+ ions by Cation Doping of α-MnO2 Positive Electrode Active Materials for Magnesium Rechargeable Batteries2023

    • 著者名/発表者名
      I. Oda-Bayliss and S. Yagi
    • 学会等名
      Energy Material Seminar
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ペロブスカイト RIn1-xMnxO3 のサーモクロミック特性2023

    • 著者名/発表者名
      大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
    • 学会等名
      第64回高圧討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 高圧相 RIn1-xMnxO3 のサーモクロミック特性2023

    • 著者名/発表者名
      大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 高圧相 RIn1-xMnxO3 (R = Y, Eu) の結晶構造とサーモクロミズム2023

    • 著者名/発表者名
      大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
    • 学会等名
      第17回 日本セラミックス協会 関西支部 学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi