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ルテニウム酸化物の選択性反転を起点とする高電流密度海水電解プロセスの構築

研究課題

研究課題/領域番号 23K26760
補助金の研究課題番号 23H02067 (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36020:エネルギー関連化学
研究機関山口大学

研究代表者

中山 雅晴  山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (70274181)

研究分担者 吉田 真明  山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (00582206)
太田 雄大  山陽小野田市立山口東京理科大学, 工学部, 教授 (70509950)
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
18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)
2025年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
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: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円)
キーワード海水電解 / ルテニウム酸化物 / 酸素選択性 / 欠陥 / 水素 / 酸素欠陥 / 塩素フリー / 酸化ルテニウム / 水素製造 / 塩素抑制
研究開始時の研究の概要

従来,酸素発生反応(OER)はアルカリ,塩素発生反応(COR)は酸性環境で研究されており,海水電解の基礎データとなるOER/CORのpHや電位依存性に関するデータは欠落している。直接海水電解が現行のアルカリ水電解,PEM型水電解に比肩するためには,pH横断的なOER/COR反応性の理解が不可欠である。また,直接海水電解に関する基礎研究のほとんどが室温で実施されており,より実用に近い50-80℃での試験は行われていない。海水環境での電気化学は水素製造に限らず,海洋設備(洋上風力発電など)の電気防食など,カーボンニュートラルに資する新技術開発においてその基礎をなすものである。

研究実績の概要

1)従来の水電解槽は純水で作動するように設計されているため,グリーン水素が大規模導入されれば,やがて世界的な淡水不足に陥る。この問題は無尽蔵に存在する海水を水素源にすることによって解消できるが,一般的な工業用電極で直接海水を電解すれば,アノードでは塩化物イオン酸化反応(COR)が支配的になる。COR生成物である塩素は腐食性が高く,その需要は水素よりもはるかに小さいため,アノードでは酸素発生反応(OER)が優先する方が好ましい。アルカリを添加すれば,OER選択性を高めることが可能だが,Mg,Ca塩の沈殿が避けられない。また,Clイオンの浸入をブロックする物質と触媒を複合化する方法もあるが,耐久性に悪影響を及ぼす。これらを鑑み,我々は触媒固有の反応性によって酸素選択的な直接海水電解の実現を目指している。
2)今回開発した酸素欠陥を高濃度含むルテニウム酸化物(S-RuOx)と市販の二酸化ルテニウム(C-RuO2)を0.5 M NaCl水溶液中において10 mA/cm2で定電流電解し,その耐久性とCORのファラデー効率(FE(COR))を調べた。C-RuO2では電解を開始してすぐに電位が上昇しており,30時間以内に活性はほとんどなくなった。FE(COR)は電位の上昇とともに増大しており,20時間後に90%に達した。一方,S-RuOxでは60時間の運転で電位上昇は20 mV以内であった。20時間付近まではFE(COR)は5%以内であり選択的OERを達成した。30時間以降から徐々にFE(COR)が大きくなり,60時間後には35%に達した。ルチル型RuO2は高電位を印加することで触媒自体が酸化されてしまい水に可溶な酸化体を形成することが知られている。S-RuOxは欠陥サイトを多く含んだ構造により,格子酸素の酸化をブロックし,結晶の溶解を防ぐことができたと推察される。

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

S-RuOxを水熱法によって粉末として合成し,キャラクタリゼーションを行った。様々な条件で作製した各種触媒に対して広域X線吸収微細構造法を適用し,局所の原子配列や微細構造を明らかにした。OER/COR性能を迅速・簡易かつ多点的に調べる方法として,回転リングディスク電極を用いたアノード掃引試験を海水と同じ濃度の塩化ナトリウム水溶液中で行った。定電流または 定電位電解によって生成した酸素量と酸化塩素種の量と消費電気量の割合,すなわちファラデー効率を導出し,OER/COR酸化選択性を様々な電解条件で決定した。長時間電解と様々な温度での電解を行い,上記各パラメーターと安定性(=電位上昇)を評価した。以上より,本研究は概ね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

S-RuOxと遷移金属酸化物からなるハイブリッド材料を多孔性基材(Ni,Tiフォームなど)上に合成し,電子構造の最適化による固有活性・選択性の向上に加え,反応物・生成物拡散のための多孔質構造形成,露出活性部位の増大により,触媒性能の向上とRu減量の同時達成を図る。定電流または 定電位電解によって生成した酸素と塩素種の量と消費電気量の割合,すなわちファラデー効率を導出し,OER/COR選択性を決定する。この実験を様々な温度で行い,OERとCORの反応性およびその結果としてのOER選択性の温度依存性を調べる。DFT計算を用いてC-RuO2とS-RuOx表面でのOERとCORおよびその各ステップにおける反応中間種の吸着状態の最安定構造を計算し,各ステップの自由エネルギー変化を見積もる。高電流密度印加が可能な電解槽を試作し,長時間電解を行う。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件) 図書 (2件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Chengdu Technological University(中国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] A simple one-step method to synthesise CuO films having different morphologies for flexible supercapacitor electrodes2023

    • 著者名/発表者名
      Sun Daming, Nakayama Masaharu, Qin Haisen, Liu Dan, Wang Zhifan, Zhang Ziyi, Zhou Bo, Liu Pingping
    • 雑誌名

      Transactions of the IMF

      巻: 102 号: 1 ページ: 43-49

    • DOI

      10.1080/00202967.2023.2288750

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Long-Term Stability of Ni-Sn-Fe-Based Coatings Prepared by Electrodeposition for the Oxygen Evolution Reaction2023

    • 著者名/発表者名
      Nakamura Nobuhiro, Fujita Wataru, Muranaka Takehiko, Nakayama Masaharu
    • 雑誌名

      ECS Advances

      巻: 2 号: 4 ページ: 040504-040504

    • DOI

      10.1149/2754-2734/acfe8d

    • 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] Rotating Ring-Disk Electrode Voltammetry for Determining the COR-OER Selectivity in Seawater Electrolysis under Neutral to Alkaline Conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Wataru Fujita, Maho Yamaguchi, Saki Tanaka and Masaharu Nakayama
    • 雑誌名

      Journal of the Electrochemical Society

      巻: 170 号: 3 ページ: 036507-036507

    • DOI

      10.1149/1945-7111/acc13c

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 酸素選択的海水電解のためのナノルテニウム酸化物触媒2024

    • 著者名/発表者名
      田辺 和也,藤田 航,吉田 航,中山 雅晴
    • 学会等名
      電気化学会第91回大会(名古屋大学東山キャンパス)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 電気防食用アノードにおける酸素/塩素発生挙動を追跡するための電気化学プロトコル2023

    • 著者名/発表者名
      中山雅晴
    • 学会等名
      第59回海水環境構造物腐食防食研究会講演会(海水総合研究所・小田原)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 塩水電解において塩素/酸素発生活性を同時に評価するための電気化学的プロトコル2023

    • 著者名/発表者名
      藤田 航,山口 真穂,中山 雅晴
    • 学会等名
      第83回分析化学討論会(富山大学)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 塩水電解において塩素種の発生を抑制したルテニウム酸化物触媒の開発2023

    • 著者名/発表者名
      藤田 航,山口 真穂,田辺 和也,中山 雅晴,
    • 学会等名
      第60回化学関連支部合同九州大会(九州国際会議場)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 塩水電解における酸素-塩素選択性の評価と制御2023

    • 著者名/発表者名
      藤田航,田辺和也,中山雅晴
    • 学会等名
      2023年日本化学会中国四国支部大会 山口大会(山口大学)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 塩素フリー海水電解のためのルテニウム酸化物触媒の合成2023

    • 著者名/発表者名
      藤田航,田辺和也,庄司靖基,中山雅晴
    • 学会等名
      第47回電解技術討論会-ソーダ工業技術討論会- (大阪公立大学 I-siteなんば)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 酸化ルテニウムの酸素欠陥操作に基づく海水電解での酸素/塩素選択性制御2023

    • 著者名/発表者名
      藤田 航,田辺 和也,中山 雅晴
    • 学会等名
      2023電気化学秋季大会(九州大学伊都キャンパス)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] An OER Selective Catalyst in Seawater Electrolysis: Ruthenium Oxide with Rich Oxygen Vacancies2023

    • 著者名/発表者名
      藤田航,田中沙樹,田辺和也,中山雅晴
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023 (国立京都国際会館)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Selective Catalysts for Seawater Electrolysis2023

    • 著者名/発表者名
      中山雅晴,藤田航
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023 (国立京都国際会館)
    • 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] グリーン水素製造に資する電極触媒の合成と評価-アルカリ水電解・海水電解・アンモニア酸化-2023

    • 著者名/発表者名
      中山雅晴
    • 学会等名
      燃料電池研究会第160回セミナー(東京理科大学・森戸記念館)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [図書] グリーン水素製造に向けた水電解および周辺技術2023

    • 著者名/発表者名
      中山雅晴(103-111, 296-303頁を担当)
    • 総ページ数
      463
    • 出版者
      情報機構
    • ISBN
      9784865022582
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [図書] アンモニアの低温・低圧合成と新しい利用技術2023

    • 著者名/発表者名
      中山雅晴(388-394頁を担当)
    • 総ページ数
      448
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      9784861049538
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 山口大学大学院創成科学研究科 無機機能化学研究室

    • URL

      https://ds.cc.yamaguchi-u.ac.jp/~nakayamalab/index.html

    • 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  

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