| 研究領域 | ハイドロジェノミクス：高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成 |
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| 研究課題/領域番号 |
19H05048
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 千葉大学 |
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研究代表者 |
中村 将志 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70348811)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2020年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 水素発生反応 / 水素酸化反応 / Pt電極 / 疎水性有機カチオン / 有機カチオン / 電気二重層 / 水電解 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，界面水が関与する水素発生反応について，アルキルアンモニウムイオンのような疎水性有機カチオンにより界面水和状態を改良し活性化を目指す。水和水の構造，カチオン種との親和性やサイズで水素結合形態が変わり，水和プロトンの拡散障壁の低減や異なるプロトン伝導パスにより活性化エネルギーを低減させる。空間的・時間的分解能の高い界面情報および反応機構解析を実施し，水素発生反応を高活性化する要因を突き止め，さらなる高活性化を目指した電気二重層反応場を構築する。
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| 研究実績の概要 |
CO2削減に向け，自然エネルギーを利用した高効率な水電解は水素社会に大きく貢献できる技術である。水電解では，アノードにおける酸素発生反応，カソードにおいて水素発生反応が起こる。アノードの過電圧が大きいことが知られているが，カソードにおいてもアルカリ型はPt電極を用いても十分な活性ではない。Ptは燃料電池触媒にも期待されているため，資源の枯渇が問題となっている。資源量やコストの問題から貴金属使用量を大幅に削減する必要がある。本研究では，水電解で重要な水素発生反応(HER)および燃料電池の水素極の反応である水素酸化反応(HER)の活性化を目指し，界面の親水性・疎水性場に注目した。HERやHORは反応生生物として水が関与しており，アルキルアンモニウムイオンのような疎水性有機カチオンにより界面水和状態を改良し活性化を目指す。
2019年度はアルカリ金属イオンの水和エネルギーがHOR/HER活性へ影響することを見出し，山梨大学で開発されたアニオン交換ポリマー(QPAF-4)をPt電極表面に修飾しHOR/HER活性が向上することを明らかにした。2020年度は，より定量的な解析にむけ，異なるイオン官能基をもち，かつイオン交換容量の異なる複数のQPAF-4を用いて活性評価を実施した。これまでの傾向と一致し，電極近傍では親水的なカチオン，電極から離れた場所では疎水的な状態がHOR/HERを活性化している。また，界面の水和状態を明らかにするために超高真空中において電極界面を再現する実験も行なった。Pt基板にLiおよび水分子を導入することにより，Pt電極表面で観測されたin-situ IR結果を再現することに成功した。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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