化学機械応力に立脚する革新的な高性能触媒の創生

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06293
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 石原 達己 九州大学, 工学研究院, 教授 (80184555)
• 研究分担者: 八島 正知 東京工業大学, 理学院, 教授 (00239740) ; 高垣 敦 九州大学, 工学研究院, 准教授 (30456157) ; 萩原 英久 富山大学, 学術研究部理学系, 准教授 (30574793) ; 伊田 進太郎 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (70404324) ; ステイコフ アレキサンダー 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 准教授 (80613231)
• 研究期間 (年度): 2016-04-26 – 2021-03-31
• キーワード: 触媒 / 化学機械応力 / ナノサイズ効果 / イオン伝導性

研究実績の概要

金属分散による熱膨張差を利用した化学機械応力の導入を各種の触媒材料について検討した。まず、光触媒については、新たにPtを分散したSrTiO3系について検討を行った。昨年度まで検討したAu分散系に比べると、Ptの系では熱膨張の大小の関係で圧縮応力が発生し、格子定数が収縮することを確認できた。この結果、バンド構造の変化はほとんど無く、Au分散による光触媒活性の向上が化学機械応力の発生によることを確認できた。一方、格子歪の導入効果として、巨大圧力ひねり加工効果を利用した化学機械応力の導入を検討した。その結果、GaN-ZnOやTiO2などにおいて巨大圧力ひねり加工処理により、酸素欠陥が導入され、光触媒活性が大きく向上できるとことを示した。とくに耐成分系のハイエントロピー合金を出発原料とする巨大圧力ひねり加工処理で作成した触媒は、大きな光触媒活性を達成することを示すことが分かった。
レーザーアブレーション法での電極成分の製膜と基板との引っ張り応力による表面反応性の変化を検討した。今年度はp型およびn型電子伝導と酸素イオン伝導を示すAl添加CaTiO3とNb添加SrTiO3との複合化を検討した。ナノレベルの膜厚の薄膜化により、格子定数は変化しなかったので、格子歪は導入されなかったが、電子伝導は抑制され、酸素イオン伝導性を示す酸素分圧の領域が広がった。一方、La0.6Sr0.4FeO3(LSF)/Sm0.2Ce0.8O2(SDC)の積層ではLSFに引っ張り応力が発生し、伝導度の酸素分圧に依存しない領域が広がるとともに、酸素イオン伝導度が増加することが分かった。そこで、p-n接合により部分電子伝導を抑制し、酸素イオン伝導度を向上できることが分かった。以上より、化学機械応力は、部分電子伝導および酸素イオン伝導に大きな影響があることを系統的に明らかにすることができた。

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。

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。

研究成果

• [国際共同研究] Imperial College London(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: Imperial College London
• [国際共同研究] Paul Scherrer Institute(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: Paul Scherrer Institute
• [雑誌論文] Determination of Oxide Ion Conductivity in Ba-Doped LaYbO3 Proton-Conducting Perovskites via an Oxygen Isotope Exchange Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Junji Hyodo, Shogo Kato, Shintaro Ida, Tatsumi Ishihara, Yuji Okuyama, Takaaki Sakai
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 125 ページ: 1703-1713
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c09591
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characteristics of YCoO3-type perovskite oxide and application as an SOFC cathode (2021)
  • 著者名/発表者名: Takaaki Sakai, Masako Ogushi, Kohei Hosoi, Atsushi Inoishi, Hidehisa Hagiwara, Shintaro Ida, Masatsugu Oishi, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 9 ページ: 3584-3588
  • DOI: 10.1039/D0TA09487K
  • 査読あり
• [雑誌論文] High- temperature proton conductors based on the (110) layered perovskite BaNdScO 4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiraiwa, M., Kido, T., Fujii, K., & Yashima, M.
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 9 ページ: 8607-8619
  • DOI: 10.1039/d0ta11573h
  • 査読あり
• [雑誌論文] High oxide-ion conductivity through the interstitial oxygen site in Ba7Nb4MoO20- based hexagonal perovskite related oxides (2021)
  • 著者名/発表者名: Yashima, M., Tsujiguchi, T., Sakuda, Y., Yasui, Y., Zhou, Y., Fujii, K., Torii, S., Kamiyama, T. & Skinner, S. J.
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 12 ページ: 556
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20859-w
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strain effects on the Co oxidation state and the oxygen dissociation activity in barium lanthanum cobaltite thin films on Y2O3 stabilized ZrO2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Aline Fluri, Hajime Kusaba, John Druce, M. Dobeli, Thomas Lippert, Junko Matsuda, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 8 ページ: 6283-6290
  • DOI: 10.1039/C9TA13142F
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Ni-based cathodic layer on intermediate temperature tubular electrolysis cell using LaGaO3 based electrolyte thin film (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhe Tan, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: J. Phys Energy 巻: 2 ページ: 024004
  • DOI: 10.1088/2515-7655/ab6f4b
  • 査読あり
• [雑誌論文] The direct decomposition of NO into N2 and O2 over copper doped Ba3Y4O9 (2020)
  • 著者名/発表者名: Siman Fang, Atsushi Takagaki, Motonori Watanabe, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Catalysis Science & Technology 巻: 10 ページ: 2513-2522
  • DOI: 10.1039/D0CY00194E
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photobiocatalytic H2 evolution of GaN:ZnO and [FeFe]-hydrogenase recombinant Escherichia coli (2020)
  • 著者名/発表者名: Nuttavut Kosem, Yuki Honda, Motonori Watanabe, Atsushi Takagaki, Zahra Pourmand Tehrani, Fatima Haydous, Thomas Lippert, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Catalysis Science & Technology 巻: 10 ページ: 4042-4052
  • DOI: 10.1039/d0cy00128g
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tensile strain for band engineering of SrTiO3 for increasing photocatalytic activity to water splitting (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoonyoung Kim, Motonori Watanabe, Junko Matsuda, Jun Tae Song, Atsushi Takagaki, Aleksandar Staykov, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Applied Catalysis B: Environmental 巻: 278 ページ: 119292
  • DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.119292
  • 査読あり
• [雑誌論文] Z-scheme-type conductive-polymer-P3HT/KTa(Zr)O3 heterojunction composites for enhancing the photocatalytic activity of water splitting (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Koganemaru, Yoonyoung Kim, Motonori Watanabe, Atsushi Takagaki, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Applied Catalysis A, General 巻: 602 ページ: 117737
  • DOI: 10.1016/j.apcata.2020.117737
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scandium and copper co-doping effect on stability and activity to the NO direct decomposition of Ba3Y4O9 (2020)
  • 著者名/発表者名: Siman Fang, Atsushi Takagaki, Motonori Watanabe, Jun Tae Song, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Applied Catalysis A, General 巻: 602 ページ: 117743
  • DOI: 10.1016/j.apcata.2020.117743
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hexafluorophosphate-Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion co-intercalation for increased performance of dual-carbon battery using mixed salt electrolyte (2020)
  • 著者名/発表者名: Jose C. Madrid Madrid, Kotaro Nakamura, Keisuke Inda, Lukas Haneke, Andreas Heckmann, Joop Enno Frerichs, Michael Ryan Hansen, Tobias Placke, Martin Winter, Motonori Watanabe, Atsushi Takagaki, Taner Akbay, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 479 ページ: 229084
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.229084
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Infiltration of cerium into a NiO-YSZ tubular substrate for solid oxide reversible cells using a LSGM electrolyte film (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhe Tan, Jun Tae Song, Atsushi Takagaki, Tatsumi Ishihara
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 9 ページ: 1530-1540
  • DOI: 10.1039/d0ta08564b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dion-Jacobson-type oxide-ion conductor CsLa2Ti2NbO10 without phase transitions. (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhang, W., Fujii, K., Ishiyama, T., Kandabashi, H., Yashima, M.
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 8 ページ: 25085-25093
  • DOI: 10.1039/d0ta06135b
  • 査読あり
• [雑誌論文] A new structure family of oxide-ion conductors based on BaGdInO 4. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yaguchi, H., Fujii, K., & Yashima, M.
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 8 ページ: 8638-8647
  • DOI: 10.1039/c9ta13704a
  • 査読あり
• [雑誌論文] High proton conductivity in Ba5Er2Al2ZrO13, a hexagonal perovskite-related oxide with intrinsically oxygen-deficient layers. (2020)
  • 著者名/発表者名: Murakami, T., Hester, J. R., & Yashima, M.
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 ページ: 11653-11657
  • DOI: 10.1021/jacs.0c02403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxide-ion conduction in the Dion-Jacobson phase CsBi2Ti2NbO10. (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhang, W., Fujii, K., Niwa, E., Hagihala, M., Kamiyama, T., & Yashima, M.
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 11 ページ: 1224
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15043-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation of Ta3N5 Nanosheet by Nitridation of Monolayer Tantalum Oxide Nanosheet (2020)
  • 著者名/発表者名: Hsu, C.-W., Awaya, K., Tsushida, M., Sato, T., Koinuma, M., Ida, S.
  • 雑誌名: ChemistrySelect 巻: 5 ページ: 13761-13765
  • DOI: 10.1002/slct.2020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Water splitting using a photocatalyst with single-atom reaction sites (2020)
  • 著者名/発表者名: Hsu, C.-W., Awaya, K., Tsushida, M., Miyano, T., Koinuma, M., Ida, S.
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 ページ: 20846-20853
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c03132
  • 査読あり
• [雑誌論文] A perfectly oriented, free-standing and transparent titania nanosheet film with the band gap of a monolayer (2020)
  • 著者名/発表者名: Awaya, K., Ida, S.
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 ページ: 9811-9814
  • DOI: 10.1039/d0cc04158k
  • 査読あり
• [学会発表] Ni ナノシートの作製と水との反応性の評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 前田 昂之・鯉沼 陸央・伊田 進太郎
  • 学会等名: セラミックス協会 2021年年会
• [学会発表] スピンコート法を用いた高配向酸化チタンナノシート自立膜の作製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 粟屋 恵介・伊田 進太郎
  • 学会等名: セラミックス協会 2021年年会
• [学会発表] Effects of Cobalt Co-Doping on Mixed Ion Conductivity in La(Sr)Ga(Fe)O3 for Oxygen Separation (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara, Masahiro Kobayashi, Jun Tae Song, Atsushi Takagaki
  • 学会等名: PRiME 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Co-intercalation for Increased Performance of Dual-Carbon Battery Using Mixed Salt Electrolyte (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara, Kotaro Nakamura, Jun Tae Song, Taner Akbay
  • 学会等名: 2020 MRS Virtual Spring/Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ドーパントによるBa3Y4O9の安定化とNO直接分解活性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石原達己, 房斯曼, 高垣敦
  • 学会等名: 第36回希土類討論会
• [学会発表] Outermost Surface Analysis of Catalyst by Low Energy Ion Scattering (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi Ishihara
  • 学会等名: 応用物理学会薄膜・表面物理分科会特別研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 化学機械応力とイオニクス材料 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石原達己
  • 学会等名: 第46回固体イオニクス討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Oxide-ion conductivity in bismuth substituted PbBiO2Cl (2020)
  • 著者名/発表者名: Kluczny Pawel Maksymilian, Tatsumi Ishihara, Atsushi Takagaki, Jun Tae Song
  • 学会等名: 第46回固体イオニクス討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Ni-Fe fuel electrode layer for steam/CO2 electrolysis on Ni-YSZ supported tubular cell using LSGM electrolyte film (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhe Tan, Tatsumi Ishihara
  • 学会等名: 第29回SOFC研究発表会
• [学会発表] 強靭化セルのためのNi-Fe多孔質金属基板上へのYSZ薄膜の作成と発電特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石原達己, Kang Beyougsu
  • 学会等名: 第29回SOFC研究発表会
• [学会発表] 六方関連ペロブスカイト関連構造をもつ Ba3WNbO8.5-δの結晶構造と酸化物イオン伝導経路 (2020)
  • 著者名/発表者名: 安井雄太，八島正知，藤井孝太郎，村上泰斗，辻口峰史，James R. Hester，木本浩司，柳澤圭一
  • 学会等名: セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] 新構造型酸化物イオン伝導体 BaGdInO4の発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 矢口寛, 藤井孝太郎, 八島正知
  • 学会等名: セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] La添加によるDion-Jacobson型酸化物イオン伝導体CsBi2Ti2NbO10の 相転移の抑制 (2020)
  • 著者名/発表者名: 神田橋治恵, 張文鋭, 村上泰斗, 藤井孝太郎, 八島正知
  • 学会等名: セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] La1-xSrxO(1-x)/2F2の合成と電気伝導度の向上 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中真祐, 藤井孝太郎, 村上泰斗, 八島正知
  • 学会等名: セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] ＜111＞層状ペロブスカイト型Ba７Nb4MoO20系材料の結晶構造と電気伝導 (2020)
  • 著者名/発表者名: 作田祐一, 藤井孝太郎, 村上泰斗, 八島正知, James R. Hester
  • 学会等名: セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] 本質的な酸素欠損層を持つ新型プロトン伝導体の発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 村上泰斗，八島正知，James R. Hester
  • 学会等名: セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] Wドーピングによる六方ペロブスカイト関連酸化物Ba7Nb4MoO20の 酸化物イオン伝導度の向上 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴木雄貴、藤井孝太郎、村上泰斗、八島正知
  • 学会等名: セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] Ba3WVO8.5系酸化物イオン伝導体の電気特性と結晶構造 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菊地 優冴, 藤井 孝太郎, 村上 泰斗, 八島 正知
  • 学会等名: セラミックス協会関東支部第36回研究発表会
• [学会発表] 層状ペロブスカイト型 Ba7Nb4MoO20 系材料の結晶構造と電気伝導 (2020)
  • 著者名/発表者名: 作田祐一, 藤井 孝太郎, 村上 泰斗, 八島 正知, Hester James R
  • 学会等名: セラミックス協会関東支部第36回研究発表会
• [学会発表] 新規化合物LaSrCoO4-xHyFzの合成と電極触媒特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野澤一徳，萩原英久
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [学会発表] Co(OH)2修飾酸化チタンナノシートによる可視光酸素生成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 早川克明，萩原英久
  • 学会等名: 第30回キャラクタリゼーション講習会
• [学会発表] 酸化物ナノシート修飾光触媒による可視光酸素生成反応 (2020)
  • 著者名/発表者名: 萩原英久，早川克明
  • 学会等名: 第127回触媒討論会
• [学会発表] Development of nano-structured catalyst using oxide nanosheets (2020)
  • 著者名/発表者名: Shintaro Ida
  • 学会等名: 第50回石油・石油化学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Overall Water Splitting Using a Photocatalyst with Single-Atom Reaction Sites (2020)
  • 著者名/発表者名: HSU, Chu Wei, Ida, Shintaro
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [図書] 次世代燃料電池の最前線 （第II編、第2章） (2020)
  • 著者名/発表者名: 石原達己，朱容完、兵頭潤次
  • 総ページ数: 220
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 978-4-7813-1456-3