| 研究課題/領域番号 |
17K05843
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| 研究機関 | 山口大学 |
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研究代表者 |
吉田 真明 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授(テニュアトラック) (00582206)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 水分解触媒 / オペランド観測 / X線吸収分光 / 赤外吸収分光 / 電気化学 / 軟X線 / テンダーX線 / 放射光 |
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| 研究実績の概要 |
近年、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用した水の電気分解による水素製造システムの確立に向け、水を効率的に酸化する酸素生成用の電極触媒の開発が望まれている。これまで、Mn、Co、Niといった遷移金属の酸化物が小さな過電圧で効率的に水を酸化できることが報告されており、遷移金属酸化物のナノクラスターを集積化することが一つの鍵になるものと提案されている。そのような中で研究代表者は、触媒反応が進行する状態で観測する「オペランド」X線吸収分光システムを独自に開発し、有機分子がニッケル酸化物ナノクラスターを集積化して高い酸素生成活性を発現することを明らかにしてきた。そこで本課題では、様々なオペランド分光測定システムを新たに開発し、触媒の詳細な分析を行っていくことで、精密に制御された三次元的に機能する水分解触媒の開発を目的に実験を行った。
今年度は、初年度に開発した「オペランドX線吸収分光測定装置」と「オペランド赤外吸収分光測定装置」を使用し、水分解触媒の機能解明を目指して実験を行った。まず、前者のX線分光測定装置によって、水分解触媒内の金属元素や酸素を観測し、高酸化数の遷移金属酸化物が触媒反応に寄与していることを明らかにした。続いて、後者の赤外分光測定装置によって、遷移金属酸化物に吸着した有機分子や電解質アニオンを捉えることに成功した。そのため、オペランド条件下で各元素や置換基を個別に捉えることが可能となっており、様々な触媒を系統的に調べて活性を発現する因子を特定するべく、研究を展開している。
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| 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
前述の通り、開発した「オペランドX線吸収分光装置」と「オペランド赤外吸収分光装置」を利用し、様々な触媒を観測する段階まで到達したので、進捗状況としてはおおむね順調に進展しているものと考えている。前者としては、X線の中でも低いエネルギーである軟X線やテンダーX線を用いた測定システムを高エネルギー加速器研究機構のフォトンファクトリーで行っており、触媒内の金属元素だけでなく軽元素の詳細な分析を行っている。また、赤外吸収分光測定装置では吸着した無機アニオンや有機分子を観測できるようになっており、様々な応用展開が可能となっている。そのため、オペランド条件下での硬X線・テンダーX線・軟X線を用いたX線吸収分光、赤外吸収分光、紫外可視吸収分光を組み合わせ、Co,Ni,Mnの触媒を分析する研究を行い、数種類の触媒の機能解明に成功した。例えば、電極電位の印加によってCo触媒内のCoが高酸化数に価数変化することに対応し、炭酸イオンやリン酸イオンが吸着することを発見した。また、電極電位によってNi触媒を電析した際に、有機分子や無機アニオンが吸着しており、それらが高活性な触媒反応に寄与していることを突き止めている。そのため、金属の種類や無機アニオン・有機分子の組み合わせによって触媒の状態は変化していることが示唆され、系統的に実験を行うことでその背景にある「触媒の高活性化に関連する因子」を特定することを目指し、努力をしている。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、初年度から最終年度までを通して、オペランド分光測定の高度化と開発を進め、三次元的に機能する高活性な触媒を開発することを目的にしている。これまでに測定装置の開発は行えているため、今後は、様々なタイプの触媒開発と分析を同時進行で行っていく予定である。
これまでの研究で、Mn,Co,Ni触媒の電析の際に、電解質溶液のアニオン(リン酸イオン・ホウ酸イオン・炭酸イオン)やカチオン(ナトリウムイオン・カリウムイオン・セシウムイオン)が触媒内に吸着して取り込まれるとともに、有機分子(アミノ酸、ジアミン)なども取り込まれることを明らかにしてきた。そのため、最終年度は、系統的にMn,Co,Ni遷移金属の酸化物に対して、様々なアニオン・カチオン・有機分子を含んだ触媒膜を作製し、各分析装置を用いたオペランド観測で詳細に触媒を調べる予定である。例えば、最近は炭酸イオンが高酸化数の金属酸化物を安定化していることが分かってきており、様々な触媒に適用していくことを考えている。また、触媒反応時の溶液を交換すると吸着種が入れ替わることも分かってきており、それに伴って触媒活性が劇的に変化することから、触媒作製の段取りを変えることで異なるタイプの触媒を開発できるものと考えている。これらの触媒開発には「オペランド分光測定」による触媒内の状態を分析することが必要不可欠であり、本課題に適している。
以上の一連の実験を通して触媒膜内の最適な電子状態・構造を見出し、高活性な触媒開発へつなげていきたい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度は他予算によって消耗品を購入することが可能になり、本予算での購入が減ったため。一方で、山口大学へ異動したために放射光施設への旅費が想定よりも多くかかるようになり、今年度使用しなかった分は来年度の放射光施設への旅費として使用することを計画している。
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