再生可能電力の変換貯蔵を目指すメタルフリー有機電極触媒

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H02068
• 研究機関: 山形大学
• 研究代表者: 吉田 司 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (90273127)
• 研究分担者: Ajit Khosla 山形大学, 大学院理工学研究科, 助教 (00768484) ; 城石 英伸 東京工業高等専門学校, 物質工学科, 准教授 (30413751) ; Milano Giuseppe 山形大学, 大学院有機材料システム研究科, 教授 (30816608) [辞退]
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: エネルギー変換 / 電極触媒 / 導電性高分子 / 電気化学分析 / 分子ダイナミクスシミュレーション / 3Dプリンティング

研究実績の概要

熱酸化CVD法によるPDA触媒電極による0.2 A以上の大電流電解、1 L以上の水素製造に関するデータを含む、オーストリア、リンツ大Stadler博士らとの共著論文がAdvanced Materials誌に掲載され、メタルフリー有機電極触媒のエネルギー変換へのポテンシャルを示すことが出来た。電解重合法によるPDA製膜の最適化を進め、熱酸化CVD法によるPDAを大きく凌駕し、高性能貴金属触媒にも匹敵する100 mV未満の水素発生過電圧を達成した。水素結合性官能基を有し、電解酸化によってラジカル重合する種々のモノマーについて導電性高分子の製膜とその触媒活性評価に取組んだ。官能基を有さないポリアニリンがレドックス応答を示す一方で触媒活性を全く示さないのに対して、分子内に多数のアミノ基を有するニュートラルレッド（NR)の重合体は、比較的高いHER、CO2RR活性を示すことが分かり、水素結合性反応場の存在が基質への電子移動反応に重要な役割を果たすのに対して、導電性が高く安定なレドックスを示す高分子では電荷が分子内に安定化され、基質の捕捉と電子移動が起こらないことが分かった。すなわち、分子内電導性と水素結合性のバランスが触媒活性の発現に重要となることが確認された。
新たに検討を開始した、無機有機ハイブリッド触媒では、広バンドギャップp型半導体として振る舞うCuSCNのカソード析出において、NRを添加すると、CuSCN/NRハイブリッド薄膜が得られ、これを電解還元することで金属Cu/NRハイブリッド膜にコンバートできることが分かった。このCu/NR膜はCO2共存下での電解において徐々にそのCO2RR触媒活性が向上するユニークな挙動を示し、CuとNRが協奏的に機能する反応場が形成されることが示唆された。今後の新展開に向けた端緒となる研究成果となった。

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] ヨハネスケプラー大学リンツ(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: ヨハネスケプラー大学リンツ
• [国際共同研究] バーモント大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: バーモント大学
• [国際共同研究] ギーセン大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ギーセン大学
• [国際共同研究] 北京大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 北京大学
• [雑誌論文] Influence of Mg-doping on the characteristics of ZnO photoanodes in dye-sensitized solar cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Ringleb Andreas、Ruess Raffael、Hofeditz Nico、Heimbrodt Wolfram、Yoshida Tsukasa、Schlettwein Derck
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 23 ページ: 8393～8402
  • DOI: 10.1039/d1cp00179e
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Single-Component Organic Solar Cells Based on Intramolecular Charge Transfer Photoabsorption (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Ken-ichi、Okura Tatsuya、Okuda Yuki、Matsui Jun、Masuhara Akito、Yoshida Tsukasa、White Matthew Schuette、Yumusak Cigdem、Stadler Phillip、Scharber Markus、Sariciftci Niyazi Serdar
  • 雑誌名: Materials 巻: 14 ページ: 1200～1200
  • DOI: 10.3390/ma14051200
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photochemical Conversion of Ethanolamine-Zn2+ Complex Gel under Vacuum Ultraviolet Irradiation Associated with Color-Tunable Photoluminescence (2021)
  • 著者名/発表者名: Sun Lina、Uda Kyota、Yoshida Tsukasa、Suzuri Yoshiyuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 125 ページ: 5417～5424
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c00318
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metal‐Free Hydrogen‐Bonded Polymers Mimic Noble Metal Electrocatalysts (2020)
  • 著者名/発表者名: Coskun Halime、Aljabour Abdalaziz、Luna Phil、Sun He、Nishiumi Nobuyuki、Yoshida Tsukasa、Koller Georg、Ramsey Michael G.、Greunz Theresia、Stifter David、Strobel Moritz、Hild Sabine、Hassel Achim Walter、Sariciftci Niyazi Serdar、Sargent Edward H.、Stadler Philipp
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 32 ページ: 1902177～1902177
  • DOI: 10.1002/adma.201902177
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal structure characterization of some π-conjugated ionic crystals toward electronic applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Kodama Sota、Aoyama Shun、Tanaka Yuka、Ichijo Keisuke、Yoshida Tsukasa、Yamakado Ryohei、Okada Shuji
  • 雑誌名: Molecular Crystals and Liquid Crystals 巻: 704 ページ: 1～9
  • DOI: 10.1080/15421406.2020.1741794
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrochemical Self-Assembly of CuSCN/4-Cyano-4’-(N’-methyl)Stilbazolium Hybrid Thin Films (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuda Yuki、Suzuki Toru、Nakamura Tensho、Uda Kyota、Okada Shuji、Yamakado Ryohei、Stadler Philipp、Yoshida Tsukasa
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 97 ページ: 457～469
  • DOI: 10.1149/09707.0457ecst
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Flexible Ultraviolet Photodetectors Based on One-Dimensional Gallium-Doped Zinc Oxide Nanostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Young Sheng-Joue、Liu Yi-Hsing、Shiblee M. D. Nahin Islam、Ahmed Kumkum、Lai Lin-Tzu、Nagahara Larry、Thundat Thomas、Yoshida Tsukasa、Arya Sandeep、Furukawa Hidemitsu、Khosla Ajit
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 2 ページ: 3522～3529
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00556
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] ソーラーレドックスパワーシステムの構築に向けたエナジーキャリアの検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中鉢 智士, 岡田 吏代, 吉田 司
  • 学会等名: 電気化学会東北支部 第33回東北若手の会
• [学会発表] 新規ヘプタメチンシアニン色素の光機能マニュピレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村 純也, 斎藤 恵里佳, 山口 寛人, 山門 稜平
  • 学会等名: 電気化学会東北支部 第33回東北若手の会
• [学会発表] CuSCN/スチルバゾリウム色素ハイブリッド薄膜の電気化学的自己組織化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 津田 勇希, 上野 篤彦, 中村 天彰, 宇田 恭太, 岡田 修司, 山門 陵平, Philipp Stadler, 吉田司
  • 学会等名: 電気化学会東北支部 第33回東北若手の会
• [学会発表] アニリン／ニュートラルレッド電解共重合体の製膜と水素発生反応電極触媒機能 (2020)
  • 著者名/発表者名: 原田祐弥, 貝和春香, Philipp Stadler, 今野龍刀, 城石英伸,吉田司
  • 学会等名: 電気化学会東北支部 第33回東北若手の会
• [学会発表] CuSCN/ニュートラルレッドハイブリッド薄膜の還元変換による金属/有機ハイブリッドCO2還元電極触媒 (2020)
  • 著者名/発表者名: 津田 勇希, 中村 天彰, Philipp Stadler, 吉田 司
  • 学会等名: 電気化学会東北支部 第33回東北若手の会
• [学会発表] Synthesis of Zinc-Terephthalate Metal Organic Frameworks and Their Application to Redox Batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Chubachi, Tensho Nakamura, Shotaro Ueda, Yuji Hirai, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: PRiME 2020 (ECS, ECSJ, & KECS Joint Meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Solar-powered redox flow battery system (2020)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Chubachi, Okada Shiyori, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: The 8th international conference on smart systems engineering 2020 (SmaSys 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Electrochromic Property of Adsorbed Carboxylated Viologen on Zinc Oxide (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Yamaguchi, Erika Saito, Koya Uno, Ryohei Yamakado, shuji Okada, Tukasa Yoshida
  • 学会等名: PRiME 2020 (ECS,ECSJ, & KECS joint Meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Mechanistic studies for electrochemical self-assembly of CuSCN/Stilbazolium dye hybrid thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuki Tsuda, Toru Suzuki, Tensho Nakamura, Kyota Uda, Shuji Okada, Ryohei Yamakado, Philipp Stadler, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: PRiME 2020 (ECS, ECSJ, & KECS Joint Meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Concerted Photoluminescence of Electrochemically Self-Assembled CuSCN / Stilbazolium Dye Hybrid Thin Films (2020)
  • 著者名/発表者名: Kyota Uda, Yuki Tsuda, Shuji Okada, Ryohei Yamakado, Lina Sun, Yoshiyuki Suzuri, Matthew Schuette White, Madalina Furis, Philipp Stadler, Oleg Dimitriev, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: 237th ECS Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Tuning of Morphological, Crystallographic and Optoelectronic Properties of CuSCN By Electrodeposition (2020)
  • 著者名/発表者名: Kyota Uda, Tensho Nakamura,Yuki Tsuda, Lina Sun, Yoshiyuki Suzuri, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: PRiME 2020 (ECS,ECSJ, & KECS joint Meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of aramid paper electrodes for electrochemical applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuji Hirai, Nobuyuki Nishiumi, Ryota Sato, Akito Masuhara, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: PRiME 2020 (ECS,ECSJ, & KECS joint Meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Conducting Poly-Adenine Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction (2020)
  • 著者名/発表者名: Haruka Kaiwa, Yuya Harada, Philipp Stadler, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: RiME 2020 (ECS,ECSJ, & KECS joint Meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Electrochemical Co-Polymerization of Neutral Red and Aniline for Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuya Harada, Haruka Kaiwa, Xin Huang, Philipp Stadler, Ryuto Konno, Hidenobu Shiroishi, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: PRiME 2020 (ECS,ECSJ, & KECS joint Meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Electrochemical Nano-Turing Pattern of ZnO/Rhodamine B Hybrid Thin Film (2020)
  • 著者名/発表者名: Hana Kudo, Tensho Nakamura, Kyota Uda, Yuki Tsuda, Lina Sun, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: The 8th international conference on smart systems engineering 2020 (SmaSys2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis of Alkyl-Substituted Viologen Cation/Indanyl Anion Organic Charge Transfer Salts (2020)
  • 著者名/発表者名: Erika Saito, Taichi Yasuhara, Shuji Okada, Ryohei Yamakado, Jun Matsui, Hiroshi Katagiri, Wataru Fujiwara, Akito Masuhara, Matthew White, Randall Headrick, Tsukasa Yoshida
  • 学会等名: 237th ECS Meeting
  • 国際学会
• [備考] 吉田研究室
  • URL: http://yoshidalab.yz.yamagata-u.ac.jp/