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2020 年度 実績報告書

水酸化物ナノシートを用いたエネルギー変換のためのイオン伝導膜及び電極触媒の開発

研究課題

研究課題/領域番号 18H03869
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

馬 仁志  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, グループリーダー (90391218)

研究分担者 坂井 伸行  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (70431822)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
キーワードナノシート / イオン伝導 / 電極触媒 / 水電解
研究実績の概要

本年度において、層状複水酸化物(LDH)ナノシート分散液を用い、マイクロスケールの薄膜を製膜し、膜面垂直方向のイオン伝導度を大幅に向上する試みを行なった。ナノシート分散液と共沈法で合成したLDHナノプレートレット(ナノ粒子)を混合させ、濾過プロセスにより複合膜を調製した。複合膜にナノ粒子を組み込むことによって、ナノシートが再積層する際の平行配向度を低減することができ、イオン伝導経路とネットワークを効果的に形成する。その結果、LDHナノシートのみ積層する場合に比べ、複合膜における二次元的な伝導異方性が顕著に改善された。LDHナノシートとナノ粒子の含有率を調整し、複合膜において面内方向のオン伝導度を10-1 S/cm程度に維持しながら、垂直方向の伝導度が10-2 S/cmまで向上することを確認した。
また、遷移金属の配位環境と価数の制御により、4配位と6配位、2価と3価が混在しているCo2+-Fe3+水酸化物ナノコーンを創製した。Co2+-Fe3+水酸化物ナノコーンは電極触媒として酸素発生反応(OER)においての過電圧が小さく、特に優れたTOF(ターンオーバー頻度)を有することを明らかにした。
これまで合成してきたNi-FeやCo-Fe LDHにおいて、Fe含有量は触媒能に大きな影響を及ぼすことを示唆している。これに基づき、高品質の単一鉄組成Fe2+-Fe3+ LDHの合成を新たに着手した。均一沈澱法を用いることにより、空気を厳密に排除した環境の中でブルーサイト様水酸化第一鉄(Fe(OH2))の高結晶性六角形プレートレットを合成した。Fe(OH2)サンプルにヨウ素(I2)処理を施し、Fe2+を部分的酸化すると同時に、ヨウ素イオン(I-)がインターカレートされるFe2+-Fe3+ LDH結晶にトポケミカル的に変換することに成功した。

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

LDHナノシートとナノ粒子の複合膜を調製することによって、薄膜面内方向の高いオン伝導度を維持しながら、膜面垂直方向の伝導度を10-2 S/cmまで向上することができた。目標の10-1 S/cmという高伝導率を持つイオン伝導膜の創製に向けて、大きな進展が得られたと言える。
層状複水酸化物の金属組成をチューニングするとともに、配位環境と原子価の制御を行なうことによって、4/6配位と2/3価が混在しているCo2+-Fe3+水酸化物ナノコーンの創製に初めて成功した。酸素発生反応電極触媒としての活性が高く、優れたTOFを有することから、ナノ構造の高度制御により触媒能の向上につながる手かがりを得た。今後、単一鉄組成Fe2+-Fe3+ LDHの合成および特性評価を進めることによって、Fe活性サイトの触媒反応過程およびメカニズムの解明が期待される。
上述の成果から、ナノシートを用いたイオン伝導膜の開発及び高度なナノ構造デザインによる遷移金属触媒の創製に向けて順調に進展していると考える。

今後の研究の推進方策

引き続き、LDHナノシート分散液を用いたマイクロスケールの薄膜やフィルムの調製を行なう。LDHナノシートとナノ粒子の複合膜の成膜条件を最適化する一方、ナノシートをビニルアルコールなどのモノマーとの重合により、高分子骨格を有する無機ナノシート・有機樹脂の複合膜を作製する。厚さ数μm~数十μmの大面積(cmサイズ)イオン伝導膜の加工手法や作製プロセスの確立に向けて、機械的性質・力学的特性を評価しながら、主要な伝導経路である膜面垂直方向において高いイオン伝導度の達成を目指す。
同時に、新型層状複水酸化物Fe2+-Fe3+ LDHの合成および単層剥離によるナノシート化に関する研究を重点的に進める。Fe2+-Fe3+ LDHナノシートの触媒活性を系統的に評価するとともに、Fe活性サイトの反応過程およびメカニズムの解明に努める。さらに、ナノシートと2次元物質同士(グラフェン、MoS2、MXeneなど)と分子レベルの複合化により超格子材料を構築する。超格子内部のヘテロ接合界面における電荷移動および電子構造の調節に着目して、安価な電極触媒として貴金属代替可能な高性能の実現を目指す。
作製したイオン伝導膜および電極触媒をアセンブルし、膜ー電極集合体として発電や水電解試験を行なう。本研究課題の最終目標であるアルカリ環境の中で作動する燃料電池や水電解セルなどのエネルギー変換技術の創出に繋げていく。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 9件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Synthesis of Co(II)-Fe(III) Hydroxide Nanocones with Mixed Octahedral/Tetrahedral Coordination toward Efficient Electrocatalysis2020

    • 著者名/発表者名
      He Yuanqing、Liu Xiaohe、Chen Gen、Pan Jiangling、Yan Ailing、Li An、Lu Xueyi、Tang Daiming、Zhang Ning、Qiu Tingsheng、Ma Renzhi、Sasaki Takayoshi
    • 雑誌名

      Chemistry of Materials

      巻: 32 ページ: 4232~4240

    • DOI

      10.1021/acs.chemmater.0c00512

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] CoNiFe Layered Double Hydroxide/RuO2.1 Nanosheet Superlattice as Carbon-Free Electrocatalysts for Water Splitting and Li-O2 Batteries2020

    • 著者名/発表者名
      Lu Xueyi、Sakai Nobuyuki、Tang Daiming、Li Xinming、Taniguchi Takaaki、Ma Renzhi、Sasaki Takayoshi
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 12 ページ: 33083~33093

    • DOI

      10.1021/acsami.0c07656

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Strain engineering of two-dimensional multilayered heterostructures for beyond-lithium-based rechargeable batteries2020

    • 著者名/発表者名
      Xiong Pan、Zhang Fan、Zhang Xiuyun、Wang Shijian、Liu Hao、Sun Bing、Zhang Jinqiang、Sun Yi、Ma Renzhi、Bando Yoshio、Zhou Cuifeng、Liu Zongwen、Sasaki Takayoshi、Wang Guoxiu
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 11 ページ: 3297~3297

    • DOI

      10.1038/s41467-020-17014-w

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Metal-Organic Framework Hexagonal Nanoplates: Bottom-up Synthesis, Topotactic Transformation, and Efficient Oxygen Evolution Reaction2020

    • 著者名/発表者名
      Lin Yifan、Wan Hao、Wu Dan、Chen Gen、Zhang Ning、Liu Xiaohe、Li Junhui、Cao Yijun、Qiu Guanzhou、Ma Renzhi
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 142 ページ: 7317~7321

    • DOI

      10.1021/jacs.0c01916

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ultrathin Nanosheet-Assembled Co-Fe Hydroxide Nanotubes: Sacrificial Template Synthesis, Topotactic Transformation, and Their Application as Electrocatalysts for Efficient Oxygen Evolution Reaction2020

    • 著者名/発表者名
      Wang Hao、Wang Haoji、Wan Hao、Wu Dan、Chen Gen、Zhang Ning、Cao Yijun、Liu Xiaohe、Ma Renzhi
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 12 ページ: 46578~46587

    • DOI

      10.1021/acsami.0c15253

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 2D Layered Double Hydroxide Nanosheets and Their Derivatives Toward Efficient Oxygen Evolution Reaction2020

    • 著者名/発表者名
      Lu Xueyi、Xue Hairong、Gong Hao、Bai Mingjun、Tang Daiming、Ma Renzhi、Sasaki Takayoshi
    • 雑誌名

      Nano-Micro Letters

      巻: 12 ページ: 86~86

    • DOI

      10.1007/s40820-020-00421-5

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 2D Superlattices for Efficient Energy Storage and Conversion2020

    • 著者名/発表者名
      Xiong Pan、Sun Bing、Sakai Nobuyuki、Ma Renzhi、Sasaki Takayoshi、Wang Shijian、Zhang Jinqiang、Wang Guoxiu
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 32 ページ: 1902654~1902654

    • DOI

      10.1002/adma.201902654

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Two-Dimensional Molecular Sheets of Transition Metal Oxides toward Wearable Energy Storage2020

    • 著者名/発表者名
      Jiang Kun、Xiong Pan、Ji Jinpeng、Zhu Junwu、Ma Renzhi、Sasaki Takayoshi、Geng Fengxia
    • 雑誌名

      Accounts of Chemical Research

      巻: 53 ページ: 2443~2455

    • DOI

      10.1021/acs.accounts.0c00483

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Layered Metal Hydroxides and Their Derivatives: Controllable Synthesis, Chemical Exfoliation, and Electrocatalytic Applications2020

    • 著者名/発表者名
      Chen Gen、Wan Hao、Ma Wei、Zhang Ning、Cao Yijun、Liu Xiaohe、Wang Jun、Ma Renzhi
    • 雑誌名

      Advanced Energy Materials

      巻: 10 ページ: 1902535~1902535

    • DOI

      10.1002/aenm.201902535

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Two-dimensional organic-inorganic superlattice-like heterostructures for energy storage applications2020

    • 著者名/発表者名
      Xiong Pan、Wu Yunyan、Liu Yifan、Ma Renzhi、Sasaki Takayoshi、Wang Xin、Zhu Junwu
    • 雑誌名

      Energy & Environmental Science

      巻: 13 ページ: 4834~4853

    • DOI

      10.1039/d0ee03206a

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Advanced electrocatalysts based on two-dimensional transition metal hydroxides and their composites for alkaline oxygen reduction reaction2020

    • 著者名/発表者名
      Wan Hao、Chen Fashen、Ma Wei、Liu Xiaohe、Ma Renzhi
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 12 ページ: 21479~21496

    • DOI

      10.1039/d0nr05072e

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Integration of layered double hydroxide nanosheets and nanoparticles for high performance anion exchange membrane2021

    • 著者名/発表者名
      Fang Xian, Renzhi Ma, Yoshiyuki Sugahara, Takayoshi Sasaki
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会(2021)
  • [学会発表] Topochemical synthesis and anion exchange of iron (II, III) layered hydrxoides toward oxygen evolution reaction (OER)2021

    • 著者名/発表者名
      Lulu Jia, Renzhi Ma, Yoshiyuki Sugahara, Takayoshi Sasaki
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会(2021)
  • [学会発表] A High-Performance Solid Inorganic Anion Exchange Membrane via Integration of Layered Double Hydroxide Nanosheets and Nanoparticles2021

    • 著者名/発表者名
      Fang Xian, Renzhi Ma, Yoshiyuki Sugahara, Takayoshi Sasaki
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2021 jointly with ICYS
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of Highly Crystalline Fe2+-Fe3+ Layered Hydroxides via Topochemical Method Toward Oxygen Evolution Reaction (OER)2021

    • 著者名/発表者名
      Lulu Jia, Renzhi Ma, Yoshiyuki Sugahara, Takayoshi Sasaki
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2021 jointly with ICYS
    • 国際学会
  • [産業財産権] ナノ構造体、酸素発生反応用の触媒、及び、ナノ構造体の製造方法2020

    • 発明者名
      馬 仁志/フェ ユアンチン/佐々木 高義
    • 権利者名
      物質・材料研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2020-127104

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公開日: 2021-12-27  

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