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

2021 年度 実績報告書

• 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: 水酸化物 / ナノシート / イオン伝導 / 電極触媒

研究実績の概要

独自に開発したトポケミカル手法を駆使し、層状複水酸化物（LDH）の金属組成および電荷密度を精密制御できるプロセスを開発した。Co5/6-Fe1/6やCo2/3-Ni1/6-Fe1/6など金属組成をチューニングしながら２層単元構造を有する板状結晶を合成した。続いて剥離させることによって、単層ナノシートと同じ電荷密度（1/3+）を持つが、平均厚さが約1.9 nmの２層（double-layer）ナノシートの作製に初めて成功した。単層に比べ、２層ナノシートが酸素発生反応（OER）触媒として、より優れた活性と高い反応速度を示すことを明らかにした。これにより、ナノシートの層数に依存する物理・化学特性を系統的に考察するための理想的なモデルを提供できるようになった。
さらに、６配位（Oh）と４配位（Td）共存するNi-Fe　LDHナノシートを用い、静電的自己組織化過程により多種な酸化物ナノシート（RuO2.1、MnO2、還元型酸化グラフェン（rGO）等）とのヘテロ積層膜を形成した。その中で、表面にレドックス活性なLDHナノシートと下地に高導電性RuO2.1ナノシートをそれぞれ配置した２層膜が最も高いOER触媒活性を示す結果を得た。第一原理計算（DFT）とCOMSOL Multiphysicsシミュレーションを行い、表面触媒反応の電子が下地の導電性ナノシートへの効率的移動ができるヘテロ界面カプリング効果により、触媒能の向上に大きく寄与するメカニズムを解明した。
また、ナノシートから再構築した積層膜のイオン選択性はその表面電荷特性、寸法と形状に大きく影響されることを確認した。Mg-Al LDHナノシートの積層膜を長方形や三角形にカットして、イオン伝導・分離特性を評価したところ、幾何学的な制約と外部バイアス電圧を印加することにより、イオン整流効果（ダイオード特性）が得られることを実証した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Molecular-Scale Manipulation of Layer Sequence in Heteroassembled Nanosheet Films toward Oxygen Evolution Electrocatalysts (2022)
  • 著者名/発表者名: He Yuanqing、Jia Lulu、Lu Xueyi、Wang Chenhui、Liu Xiaohe、Chen Gen、Wu Dan、Wen Zuxin、Zhang Ning、Yamauchi Yusuke、Sasaki Takayoshi、Ma Renzhi
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 16 ページ: 4028～4040
  • DOI: 10.1021/acsnano.1c09615
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct Z-scheme construction of g-C3N4 quantum dots/TiO2 nanoflakes for efficient photocatalysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Xu Chengqun、Li Dezhi、Liu Xiaolu、Ma Renzhi、Sakai Nobuyuki、Yang Yuchen、Lin Shiyin、Yang Jiale、Pan Hui、Huang Janjer、Sasaki Takayoshi
  • 雑誌名: Chemical Engineering Journal 巻: 430 ページ: 132861～132861
  • DOI: 10.1016/j.cej.2021.132861
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anchoring Active Sites by Pt2FeNi Alloy Nanoparticles on NiFe Layered Double Hydroxides for Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: Zheng Zhicheng、Guo Yanru、Wan Hao、Chen Gen、Zhang Ning、Ma Wei、Liu Xiaohe、Liang Shuquan、Ma Renzhi
  • 雑誌名: ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS 巻: 5 ページ: 270～277
  • DOI: 10.1002/eem2.12164
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Atomic-scale regulation of anionic and cationic migration in alkali metal batteries (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiong Pan、Zhang Fan、Zhang Xiuyun、Liu Yifan、Wu Yunyan、Wang Shijian、Safaei Javad、Sun Bing、Ma Renzhi、Liu Zongwen、Bando Yoshio、Sasaki Takayoshi、Wang Xin、Zhu Junwu、Wang Guoxiu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1～15
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24399-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] General Synthesis of Layered Rare-Earth Hydroxides (RE = Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y) and Direct Exfoliation into Monolayer Nanosheets with High Color Purity (2021)
  • 著者名/発表者名: Bai Mingjun、Liu Xiaohe、Sakai Nobuyuki、Ebina Yasuo、Jia Lulu、Tang Daiming、Sasaki Takayoshi、Ma Renzhi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 12 ページ: 10135～10143
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c03047
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Superlattice films of semiconducting oxide and rare-earth hydroxide nanosheets for tunable and efficient photoluminescent energy transfer (2021)
  • 著者名/発表者名: Bai Mingjun、Liu Xiaohe、Sasaki Takayoshi、Ma Renzhi
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 13 ページ: 4551～4561
  • DOI: 10.1039/d0nr08824b
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photo-irradiation tunes highly active sites over β-Ni(OH)2 nanosheets for the electrocatalytic oxygen evolution reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: Liao Chengan、Xiao Ziyi、Zhang Ning、Liang Bo、Chen Gen、Wu Wei、Pan Jianglin、Liu Min、Zheng Xiang-Rong、Kang Qing、Cao Xianwu、Liu Xiaohe、Ma Renzhi
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 57 ページ: 9060～9063
  • DOI: 10.1039/d1cc03410c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Aqueous Formate‐Based Li‐CO2 Battery with Low Charge Overpotential and High Working Voltage (2021)
  • 著者名/発表者名: Xue Hairong、Gong Hao、Lu Xueyi、Gao Bin、Wang Tao、He Jianping、Yamauchi Yusuke、Sasaki Takayoshi、Ma Renzhi
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 11 ページ: 2101630～2101630
  • DOI: 10.1002/aenm.202101630
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Controllable atomic defect engineering in layered NixFe1-x(OH)2 nanosheets for electrochemical overall water splitting (2021)
  • 著者名/発表者名: Ge Jiajia、Zheng Jin You、Zhang Jiangwei、Jiang Suyu、Zhang Lili、Wan Hao、Wang Liming、Ma Wei、Zhou Zhen、Ma Renzhi
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 9 ページ: 14432～14443
  • DOI: 10.1039/d1ta02188e
• [雑誌論文] Three-in-one cathode host based on Nb3O8/graphene superlattice heterostructures for high-performance Li-S batteries (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang Chenhui、Sakai Nobuyuki、Ebina Yasuo、Kikuchi Takayuki、Snowdon Monika R.、Tang Daiming、Ma Renzhi、Sasaki Takayoshi
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 9 ページ: 9952～9960
  • DOI: 10.1039/d1ta01913a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Exfoliated Ferrierite-Related Unilamellar Nanosheets in Solution and Their Use for Preparation of Mixed Zeolite Hierarchical Structures (2021)
  • 著者名/発表者名: Roth Wieslaw J.、Sasaki Takayoshi、Wolski Karol、Ebina Yasuo、Tang Dai-Ming、Michiue Yuichi、Sakai Nobuyuki、Ma Renzhi、Cretu Ovidiu、Kikkawa Jun、Kimoto Koji、Kalahurska Katarzyna、Gil Barbara、Mazur Michal、Zapotoczny Szczepan、Cejka Jiri、Grzybek Justyna、Kowalczyk Andrzej
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 143 ページ: 11052～11062
  • DOI: 10.1021/jacs.1c04081
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Nanofluidic Anion Transport through Reconstructed Membrane of Layered Double Hydroxide Nanosheets (2022)
  • 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102春季年会(2022)
• [学会発表] Synthesis of Fe-based (oxy)hydroxides nanosheets for oxygen evolution reaction (OER) electrocatalyst (2022)
  • 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102春季年会(2022)
• [学会発表] Exploration of LDH nanosheets and their nanocomposites for emergent functions (2021)
  • 著者名/発表者名: Renzhi Ma
  • 学会等名: IIT and NIMS Materials Science Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Soft Chemical Synthesis, Hetero-assembly and Emergent Properties of 2D Functional Nanosheets (2021)
  • 著者名/発表者名: Renzhi Ma
  • 学会等名: 14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology and GOMD 2021 Division Meeting (PACRIM 14/GOMD '21)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Soft chemical synthesis and assembly of 2D nanosheets for energy-related applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Renzhi Ma
  • 学会等名: The 5th International Conference on Nanoenergy and Nanosystems 2021 (NENS2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploration of 2D Nanosheets and Their Heterostructures for Energy-related Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Renzhi Ma、Takayoshi Sasaki
  • 学会等名: 2021 International Conference on Materials Science and Engineering, Brisbane, Australia
  • 国際学会 / 招待講演