水素の高効率製造に向けた金属カルコゲナイト触媒による水電解の機構研究

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19F18346
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 野田 優 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50312997)
• 研究分担者: SENGENI ANANTHARAJ 早稲田大学, 理工学術院, 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 水電解水素製造 / 電気化学触媒 / 遷移金属カルコゲナイド / カーボンナノチューブ電極 / 水素発生反応 / 酸素発生反応

研究実績の概要

昨年度までに非貴金属系の水電解触媒の多くで表面再構成が重要なことを示してきた。2020年度はこの観点から高機能触媒の開発に取り組んだ。CoSe2をCoSeO3へと前酸化してから表面をCoOOHへ電気化学酸化すると活性なCo2+サイトが増大し高い酸素生成活性を発現すること、Niを不純物として含むCuフォームを1 mM Fe2+を含む1 M KOH水溶液中で電気化学酸化するとNixFe1-xOOHナノニードルがフォーム上に高密度に形成して高い酸素発生活性を発現すること、ニッケル硫化物をアルカリ水溶液中で電気化学酸化すると表面がアモルファスNiSx(OH)yへ再構成され高い水素生成活性を発現すること、ステンレス箔表面からCrを溶解除去したうえで電気化学還元するとNiとMnの水酸化物に表面が再構成し高い水素生成活性を発現することを見出した。また、多分野から水電解研究に参入している中、電気化学評価が不適切に行われている状況を指摘、適切な評価方法を提示した。まず、電気化学インピーダンス分光法はまちまちな条件で行われ触媒活性比較に混乱を生じている状況を指摘、モデル触媒で各条件を検討、全触媒が作用する電位で電荷移動抵抗を求めると触媒活性と良い相関が得られることを示した。また、性能評価に重要なTafelプロットは定常状態のデータに適用すべきところ、多くの研究で簡便な非定常測定である線形掃引ボルタンメトリー(LSV)やサイクリックボルタンメトリー(CV)のデータに適用されてしまっている。実際にLSVとCVでは定常状態データからずれて結果が変わることを示し、定常状態でのデータ取得の重要性を示した。さらに日々膨大に発表される関連論文を精読し、メカニズムと課題を整理したレビュー論文を複数発表した。これらは再エネ電力を用いたCO2フリー水素製造に通じる成果であり、SDG目標7,13に貢献する。

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

• [雑誌論文] Surface amorphized nickel hydroxy sulphide for efficient hydrogen evolution reaction in alkaline medium (2021)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Sugime Hisashi、Noda Suguru
  • 雑誌名: Chemical Engineering Journal 巻: 408 ページ: 127275～127275
  • DOI: 10.1016/j.cej.2020.127275
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] “The Fe Effect”: A review unveiling the critical roles of Fe in enhancing OER activity of Ni and Co based catalysts (2021)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Kundu Subrata、Noda Suguru
  • 雑誌名: Nano Energy 巻: 80 ページ: 105514～105514
  • DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105514
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A review on recent developments in electrochemical hydrogen peroxide synthesis with a critical assessment of perspectives and strategies (2021)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Pitchaimuthu Sudhagar、Noda Suguru
  • 雑誌名: Advances in Colloid and Interface Science 巻: 287 ページ: 102331～102331
  • DOI: 10.1016/j.cis.2020.102331
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pushing the Limits of Rapid Anodic Growth of CuO/Cu(OH)2 Nanoneedles on Cu for the Methanol Oxidation Reaction: Anodization pH Is the Game Changer (2021)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Sugime Hisashi、Yamaoka Shohei、Noda Suguru
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 4 ページ: 899～912
  • DOI: 10.1021/acsaem.0c02822
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strategies and Perspectives to Catch the Missing Pieces in Energy‐Efficient Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Media (2021)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Noda Suguru、Jothi Vasanth Rajendiran、Yi SungChul、Driess Matthias、Menezes Prashanth W.
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 60 ページ: 2～28
  • DOI: 10.1002/anie.202015738
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Pitfalls of Using Potentiodynamic Polarization Curves for Tafel Analysis in Electrocatalytic Water Splitting (2021)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Noda Suguru、Driess Matthias、Menezes Prashanth W.
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: 6 ページ: 1607～1611
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00608
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nickel selenides as pre-catalysts for electrochemical oxygen evolution reaction: A review (2020)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Noda Suguru
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 45 ページ: 15763～15784
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.04.073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Achieving Increased Electrochemical Accessibility and Lowered Oxygen Evolution Reaction Activation Energy for Co2+ Sites with a Simple Anion Preoxidation (2020)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Sugime Hisashi、Chen Bozhi、Akagi Natsuho、Noda Suguru
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 ページ: 9673～9684
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c00178
  • 査読あり
• [雑誌論文] Appropriate Use of Electrochemical Impedance Spectroscopy in Water Splitting Electrocatalysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Noda Suguru
  • 雑誌名: ChemElectroChem 巻: 7 ページ: 2297～2308
  • DOI: 10.1002/celc.202000515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast Growth of a Cu(OH)2?CuO Nanoneedle Array on Cu Foil for Methanol Oxidation Electrocatalysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Sugime Hisashi、Noda Suguru
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 ページ: 27327～27338
  • DOI: 10.1021/acsami.0c08979
  • 査読あり
• [雑誌論文] Boosting the oxygen evolution activity of copper foam containing trace Ni by intentionally supplementing Fe and forming nanowires in anodization (2020)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Sugime Hisashi、Chen Bozhi、Akagi Natsuho、Noda Suguru
  • 雑誌名: Electrochimica Acta 巻: 364 ページ: 137170～137170
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2020.137170
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical Leaching of Inactive Cr and Subsequent Electrochemical Resurfacing of Catalytically Active Sites in Stainless Steel for High-Rate Alkaline Hydrogen Evolution Reaction (2020)
  • 著者名/発表者名: Anantharaj Sengeni、Sugime Hisashi、Noda Suguru
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 3 ページ: 12596～12606
  • DOI: 10.1021/acsaem.0c02505
  • 査読あり
• [学会発表] Electroanalytical Techniques for water splitting: dos and don’ts (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: International webinar on ‘Electroanalytical Techniques for water splitting: dos and don’ts’ organized by The Department of Physics, Saveetha Engineering College, Chennai, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cyclic and linear sweep voltammetry: fundamentals and applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: International webinar on ‘Cyclic and linear sweep voltammetry: fundamentals and applications’ organized by The Department of Chemistry, Bhaktavatsalam memorial college for women, Chennai, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Developments in Electrocatalytic Water Splitting: Hydrogen Generation and Beyond (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: International webinar on ‘Developments in Electrocatalytic Water Splitting: Hydrogen Generation and Beyond’ organized by The Department of Physics, Kumbagonam Government Arts College, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Oxygen Electrocatalysis: The Holy Grail of Energy Conversion and Storage (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: International webinar on ‘Oxygen Electrocatalysis: The Holy Grail of Energy Conversion and Storage’ organized by The Department of Chemistry, Chennai Institute of Technology, Chennai, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fundamentals of Electrochemistry (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: An invited lecture on ‘Fundamentals of Electrochemistry’ jointly organized by The Department of Physics, Bharathiar University, Kovai and The Academy of Sciences, Chennai, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Oxygen Electrocatalysis for Sustainable Future (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: An invited lecture on ‘Oxygen Electrocatalysis for Sustainable Future’ jointly organized by The Department of Physics, Bharathiar University, Kovai and The Academy of Sciences, Chennai, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Voltammetry and Electrochemical Impedance Analysis: The Fundamentals (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: An invited lecture on ‘Oxygen Electrocatalysis for Sustainable Future’ jointly organized by Department of Physics, Bharathiar University and The Academy of Sciences, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electroanalytical Techniques and Electrocatalytic Water Splitting: Best Practices (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: A Keynote Lecture on ‘Voltammetry and Electrochemical Impedance Analysis: The Fundamentals’ jointly organized by Manonmaniyam Sundaranar University and ThermoFischer Scientific, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent Advances in the Growth of One-Dimensional Cu-based Nanostructures for Methanol Electrooxidation: Chemical vs. Electrochemical Methods (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: International Conference on Advanced Nanomaterials and Nanostructures (ICANN-2021) organized by The Department of Chemistry, Bharath Institute for Higher Education Research, Chennai, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Voltammetry and Electrochemical Impedance Analyses: Fundamentals and Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Sengeni Anantharaj
  • 学会等名: A short term course on the advanced material characterizations organized by The Department of Ceramic Engineering, IIT Varanasi (BHU), Varanasi, India
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 代表者・野田ホームページ
  • URL: http://www.f.waseda.jp/noda/index-j.html