| 研究課題/領域番号 |
19K05673
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| 研究機関 | 熊本大学 |
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研究代表者 |
鯉沼 陸央 熊本大学, 産業ナノマテリアル研究所, 准教授 (70284742)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 酸化グラフェン / 燃料電池 / 酸素還元反応 / 単層ナノシート |
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| 研究実績の概要 |
酸化グラフェン(GO）を用いて燃料電池のカソードで起こる酸素還元反応(ORR)の活性向上と単一の酸素官能基（エポキシ基）だけを持つ1nm程度の厚さの単層酸化グラフェンナノシートの作製に成功した。
具体的には、鉄フタロシアニン(FePc)を酸化グラフェン表面に高分散させたFePc/GOをKOH世溶液中で電気化学的に還元させて作製した電極では、一般的に燃料電池のカソード極として利用されているPt/Cを凌ぐ酸素還元反応の活性を示した。塩化物イオンや硝酸イオンなどを混在させると、さらに高い活性になった。これは、XPSによる解析の結果、電解質の添加によりFeがORR高活性な2価に保たれること、またDFT計算の結果、添加したCl－、NO3－によってORR中間体が不安定化され、中間反応のエネルギー障壁が小さくなることでORR活性が向上することが分かった。ただし、燃料電池特性では、起電力はPt/C2とほぼ同等であったが最大出力密度は1/2程度となった。これは大気中でFeが2価から3価に酸化されてしまい、活性が低下するためだと考えられ、最終年度の検討課題である。
これまでの酸化グラフェンの単層ナノシートでは、エポキシ基だけでなく、ヒドロキシル基、カルボキシル基が表面に存在していたが、発煙硝酸を用いるBrodie法で作成した酸化グラファイトをアンモニア中を用いて剥離すると酸素官能基としてエポキシ基のみが存在する単層の酸化グラフェンナノシートを作製することができた。最終年度では、このナノシートを用いて、燃料電池特性を評価する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
新型コロナウイルス感染症のため、実験時間の制限や使用を予定していた装置が使用できず、燃料電池などのデバイス構築に必要な酸化グラフェンの作製が当初の予定よりも遅れてしまった。しかし、目的としていた酸素官能基としてエポキシ基だけを有する新規な酸化グラフェンナノシートの作製に成功したので、最終年度で研究の遅れを取り戻すことは可能であると考えている
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| 今後の研究の推進方策 |
鉄フタロシアニンと酸化グラフェンとのハイブリッド電極で、Pt/Cよりも活性の高いカソード極として働くことがこれまでの研究で分かった。また、エポキシ基が燃料電池特性に重要なプロトン伝導のサイトとして働くこともわかっているので、新規に作製できたエポキシ基だけの酸化グラフェンを用いて、燃料電池特性を評価する。また、予備検討でエポキシ基のみの酸化グラフェンは、金属イオンの移動をかなり抑制することが分かったので、イオン交換膜およびキャパシタとしての特性を評価する予定である
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウイルス感染症のため、当初予定していた海外での学会が中止になったために、旅費を使用できなかった。今年度の後半に状況が許せば、海外での学会発表を行う予定である。また、測定を希望していた装置も新型コロナウイルス感染症のために使用できなかった。
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