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2020 年度 実績報告書

炭素ナノシート積層膜を用いた超選択的水素分離

研究課題

研究課題/領域番号 19K22087
研究機関熊本大学

研究代表者

木田 徹也  熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (70363421)

研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2021-03-31
キーワード酸化グラフェン / プロトン伝導 / 水素 / 透過膜
研究実績の概要

酸化グラフェン(GO)は、グラファイトを酸化した後、層剥離することによって大量に得られるシート状のナノ炭素材料である。我々はこの材料を部分還元することで、プロトン導電性とともに電子導電性が表れることを見出した(Chem. Mater. 26, 5598 (2014))。GOが混合導電性を示すことに着想を得て、水素透過膜の開発を行った。水素透過は確認できたものの、再現性が不良であったため、GO膜のプロトン導電性の向上を図った。Ce4+などの金属カチオンを添加することでナフィオンと同程度のプロトン導電率が発現した。また、Ceイオンをドープした酸化グラフェン膜を用いて水蒸気電解デバイスを構築できることを確認した。さらにこのCe-GO膜にPt/C電極触媒を取り付けて70~90℃で水素透過試験を行った結果、水素の透過を確認できた。インピーダンス測定の結果、80℃でプロトン導電性が最大値を示し、70℃付近で電子導電性が発現したことから、プロトン導電率と水素透過量の間には明瞭な関連性があることが判明した。さらに、Heは透過しないことを認めた。熱およびUV照射法で部分還元を行ったが、膜の酸素含有率はプロトン導電率と電子導電率に大きく影響し、両者が最大となる還元度および還元手法の開発が重要であることがわかった。一方触媒無しの場合、水素とHe両方の透過が観察された。これは、触媒層が無いため膜が薄く、加熱処理によって膜にミクロ孔が生成したためと考えられる。また、加湿しない場合にはプロトン伝導が生じず水素透過は生じなかった。以上の結果から、ミクロ孔を介した透過ではなく、電気化学的な水素透過が生じたと結論した。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Electrochemical hydrogen production from humid air using cation-modified graphene oxide membranes2021

    • 著者名/発表者名
      Hamidah Nur Laila、Shintani Masataka、Ahmad Fauzi Aynul Sakinah、Kitamura Shota、Mission Elaine G.、Hatakeyama Kazuto、Sasaki Mitsuru、Quitain Armando T.、Kida Tetsuya
    • 雑誌名

      Pure and Applied Chemistry

      巻: 93 ページ: 1~11

    • DOI

      10.1515/pac-2019-0807

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Graphene Oxide Membranes with Cerium-Enhanced Proton Conductivity for Water Vapor Electrolysis2020

    • 著者名/発表者名
      Hamidah Nur Laila、Shintani Masataka、Ahmad Fauzi Aynul Sakinah、Putri Ghina Kifayah、Kitamura Shota、Hatakeyama Kazuto、Sasaki Mitsuru、Quitain Armando T.、Kida Tetsuya
    • 雑誌名

      ACS Applied Nano Materials

      巻: 3 ページ: 4292~4304

    • DOI

      10.1021/acsanm.0c00439

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Carbon-based potentiometric hydrogen sensor using a proton conducting graphene oxide membrane coupled with a WO3 sensing electrode2020

    • 著者名/発表者名
      Ahmad Fauzi Aynul Sakinah、Hamidah Nur Laila、Sato Shinya、Shintani Masataka、Putri Ghina Kifayah、Kitamura Shota、Hatakeyama Kazuto、Quitain Armando T.、Kida Tetsuya
    • 雑誌名

      Sensors and Actuators B: Chemical

      巻: 323 ページ: 128678~128678

    • DOI

      10.1016/j.snb.2020.128678

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Energy Applications of Graphene Oxide Nanosheet membranes2020

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Kida
    • 学会等名
      International Conference on Engineering and Industrial Technology, Pattaya, Thailand (online)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 触媒担持酸化グラフェンナノシート積層膜を用いた電気化学的水素分離膜の開発2020

    • 著者名/発表者名
      北村頌太, Nur Laila Hamidah, Aynul Sakinah, Ahmad Fauzi, Armando T. Quitain, 木田徹也
    • 学会等名
      日本セラミックス協会九州支部2020年度秋季研究発表会
  • [学会発表] Hydrogen Separation Using Graphene Oxide Membrane with Mixed Proton-Electron Conductivity2020

    • 著者名/発表者名
      Shota Kitamura, Nur Laila Hamidah, Aynul Sakinah, Ahmad Fauzi, Armando T. Quitain, Tetsuya Kida
    • 学会等名
      The 15th International Student Conference on Advanced Science and Technology , Kumamoto, Japan (online)
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrochemical gas sensor based on graphene oxide membranes attached with WO3/rGO electrodes2020

    • 著者名/発表者名
      Aynul Sakinah, Ahmad Fauzi, Nur Laila Hamidah, Shota Kitamura, Kazuto Hatakeyama, Tetsuya Kida
    • 学会等名
      The 14th Graphene Oxide Symposium, Kumamoto, Japan (online)

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公開日: 2021-12-27  

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