| 研究課題/領域番号 |
20K20548
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
阿尻 雅文 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (60182995)
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| 研究分担者 |
成 基明 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (30747259)
笘居 高明 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (80583351)
横 哲 東北大学, 材料科学高等研究所, 助教 (80807339)
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| 研究期間 (年度) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| キーワード | 水素製造 / 酸素キャリア / 低温廃熱 |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では、ケミカルルーピングシステムによる、低温廃熱を利用した水分解による水素製造を目的としている。本プロセスを可能にするための酸素キャリア開発に関する検討を進めており、酸素キャリアとして金属酸化物中の格子酸素の脱離と、還元した金属酸化物と水の反応による水素生成を研究している。
本年度は、300℃以下程度の低温において、高い酸化還元特性を示す材料の探索を行った。これまでに、超臨界法によるハイスループット合成により、高い酸素貯蔵能を示すことが知られているCeO2の系で、さまざまな金属種のドーピングを行い、CrをドープしたCeO2およびCeO2-ZrO2の系で、300℃という低温において、500μmol-O/gと既報と比較してはるかに高い酸素貯蔵能を示す材料を見出した。さらに、これらの材料は200℃程度の低温においても酸素移動が起こることも見出している。また、有機修飾によりこれらの材料のサイズ制御が可能であることを見出すとともに、特に酸化鉄の系では、超臨界有機修飾法により、不安定面の露出が可能であり、低温で高い酸素貯蔵能を示す菱面体形状のナノ粒子が得られることを明らかにした。
これらの材料については、計算科学により、高い酸素移動の起源を明らかにした。
また、熱重量分析により、酸素分圧を変化させて、金属酸化物からの酸素の脱離速度を評価する手法の確立を行った。一方還元された酸素キャリアと水との反応については、水素生成が起こっていることを確認し、その反応速度評価手法を確立した。
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| 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
独自に開発した超臨界法によるハイスループット合成システムにより、200℃～300℃の温度域において高い酸素貯蔵能を示す金属ドープ系の酸素キャリア材料が得られている。特に、CrドープCeO2や有機修飾CeO2-ZrO2、結晶面制御酸化鉄の系で、高い酸素貯蔵能を示す有望な結果を得ている。
金属酸化物中での酸素移動については、計算科学によって、高機能化のための表面設計に向けた、酸素移動のメカニズム解明を行い、酸素欠損生成が金属ドープにより生じやすくなることや、拡散障壁が低くなり、酸素移動が容易になることなど原子レベルでの原理解明を進めた。
また、酸素分圧の低い条件でこれらの金属酸化物から格子酸素が放出される際の、重量変化およびガス生成を分析する評価手法を確立した。これにより、酸素脱離速度の評価が可能となった。またこれまでに開発された酸素キャリアが、還元状態で水と反応し水素を生成すること確認し、その反応速度評価のための手法も整えた。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、これまでに確立した材料制御合成手法を用いて、さらに高い酸素貯蔵能を持つ材料や、低温で高い酸化還元特性を示す材料、また、高い反応速度を持つ材料の開発を継続して行う。さらに、金属の酸素キャリア上への担持法についても検討し、酸素移動のより起こりやすい金属複合酸素キャリア材料開発を行う。
また、熱重量分析および生成ガス分析により、詳細な水素・酸素生成速度データを取得する。特に、酸素キャリアの還元度と水等の分子吸着との相関を明らかとし、表面分子吸着が反応速度に与える影響を評価し、詳細な反応メカニズム解析を行う。
加えて、第一原理計算により、明らかとなってきた、原子レベルでの低温酸化還元挙動を、格子歪解析や化学状態分析結果と合わせて考察し、高い活性を生み出す原理を解明し、材料開発にフィードバックする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究課題で目指す、ケミカルルーピングシステムによる、低温廃熱を利用した水分解による水素製造は、酸素キャリアである金属酸化物中の格子酸素の脱離と、還元した金属酸化物と水の反応による水素生成から成る。両者の反応速度解析を進めていく中で、酸素キャリア表面における、水や雰囲気から混入するCO2の吸着の影響が大きく、これを解決する必要が生じた。そこで、本年度実施する予定であったCo, Pt, Ru, Ni等の助触媒金属担持による反応高速化設計を次年度に行うよう実験計画を変更したため、次年度使用額が生じた。
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