| 研究課題/領域番号 |
26420162
|
|---|
| 研究機関 | 岐阜工業高等専門学校 |
|---|
研究代表者 |
石丸 和博 岐阜工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (60232344)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| キーワード | カーボンナノチューブ / 非平衡プラズマ / 化学気相合成 / 高酸素還元活性 / 燃料電池触媒 |
|---|
| 研究実績の概要 |
固体高分子形燃料電池の製造コスト削減と高い耐久性を目指し、特にカソード電極に必要とされる白金の代替となる高性能な触媒を合成する方法を提案する。その触媒材料として高性能が期待できる外側層に欠陥があるとともに窒素を含む多層カーボンナノチューブを取り上げ、合成法として高周波交流を印加電圧とした高い非平衡性とプラズマ制御性を有するグロー放電プラズマによる化学気相合成法を用いる。そして、このプラズマを用いた炭化水素系ガス原料（本研究ではメタン）による化学気相合成によって、高性能（高酸素還元活性）な触媒を効率的に合成するための反応制御パラメータを探る。
初年度は、カーボンナノチューブを合成するための既存のプラズマ化学気相合成装置内において、電極間各位置における生成された特定化学種の励起状態を計測するため、装置に小型発光分光装置を設置した。また、プラズマ状態の変化を観察するため、高速度カメラを設置した。そして第一段階の実験として「大気圧下での原料系ガス（メタン及び水素、ヘリウム）への窒素混合」条件を実施し、高周波交流を印加電圧とした大気圧グロー放電プラズマによる化学気相合成により、カーボンナノチューブの合成を目標とした炭素系材料の合成を行った。そして、窒素が大気圧プラズマに及ぼす影響や、合成した炭素系材料に及ぼす影響を調査・検討した。
また、同時にカーボンナノチューブ中に必要とされる欠陥を別の装置で別途与える方法を2種類考えている。一つ目は、オゾンによる部分酸化を用いる方法である。光触媒粒子充填層を用いた大気圧誘電体バリア放電によるオゾン生成を試みており、高濃度酸素原料からの高濃度・高効率オゾン生成の条件を明らかにした。2つ目は大気圧マイクロプラズマジェットを用いる方法である。特に同軸二重管構造を用いた二重マイクロプラズマジェットのプラズマ特性を明らかにした。
|
| 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
固体高分子形燃料電池に用いることができる白金代替材料となる触媒材料の合成を最終的な目標としているが、単にできれば良いというものではない。より高性能・高品質な材料、そしてよりコストが低減できるようにレベルアップしていくためには、合成手段の分析を十分に行っておくことは極めて重要である。本研究ではプラズマ励起を用いた化学気相合成を用いているが、現在、この合成手段の分析に相当するプラズマの発光スペクトル計測によるガス励起状態と合成材料の形態・性質に焦点を置いた研究が進んでおり、研究の初期段階としての成果が挙がっている。特に、所属研究機関の設備として、カーボンナノチューブ等の炭素系材料の分析・評価には欠かせない「ラマン分光装置」が導入され、当初、外部機関での分析・評価を予定していたが、これが所属研究機関で効率的にできるようになった効果は極めて大きい。
さらに、合成中に何らかの操作を加えて、カーボンナノチューブの欠陥を作るという方法とは別に、合成材料に別途操作を加えることで、これを作る方法を並行して進めている。これには、２つの手法を提案しており、一つは、オゾンによる部分酸化を利用する方法であり、もう一つは、マイクロプラズマジェットによる物理的な刺激を利用する方法である。ともに、カーボンナノチューブの化学気相合成に用いるプラズマ発生・利用技術を適用することが可能であることから、高効率化等の付加価値をもつけながら研究を進めており、その成果が挙がっている。
従って、「おおむね順調に進展している」と判断することができる。
|
| 今後の研究の推進方策 |
初年度においては、大気圧下でのグロー放電について扱ってきたが、圧力制御を施すことで減圧下でのグロー放電を用いた材料の化学気相合成を行い、そのプラズマ特性および材料特性について調査・検討を行う。
なお、燃料電池の触媒としての性能評価が十分に検討されていない点がある。これは、保有する回転リングディスク電極装置による酸素還元活性測定によって行うことができる。現在、参考文献を基に、特定のカーボンナノチューブ構造を有する炭素系材料を、燃料電池触媒にすることを目指して研究を進めている。しかし、必ずしもそうでない場合でも目標とする触媒性能を有する可能性があるので、特に材料の形態には拘らず評価を進めていく予定である。
また、カーボンナノチューブに欠陥を加えるための、部分酸化を施すオゾンの高濃度・高効率生成や、物理的刺激を加える大気圧マイクロプラズマジェットの特性制御についても、これらの手法を最終年度の研究において実際に適用するため、並行して研究を進めていく予定である。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
購入した「高感度・高速度カメラ」について、性能を落とすことなく、当初予定していた機種よりも、安価な物が購入できたことによる。
|
| 次年度使用額の使用計画 |
すでに研究を進めるうえでの実験装置は完成しているが、装置構造が実験の効率を悪くしている箇所がある。主に電極系であり、重要なパラメータとなる電界強度を決定する電極間距離の調整が非常に面倒な構造となっている。これを改良し、実験の効率化を図る。
|
