2015 Fiscal Year Annual Research Report
白金触媒代替のための非貴金属系合金ナノクラスター触媒の設計と合成
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14J10649
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
森下 哲典 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 酸素還元反応触媒 / 金属ナノクラスター / 密度汎関数法計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体高分子型燃料電池はエネルギー効率が高く、有害物質を排出しないことから、自動車の動力源やコジェネレーションシステムとして注目されている。しかし、正極の酸素還元反応の触媒として、現在稀少金属である白金が使われているため、代替触媒の開発が求められている。これまで実験を中心に触媒開発が広く行われてきたが、未だ代替触媒は見つかっておらず、白金の触媒性の起源にさかのぼって、理論に基づいた触媒開発をする必要がある。
昨年度までの研究では、13量体の白金と金、銅のナノクラスター上の酸素吸着に関与する軌道の解析を行った。その結果、白金とその他の元素では反応に寄与する軌道が異なることが分かった。この反応機構の違いに基づき、新たな触媒の設計を進めた。具体的には、フェルミエネルギー付近の非占有軌道にd軌道が多く存在するという条件を満たす材料を探した。
まず始めに、各種金属元素の電子状態がどのようになっているかを分析した。様々な元素のナノクラスターを計算し、非占有軌道に存在する軌道の種類とエネルギーを分析して、電子状態で元素を分類した。その結果、ニオブやモリブデン等の元素とd軌道が閉殻している元素を合金化すると非占有軌道のd軌道が増える可能性があることが分かった。
これに基づき、合金を設計し、初期の反応解析と同様に酸素を吸着させて反応機構を解析した。設計した合金では、非占有軌道のd軌道の量が白金に比べ少ないため、完全には白金と同じ反応は示さなかったが、この方針で設計を繰り返していくことで、より白金に近づいていくと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度の反応解析の結果を受けて、今年度は新規触媒の設計に移ることができた。設計をして、その触媒上の反応を白金と比較することによって、また、新たな要素を見つけることが可能となっている。このサイクルの繰り返しにより設計が洗練されていくため、順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
自身が設計した触媒と白金を比較して、足りない部分を補うように新しい触媒設計を続けていく。また、クラスターはサイズや構造によって電子状態が大きく変化するため、それらの条件も把握し、理論を構築しまとめていく。これにより、触媒として必要な電子状態を明確にし、さらにその電子状態を白金以外で実現するにはどうすれば良いかという結論を導き出していく。
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