2016 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication of High-Performance Oxygen Reduction Electrode Catalysts Using Ionic Liquid-Quantum Beam Irradiation Method
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15H03591
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
津田 哲哉 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90527235)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清野 智史 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90432517)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 量子ビーム / 電極触媒 / 燃料電池 / イオン液体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
イオン液体への量子ビーム（加速器電子線、ガンマ線など）照射によるナノ粒子調製法（イオン液体－量子ビーム照射法）は、還元剤や生成したナノ粒子の安定化剤を使用することなく、アルミニウムやマグネシウムなどの卑金属を含む多岐にわたる種類のナノ粒子が合成できる。本年度は、この手法において、単なる反応媒体として扱われてきたイオン液体の特異な性質をナノ粒子の機能性向上に積極的に利用することで、固体高分子形燃料電池用電極触媒の開発における重要な検討課題である、白金使用量の削減、電極触媒能の向上、炭素担体の安定性向上といった課題の克服を目指すための知見の収集、ならびに、本研究に適した安価なイオン液体の探索にも取り組んだ。これまでの研究によって、同様の手法による白金-ニッケル合金ナノ粒子が合成できることは分かっているが、その収率は他の貴金属系ナノ粒子と比較して著しく低い。その原因を明らかとするため、種々のイオン液体を用いて白金-ニッケルナノ粒子の合成を検討した。しかしながら、いずれのイオン液体においても、白金ナノ粒子は得られるが、ニッケルナノ粒子や白金-ニッケルナノ粒子を得ることは難しかった。量子ビームの照射時に、酸化性ラジカルがより発生しやすいと考えられるフッ化物系アニオンを含むイオン液体を用いずに同様の実験を行っても、結果に大きな差異は認められなかった。さらに、対象とする金属種をニッケルから鉄やコバルトに変えても、状況は全く変化しなかった。ニッケルの属する10族で比較すると、第5周期のパラジウムや第6周期の白金についてはナノ粒子が得られているため、これはアニオン種には依存しない鉄族元素に特有の現象であることが強く示唆された。この研究を行う過程において、合成が容易で安価な塩化物系イオン液体の利用を可能とする重要な知見が得られた。
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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
固体高分子形燃料電池用の酸素還元電極触媒として有望であると考えられている白金－ニッケル、白金－コバルト、白金－鉄ナノ粒子の合成をイオン液体－量子ビーム照射法により、大量合成することを試みたが、予想通りの成果は得られなかった。その原因を明らかとするため、様々な研究を行ったが、鉄族元素についてはナノ粒子が特異的に生成されにくいということが明らかとなった。イオン液体を用いた他のナノ粒子調製法、例えば、イオン液体－スパッタリング法（Torimoto, et al., Appl. Phys. Lett., 89, 243117 (2006); Yoshii, et al., J. Mater. Chem. A, 4, 12152-12157 (2016).）でも同様の傾向が得られており、ナノ粒子調製法に依存しない鉄族元素に特有の現象のようである。一方、白金やパラジウムなどのナノ粒子を大量合成するための基礎的知見については十分に得ることができている。また、産業化の際に必要となるスケールで利用できるイオン液体種についても、ある程度の目途が立った。ターゲットとするナノ粒子の一部が予想通りに合成できないといったアクシデントを除いては、当初の予定通りに研究は進んでおり、最終年度にイオン液体－量子ビーム照射法を利用した酸素還元電極触媒の創製とその評価が可能な状況にあるため、本研究はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、前年度までに得られた知見を最大限に活用することで、スズやインジウム、アルミニウムなどの卑金属との組み合わせによる白金合金ナノ粒子やコアシェルナノ粒子の作製に取り組む。これらの金属種のナノ粒子を水溶液系で得ることは難しいが、既に、スズやアルミニウムのナノ粒子が得られることは確認できているため、これを白金合金ナノ粒子やコアシェルナノ粒子の合成へ展開することに技術的な障壁は少ないと考えている。得られたコアシェルナノ粒子の形態や組成は、高分解能透過型電子顕微鏡（TEM）によって行い、構造や組成制御に必要な基礎的知見を蓄積する。得られたナノ粒子は、研究代表者らが確立した手法により炭素担体への担持を行う。このようにして得られたナノ粒子担持炭素材料をグラッシーカーボン円板電極上に適量塗布し、その上からナフィオン溶液を滴下するなどの方法により準備する。ここで用いるナノ粒子担持法はイオン液体の効果によって炭素腐食を防ぐことができるため、炭素担体には安価なカーボンブラックを利用する。得られた電極の触媒能については、酸素飽和過塩素酸水溶液中での電気化学測定により明らかとする。さらに、回転リングディスク電極装置を用いることにより、様々な電気化学パラメーターの算出が可能となるため、これについても調査する。これらの結果は次の電極触媒材料を合成する際のデータとして活用する。本研究においては、触媒に卑金属を用いるため、酸素還元触媒能の評価前後において、その形態や組成が大きく変化することが考えられる。そのため、その変化の様子については高分解能TEMにより、原子レベルで捉える。また、白金の電子状態に関する情報は電極触媒を設計する上で極めて重要であるため、X線光電子分光（XPS）測定も十分に活用する。これらの取り組みによって、より高機能な燃料電池用酸素還元触媒の合成を目指す。
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Research Products
(15 results)
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[Journal Article] In situ Scanning Electron Microscopy of Silicon Anode Reactions in Lithium-Ion Batteries during Charge/Discharge Processes2016
Author(s)
Chih-Yao Chen, Teruki Sano, Tetsuya Tsuda, Koichi Ui, Yoshifumi Oshima, Masaki Yamagata, Masashi Ishikawa, Masakazu Haruta, Takayuki Doi, Minoru Inaba, and Susumu Kuwabata
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 6
Pages: 36153
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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