2015 Fiscal Year Research-status Report
発電と物質合成を同時に行う化学システムを目指したカーボンアロイ複合カソードの開発
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15K00600
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
尾崎 純一 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (30214125)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石井 孝文 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (50750155)
神成 尚克 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (90743336)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | カーボンアロイ / ナノシェルカーボン / BNドープカーボン / 過酸化水素 / 酸素還元活性 / 表面塩基性 / ヘテロポリ酸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は燃料電池で発生した過酸化水素を酸化剤とした触媒を用い、電力と物質合成を同時に行う2種のカーボンアロイ材料の開発を目的とする。一つは高い酸素還元反応活性とともに過酸化水素選択性を有するカーボンアロイである。もう一つは、酸素還元反応で生成した過酸化水素を用いて効率的に有機物の酸化反応を促進する水溶性触媒物質を安定に担持するカーボンアロイである。平成２７年度は、電気化学的酸素還元反応において過酸化水素を発生する割合の高い触媒特性を持つカーボンアロイの探索と、酸化触媒として用いるヘテロポリ酸を固定化する塩基性を有するカーボンアロイ材料の調製を課題とした。
過酸化水素を生成する酸素還元触媒の探索は、我々が開発しているナノシェル含有カーボンをベースとし、ナノシェル構造を形成するために用いる金属の種類を変えることで行った。その結果、過酸化水素を多く発生するのはチタン、コバルトであった。酸素還元反応の開始電位はチタンよりもコバルトの方が高く、今後の検討ではこれらのカーボンアロイを中心に展開することにした。
BNドープカーボンは含窒素ポリマーをホウ素化合物とともに加熱して炭素化することで調製した。当初計画ではポリアクリロニトリルを原料とし、三塩化ホウ素共存下で加熱炭素化することでBNドープカーボンアロイの調製を試みた。この方法に加え、本研究では、ポリアクリロニトリルに予めホウ酸を加え炭素化した試料も調製し検討した。その結果、後者の方がより高い窒素とホウ素ドープ量を持つカーボンアロイを与えることが明らかになり、今後のヘテロポリ酸を担持する担体としてこの材料を使用することとした。
以上のように、当初の予定通りに研究を進めることができた。ただし、過酸化水素生成触媒については、まだ改良の余地があり、引き続き過酸化水素生成効率を高めていく必要がある。
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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
過酸化水素を生成する酸素還元触媒は、ナノシェル含有カーボンをベースとして調製した。本研究では、ナノシェル構造を形成する触媒として鉄、コバルト、チタン、バナジウムの第４周期金属のフタロシアニン化合物及び無置換フタロシアニンを、カーボン原料であるフェノール樹脂に添加し、これを炭素化することで検討を行った。酸素還元反応の開始電位は、鉄とコバルトを用いたときに最も高く、その他の金属を用いた場合には低い値を示した。一方、過酸化水素の発生効率は、コバルト、チタンの各フタロシアニン及び無置換フタロシアニンを用いたときに高い値が彫られている。酸素還元反応は、燃料電池の正極反応であるため、より高い開始電位を持つものが望ましい。以上より、効率的に過酸化水素を生成する触媒として、コバルトまたはチタンフタロシアニンを用いて調製したカーボンアロイ触媒が今後の研究にふさわしいものと判断され、これを基にしたさらに高効率触媒を開発することが課題となる。
ヘテロポリ酸の担体としてのカーボンアロイは、窒素とホウ素を同時にドープすることにより表面塩基性が増加することを利用するものである。本研究では含窒素ポリマーであるポリアクリロニトリルを炭素化する際に、ホウ素化合物を共存させ窒素とホウ素を含むカーボンアロイを調製する方法を採用した。ホウ素化合物としては、三塩化ホウ素とホウ酸を用いた。特にホウ酸を用いることで窒素及びホウ素のドープ量が高くなること、そして、このようにして得られた材料が塩基性を持つことが明らかになった。今回開拓したホウ酸を用いる方法及びその改良版を、今後の研究で用いることにする。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度の研究では、過酸化水素生成触媒能を持つカーボンアロイとしてコバルトもしくはチタンフタロシアニンを用い調製したナノシェルカーボンが、またヘテロポリ酸を担持する塩基性カーボンアロイとしては、ホウ酸を用いて調製するBNドープカーボンアロイが、それぞれの目的に適した材料開発の方向であることを明らかにした。
平成２８年度は、当初計画に従い以下の２点についての検討を行う。高い過酸化水素生成選択率を持つカーボンアロイ触媒を与えるコバルトまたはチタンフタロシアニンと、酸素還元活性を持つカーボンアロイ触媒を与える鉄フタロシアニンを併用することでの高い酸素還元活性と過酸化水素生成効率を併せ持つ触媒を開発する。一方、塩基性担体であるBNドープカーボンアロイに対しては、ヘテロポリ酸を含浸担持し、その触媒活性の検討を行う。また、酸素還元反応特性の変化、及び塩基性発現のメカニズムについての学術的な解明も合わせて実施していく必要がある。
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| Causes of Carryover |
平成27年度は研究に関わる消耗品に当てた金額よりも少額で実施できたため、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度は研究の新たなステージに入るため、試薬、器具が新たに必要になる。これらの支出に充当する予定である。
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Research Products
(4 results)
