Development of platinum-free oxygen reduction catalysts based on oxide nanosheets with tailored two-dimensional active sites

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K19187
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 谷口 貴章 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (50583415)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2020-03-31
• Keywords: 酸化物ナノシート / 酸素還元触媒

Outline of Annual Research Achievements

N/Co共ドープ型TiO2ナノシートを得るために、CoドープTiO2ナノシートとして剥離したあとに、アンモニアアニール処理を行うプロセスを新たに試みた。しかし、400oC以上のアンモニア処理で、ナノシートからナノ粒子へと分解することが明らかになった。したがって、本プロセスは共ドープ型ナノシートの合成に適合しない。そこで、新たなアニオンドーパントとして、Ｆドーピングについて検討した。フッ素ドープ酸化チタン（アナターゼ型）は高い伝導性を有することが、知られており、アナターゼ構造と類似した構造を有する酸化チタンナノシートにF-をドーピングするこで、酸素還元触媒に必須な伝導性を付与できる可能性がある。ここでは、層状酸化チタンの合成時に、Ｆ含有化合物を追加で混合し、水素下でアニールすることで、Ti3+とF-がホスト層に存在する新規な導電性レピドクロサイト型酸化チタンの合成を目指している。これまで適用した合成条件では、Ti3+からなるホランダイト型酸化チタンとレピドクロサイト型酸化チタンの混合物が得られるため、合成条件の更なる最適化が必用である。もう一つの取り組みとして、ペロブスカイト型層状酸化物の水素還元による導電性化についての研究を実施した。ここではKCa2Nb3O10とKCa2NaNb5O19を対象とした。興味深い結果としては、KCa2Nb3O10は1000oCの水素還元を行っても結晶構造と化学組成に変化がないのに対して、KCa2NaNb5O19については同処理条件で、層状結晶構造を維持したまま濃紺色に変化し、電気抵抗値もメガオームから数オームまで減少した。剥離後のナノシートにもプラズモンによる着色が見られることから、本プロセスについて研究を進めることで、目標としている導電性酸化物ナノシートが得られるメドがついた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本テーマは挑戦的であり、達成難度が高いことが想定されている。実際、これまで様々な材料と手法を適用した研究を進めたが、超活性なナノシート触媒を開発することは容易ではない。その中でも、新規な導電性ナノシートの合成について予備的成果が得られており、今後、研究を進めることで、酸化物ナノシート触媒の創出に繋げることができる状況となりつつある。

Strategy for Future Research Activity

酸化チタンナノシート、層状ペロブスカイトナノシートをモデル触媒として研究を継続し、カチオン/アニオンドーピングによる局在、非局在電子状態の協奏的制御を狙いとした触媒活性化技術を開発する。最終年度は合成実験に加えて、これまで得られた層状酸化物、ナノシートの触媒活性評価について注力する予定である。触媒活性評価についてはサイクリックボルタンメトリー法を用いて、0.5M H2SO4水溶液を酸素通気下で酸素還元電流を測定することにより触媒性能を評価する。有望なものに関しては回転リングディスク電極を用いた反応メカニズム解析を実施する。