2018 Fiscal Year Annual Research Report
低廉な高性能エアカソードを用いた有機物・窒素同時処理モジュールの創製
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18H01565
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
渡邉 智秀 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (60251120)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石飛 宏和 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (00708406)
窪田 恵一 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (50707510)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 微生物燃料電池 / 廃水処理 / エアカソード / 硝化脱窒 / 酸素還元反応触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
粉末活性炭を原料として、①硝酸溶液の還流または②窒素源となる尿素とともに不活性ガス雰囲気下での熱処理という異なる２つの方法で窒素ドープし、原料に比べて酸素還元反応活性（ORR活性）の高い試料が得られた。調整試料のORR活性は、前者では硝酸濃度や熱処理時間、後者では加熱温度に依存し、比表面積等の物理性状や炭素骨格へ導入された窒素や酸素の形態との関連についての知見も得られた。
適用した窒素ドープ法のそれぞれで最も高いORR活性が得られた試料を触媒に用いて作製したエアカソードを設置した一槽式MFCを対照系（原料の粉末活性炭使用）とともに所定条件下で運転したところ、触媒として使用した試料のORR活性とMFCで得られた出力の大小関係が概ね一致し、②の方法による窒素ドープ活性炭を触媒に用いたMFCの性能が最も高くなった。
この窒素ドープ活性炭を触媒に用い、触媒担持量やバインダーとなる固体電解質の添加量等を変化させて作製した触媒層を有するエアカソードを設置したMFCで実験を行い、固体電解質の添加量を従来に比べて大幅に低減可能であることならびに適切な触媒担持量等を明らかにして、エアカソードの触媒層の最適な調整条件に関わる知見を得た。また、ORR触媒に粉末活性炭、電極基材に金属メッシュを用いて作製したエアカソードを設置したMFCを運転し、低廉な金属メッシュの電極基材としての利用可能性が実証されるとともに目開き等の性状がMFCの出力や有機物除去速度等に及ぼす影響を明らかにした。
これらの検討から、金属メッシュを電極基材および窒素ドープ活性炭をORR触媒に用い、触媒層のバインダーとなる固体電解質の添加量を極力低減した低廉で高性能なエアカソードを作製する可能性が示された。
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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
初年度の取り組みを通じて、①ORR活性の高い窒素ドープ活性炭触媒の作製条件やエアカソードの触媒層における適切な触媒担持量等に関する知見が集積されるとともに、②バインダーとして従来から用いられてきた固体電解質の添加量を大幅に低減する可能性および、③電極基材として金属メッシュの適用可能性が示されたこと等、当初計画で見込んでいた低廉で高活性なエアカソードの作製へ向けた手がかりや足掛かりとなる知見が概ね得られていると判断できるため。一方で、さらなる高性能化や低廉化に寄与する作製条件や方法ならびに影響因子について検討する余地もまだあると思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
順調に進展していることもあり、当初計画に沿って窒素除去エアカソードやアノード材に関する各検討項目を遂行していく。なお、低廉で高性能なエアカソードの作製については、バインダーの種類や添加量を広範に変化させるとともに触媒層の微視的な構造や物理性状等との関係も交えて性能への影響因子を検討することに加えて、電極基材との相互関係や種類の影響についても継続して調査する。
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