2013 Fiscal Year Annual Research Report
触媒活性の最適制御による固体電解質型ガスセンサの高性能化
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25288109
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
三浦 則雄 九州大学, 産学連携センター, 教授 (70128099)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 安定化ジルコニア / 固体電解質 / ガスセンサ / 混成電位 / 環境汚染ガス / 固体電気化学 / 揮発性有機化合物 / 炭化水素 |
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| Research Abstract |
起電力、電解電流、インピーダンスなどを応答信号として利用する固体電気化学式ガスセンサは、自動車排ガスなどの環境汚染物質のモニタリングに有望である。本研究では、酸化物イオン導電体などの固体電解質を基本構成材料に用いたセンサ素子において、検知極層の気相反応活性を制御すると同時に、検知極界面における電気化学反応の触媒活性を最適制御することにより、画期的で優れたガス検知特性を引き出すことができる固体電解質ガスセンサの開発を目指す。本年度は、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）を固体電解質に用いた混成電位型ガスセンサの作製・評価を行った。以下に得られた主な結果をまとめた。
１）検知極材料として酸化タンタルと酸化亜鉛との混合組成と焼成条件を最適化し、さらに高温での長期間の加熱安定化により、水素に対して高感度かつ高選択的な応答を示すセンサが得られた。この長期間の加熱安定化では、検知極材料の表面組成や表面状態が安定化されて、水素の気相触媒活性が大幅に低減されることにより、水素に対する優れた応答特性が発現することがわかった。
２）酸化ニッケルを検知極に用い、酸化スズ触媒層とアルミナガス拡散バリア層を組み合わせることにより、揮発性有機化合物(VOC)に対して高感度なセンサ素子を得た。本素子は、触媒層でエタノールなどの干渉ガスを選択的に燃焼させることにより、トルエンなどのVOCのみが検知極界面に到達し、その結果、ppbオーダーの低濃度のVOCの選択的な検知ができることがわかった。
２）分子動力学シミュレーションを用いて、室温および500℃におけるYSZ表面へのNOの吸着挙動を解析したところ、YSZの表面酸化状態の違いにより吸脱着特性が変化することが分かった。この結果から、YSZを固体電解質に用いたガスセンサにおけるガス検知メカニズムに対する有益な知見が得られた。
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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
本年度の目標は、固体電気化学式ガスセンサによるガス高感度・高選択的検知を目指して、検知極層における気相触媒活性の制御、検知極/固体電解質界面における電気化学的触媒活性の制御、およびガスセンシング特性の評価を行うことである。この目標に対して、安定化ジルコニア固体電解質を用いた混成電位型ガスセンサにおいて、検知極の多孔質構造の制御に加え、触媒層を積層することによってガス検知特性が向上することがわかった。また、検知極材料組成の最適化によって、検知極と固体電解質界面における電気化学反応の制御が可能になった。さらに、分子動力学シミュレーションによるガスセンシングメカニズムの検討によって、高性能ガスセンサの設計指針の一つが得られた。これらの結果により、水素やVOCなどを高感度・高選択的に検知できるガスセンサを得ることができた。したがって、本年度の研究はおおむね計画通りに順調に進展したといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
固体電気化学式ガスセンサの高機能化を目指して、本年度に引き続いて検知極層の触媒活性と電気化学触媒活性の制御、センサ素子の最適構造と作動条件の検討、および特異特性発現メカニズムの明確化を行う。まず、検知極材料のモルフォロジ、結晶構造、化学組成の最適化に加え、貴金属などの触媒層の積層化によって、気相触媒活性と電気化学的触媒活性の制御を行い、ガス応答特性の向上を試みる。また、種々の検知極材料の組み合わせについて素子の最適な構造を見出すとともに、高いガス選択性が得られる作動条件を検討する。さらに、形状観察や組成分析を行うとともに、ガス吸着特性、気相酸化反応活性、複素インピーダンス特性などを測定、評価することによって検知極材料や触媒の表面状態、表面組成、電子状態、結晶構造などの因子がガス検知特性に与える影響に関して検討し、センサ作動メカニズムを明確にする。得られた知見を材料設計にフィードバックすることによって、高性能な固体電気化学ガスセンサの開発を行う。
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