北見工業大学 無機材料・無機物質工学研究室

Inorganic Materials Chemistry Lab. &
Energy related Solid State Chemistry Lab
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研究内容

RESEARCH
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水の電気分解用の酸素発生触媒の開発

はじめに

日本ではエネルギー問題の解決に向けて、太陽光や風力などの再生可能エネルギーによる発電が積極的に推進されている。しかし、再生可能エネルギーによる発電は季節や天候による変動が大きく、「余剰電力で水の電気分解を行い、生成した水素を燃料用に貯蔵して電力需要の多い時に発電する」というシステムの推進が重要性を増している。このようなシステムを推進する上での最重要課題が、水の電気分解における大きなエネルギー損失である。水の電気分解は酸素発生反応と水素発生反応から成るが、特に酸素発生反応の過電圧が高く、陽極に酸素発生触媒を用いて反応の開始電位を低くする必要がある。しかし、酸素発生触媒の表面や電子構造を制御・加工するだけでは、反応の開始電位を大幅に低下させるのは難しい。また、酸素発生触媒は初期の性能以上に高い安定性が重要であり、反応の開始電位が低くかつ安定性も高い酸素発生触媒の開発が重要といえる。

私達の取り組み

余剰電力を用いた水の電気分解の最も大きな課題に、酸素発生反応の高い過電圧、すなわち大きなエネルギー損失があげられる。それゆえ、余剰電力を用いた水の電気分解を発展させるためにも、過電圧の低い酸素発生触媒の開発が求められている。我々の研究グループでは、酸素発生触媒の基礎研究に注力して、過電圧が低く、酸素発生反応に対する耐久性も高い触媒を開発することで、そのような触媒の決定因子を探索してきた。その結果、酸素発生触媒において反応に関わる電子が、電気を流しやすい「金属の性質」と電気を流しにくい「絶縁体の性質」を有する時、初期の性能が高く安定性も優れた触媒になるという知見を得ている。これは、①触媒の電気伝導率が高く電子が動きやすいと過電圧が低くなると同時に、②触媒内の電子間の相互作用が強いと触媒の構造が反応中も保持され、触媒の耐久性が高くなることによって説明できる。また、複数の陰イオンが混合した酸素発生触媒能を系統的に研究した結果、酸素欠損がある部位が中心的な役割を果たし、酸素欠損がある部位どうしの距離が十分に短いと反応中に酸素-酸素結合が形成されて、酸素発生触媒能が著しく増強されることも解明している。
我々の研究グループにおける酸素発生触媒の開発過程のイメージ図

我々の研究グループにおける酸素発生触媒の開発過程のイメージ図

今後の展開

水の電気分解セルの電極への触媒搭載を念頭に、アルカリ性ならびに酸性の電解液を使用した場合に優れた触媒能を示す酸素発生触媒を開発したいと考えている。水の電気分解セルの電極に触媒を搭載する場合、電極を大面積化した時の性能試験が重要であり、電気化学測定との整合性、電流密度・安定性の低下の観察を行う。同時に、水の電気分解セルの電極での多数回の使用を念頭に、反応の開始電位が低くかつ安定性も高い酸素発生触媒の開発も継続して行う。
助成金
2016-2018年度
科研費若手B 16K17965
2019-2020年度
日揮・実吉奨学会研究助成金
2020-2022年度
科研費基盤B 20H02831
成果
研究論文：

S. Hirai, T. Ohno, R. Uemura, T. Maruyama, M. Furunaka, R. Fukunaga, W.-T. Chen, H. Suzuki, T. Matsuda, S. Yagi, Ca1-xSrxRuO3 Perovskite at the Metal-insulator Boundary as a Highly Active Oxygen Evolution Catalyst, J. Mater. Chem. A, 7 (2019) pp.15387-15394.

S. Hirai, K. Morita, K. Yasuoka, T. Shibuya, Y. Tojo, Y. Kamihara, A. Miura, H. Suzuki, T. Ohno, T. Matsuda and S. Yagi “Oxygen vacancy-originated highly active electrocatalysts for the oxygen evolution reaction” J. Mater. Chem. A, 6 (2018) pp. 15102-15109.

S. Hirai, S. Yagi, W.‐T. Chen, F.‐C. Chou, N. Okazaki, T. Ohno, H. Suzuki and T. Matsuda, “Non-Fermi Liquids as Highly Active Oxygen Evolution Reaction Catalysts”Adv. Sci. 4 (2017) pp.1700176 (1-7).

S. Hirai, S. Yagi, A. Seno, M. Fujioka, T. Ohno and T. Matsuda “Enhancement of the oxygen evolution reaction in Mn3+-based electrocatalysts: correlation between Jahn-Teller distortion and catalytic activity” RSC Adv. 6 (2016) pp.2019-2023.

“Enhancement of the oxygen evolution reaction in Mn3+-based electrocatalysts: correlation between Jahn-Teller distortion and catalytic activity” RSC Adv. 6 (2016) pp.2019-2023.

など