イノベーション推進機構 産学連携・URA領域

九州工業大学の研究者 -私たちはこんな研究をしています-

工学研究院

助教

高瀬 聡子

たかせ さとこ

所属
工学研究院
物質工学研究系
プロフィール

合成法を変えて触媒合成を行うと活性が大きく異なるものが得られました。これから化学組成は同じでも表面形態や粒子サイズを変えることで、物質の未知の機能を見出すことができるのでは、と考えて研究を始めました。

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ナノレベルの配列制御による固体触媒の高活性化

● 研究テーマ

  • ❖燃料電池や空気電池に使われる触媒の高活性化方法の研究

● 分野

機能材料・デバイス、構造・機能材料

● キーワード

複合酸化物触媒、電極反応触媒、分子間距離制御、ナノ材料化

● 実施中の研究概要

燃料電池や空気電池に使われる触媒の研究をしています。
燃料電池とは、名前に「電池」とありますが、一種の発電装置です。水素(H₂)と酸素(O₂)を化学反応させて、電気をつくる装置です。空気電池とは、1次電池(使い捨ての乾電池)の一種で、電極の一部に大気中の酸素を使用する乾電池のことです。双方に共通して、空気(正確にはO₂)と接触して還元反応の場となる空気極(カソード)があります。O₂は空気中で安定して存在しているので、それをイオン化してあげないとスムーズに化学反応しません。O₂がイオン化するというプロセスは活性化エネルギーが高いので反応が遅いのです。つまり電気をうまく取り出すことができません。これをスムーズに行わせるために空気極に触媒が必要になります。
この触媒に、現在は白金(Pt)のような貴金属が使われていますが、高価で電池の価格を上げてしまい実用的ではありません。そこで鉄(Fe)、ニッケル(Ni)やコバルト(Co)などの貴金属でない金属を活性点として組み入れた複合酸化物や錯体分子に注目し、それらの結晶構造や分子間距離を制御して電極内に設置することで高い触媒活性を発現させることを目的として研究を行っています。

❖ 研究の社会的意義

燃料電池は水素を燃料として化学反応を利用して電気を作り、排出される物質は水だけであり、温暖化効果ガスである二酸化炭素(CO₂)や有害物質である窒素酸化物(NOx)や硫化物(SOx)などを発生しないなど、環境対応発電システムです。このような燃料電池を車や発電事業に応用できれば、温暖化抑制効果が高いと考えられています。しかしながら、実用化にはコストの低減という課題を抱えています。特に、電極触媒に使われる貴金属が燃料電池の価格を高くしています。そのため、比較的容易に手に入る遷移金属を触媒材料として検討している本研究は、この課題に応えるものです。

❖ 研究の新規性・独創性

一般に物質の化学的性質は化学式で判断されることが多いですが、結晶構造や分子間距離のようなナノレベルでの材料制御により、全く違った特性が発現することが多くあります。このような未知の特性を引き出そうとすることが目的であり、このような着眼点で行われている研究は少ないと言えます。また、固体触媒の特性は表面の特性が活性を左右するので、表面積拡大を目的とした研究は多くありますが、表面の化学状態によって触媒活性が影響されることに着目した研究は少ないです。それは、表面制御が難しいためでもあります。このような表面制御を化学反応や、電気化学反応を利用して行う試みであり、新しい結果が期待されます。研究対象は複数種の金属元素で構成される複合酸化物や金属と有機配位子で構成される金属錯体です。これらの材料の種類は無限にあり、得られる機能も未知数であるため、まだまだ研究する必要があります。

❖ 産業的応用・用途

電池から家庭・小型店舗、自動車、モバイル機器、または中型規模のオフィスビル、工場や大規模電力事業用など小規模から大規模まで幅広い発電用に拡がっています。 

❖ 研究の進捗段階

基礎研究段階で5合目くらいでしょうか?デバイス化する方法も考えながらやっています。
身近で一般的な材料を、ナノレベルで加工して未知な機能を発現させることを目的として研究しています。まだ、多くの物質が有用な材料となる可能性を秘めています。

● 今後進めたい研究

① 今まで触媒を固定させるのに高分子マトリックスを使ったり、熱処理して焼結させたりする方法を用いてきましたが、必ずしも満足のいく活性を得られたとはいえません。そういう方法を取らないで電極表面に固定する方法があれば、高活性にした触媒がそのまま活性を発現できることがあります。その一手法として、触媒に電圧を印加して電極表面で反応させ、触媒を電極の固定したいところに固定する(反応場を作る)ことを検討していきたい。

② 全く違うテーマとして、(リン酸)イオンセンサを研究しています。富栄養化の程度を調べるために、地方自治団体などがリン濃度を測定していますが、やり方といえば検体を化学的方法で処理してスペクトル測定する方法で、とても面倒なものです。リンは水の中で非常に安定な物質であるために、電気化学的なデバイスとしてのセンサがありません。難しい課題ですが、リン酸含有液に直にセンサを浸けて測定する方法(環境計測用化学センサ)にトライしています。

● 過去の共同研究、受託研究、産業界への技術移転などの実績

▶『燃料電池用電極触媒としての無置換フタロシアニン錯体α型積層薄膜の電気化学的作製』
▶『燃料電池のカソード過電圧低下効果が高いαフタロシアニン触媒層の構築と耐久性の向上』
▶『酸化物薄膜電極を用いた高性能イオンセンシングデバイスの構築』
(代表者 : 清水陽一、研究分担者 : 高瀬聡子)
▶『酸化物系薄膜電極の湿式プロセッシングと高性能イオンセンシングデバイスへの応用』
(代表者 : 清水陽一、研究分担者 : 高瀬聡子)

● 研究室ホームページ

燃料電池

水素イオン導電型燃料電池

電極反応速度過程

金属フタロシアニン