課題番号 ：S-18-KU-0031
利用形態 ：機器利用
利用課題名（日本語） ：新しい電池触媒のデザインと合成とその評価
Program Title (English) ：Design, synthesis and characterization of new catalysts for fuel cell and battery
利用者名（日本語） ：西田　仁
Username (English) ：Jin Nishida
所属名（日本語） ：九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所
Affiliation (English) ：International Institute for Carbon-Neutral Research, Kyushu University

１．概要（Summary ）
効率的な空気―亜鉛電池触媒や水分解触媒開発には、高い活性を持つアノードおよびカソード触媒の合成が要求される。Pt/Cは、酸素還元能は高いが、酸素発生能が低い。一方、IrO2、RuO2は、酸素発生には効率的な電極触媒であるが、酸素還元能が低い。さらにこれらの貴金属ベースの触媒はコストが高いという欠点がある。これに対して、近年、地球に豊富な元素から成る非貴金属を素材とする触媒のデザイン、合成が産業界から望まれている。そこで、本研究では、極めて安価な鉄、ニッケルを素材として金属酸化物とカーボンナノチューブ（伝導性サポート材料）とのコンポジット触媒をデザイン、水熱合成法により合成し、それらの特性 (ナノ構造、触媒性能)を調べた。

２．実験（Experimental）
CNTをポリベンズイミダゾール(PBI)で被覆し、これを用いて、Fe(NO3)3・9H2O、Ni(NO3)2・6H2O をスクリュー管に入れて超音波照射、NH3水を加え、オイルバスで80 ℃, 20 h加熱、その後、テフロンオートクレーブに懸濁液を移し150 ℃ で所定時間加熱した。得られた懸濁液を減圧濾過し、減圧乾燥し、触媒を合成した。CNT(flotube)/PBI/ NixFe3-xO4の重量比、並びに反応時間を変化させ、触媒を合成した。合成の触媒は、以下のように７つである。ここで、(1:1,3 h)はflotube (MWNTs)/PBIとFe(NO3)3・9H2O/Ni(NO3)2・6H2Oの重量比が1:1, 水熱合成の反応時間が３時間を意味する。
flotube/PBI/NixFe3-xO4 (1:1,3 h)
flotube/PBI/NixFe3-xO4 (1:1,12 h)
flotube/PBI/NixFe3-xO4 (9:1, 12 h)
flotube/PBI/NixFe3-xO4 (9:1, 3 h)
flotube/PBI/NixFe3-xO4 (9:1, 24 h)
flotube/PBI/NixFe3-xO4 (9:1, 8 h)
flotube/PBI/NixFe3-xO4 (9:1, 16 h)

生成物は、透過型電子顕微鏡システム(TEM-EDS)、X線回折（XRD）、電子状態測定システム(XPS)などで解析した。

３．結果と考察（Results and Discussion）
合成した触媒に対して、TEM-EDS, XRD, XPS測定を行った。XPS測定からNi : Fe がおおよそ1 : 2の割合で存在しており、NiFe2O4/CNTスピネル触媒の合成が示された。また、EDSより、Fe, Ni, Oの存在を確認した。
LSVを用いて触媒のORR, OERを測定した。上記の触媒は、いずれもIr/C同等、あるいはより高い優れたOER性能を示したが、ORRはPt/Cに比べて低い性能であった。上記の触媒の中では、flotube/PBI/NixFe3-xO4 (9:1,3h および12 h)が高いOER活性を示したところ、活性を評価する10mA/cm2での電位は1.53 V vs. RHEであり、この値は、CNT/PBI/NiCo2O4やIrO2/C (1.53 V vs. RHE) とほぼ同等の活性値であり、非貴金属系アノード触媒として期待が持たれる。

４．その他・特記事項（Others）
なし

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）
なし

６．関連特許（Patent）
なし