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シリサイドナノ粒子:新しいナノ材料の合成と応用
東北大学 大学院環境科学研究科先端環境創成学専攻
助教 轟 直人
教授 和田山 智正
2
現行材料:カーボン担持Ptナノ粒子
• Ptが希少かつ高価• 触媒活性が不十分
燃料電池普及のための課題
H2 O2
H+
H+
load H2Oe‐
カソード反応:酸素還元反応(ORR)O2+4H++4e‐→2H2O
固体高分子形燃料電池
数nm
研究の背景燃料電池用低白金触媒の開発
3
従来の合金ナノ粒子とその合成法
従来技術• 液相合成法• Pd等の希少元素を使用• 耐久性に課題(合金化元素
溶出)
コスト低減のために、より資源量豊富な元素を合金化元素としたいが、液相法ではSiなどを使用するのは困難。
Kie et al., Electrochimica Acta, 257 (2017) 412.
例:Pt-Pd合金ナノ粒子
4
新規開発材料:Ptシリサイドナノ粒子
特徴• 市販Pt/C触媒に対し約2.5倍の触媒活性
• 地殻資源量の豊富なSi(クラーク数2位)との合金ナノ粒子
Ptシリサイドナノ粒子の顕微鏡像
Pt Si
平均粒子径6nm
ドライプロセス合成により、シングルナノサイズのシリサイドナノ粒子を初めて合成
50nm
5Pt+Si
Pt
Si
Ptシリサイドナノ粒子の顕微鏡像
透過電子顕微鏡像
プローブ顕微鏡像
組成マッピング像
約6nm50nm
2nm
2nm
6
Ptシリサイドナノ粒子の燃料電池触媒特性
Ptシリサイドナノ粒子は市販白金担持カーボン触媒に対し最大2.5倍の高い触媒活性を示す
試料作製温度市販Pt/C触媒に対する
活性向上率
RT 1.8
573K 2.5
723K 2.5
773K 1.9
873K 0.95
7
試料名加速劣化試験10000サイクル後の
触媒活性維持率
Ptシリサイドナノ粒子 71%
PtCo合金ナノ粒子 64%
PtIr合金ナノ粒子 49%
Ptナノ粒子 59%
他の合金触媒との耐久性の比較
加速劣化試験(ADT)プロトコル
Time /sE
/V
1.0 V
0.6 V
3s
3s
3s
1サイクル
Ptシリサイドナノ粒子は他の合金触媒に対し高い耐久性を有する
8
Ptシリサイドナノ粒子の電気化学的安定性
Ptナノ粒子に対しPtシリサイドナノ粒子は凝集が抑制高い構造安定性
Ptシリサイドナノ粒子6nm
7nm
50nm
50nm
ca.3nm
ca.6.3nm
耐久性試験後
5nm
10nm
作製直後
50nm
50nm
Ptナノ粒子
9
想定される用途
• 燃料電池用電極触媒材料– 白金使用量低減、特性向上
• 半導体デバイス用電極材料
• 高耐食性皮膜、表面改質– 強酸に耐える極薄膜
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実用化に向けた課題
• 現在、燃料電池触媒としてモデル実験は完了済み。更なる特性向上を検討中。
• 今後、実用触媒としてカーボン粉末担持触媒の作製、燃料電池単セルでの試験などを必要とする。
• 他の応用先として、様々な材料への担持試験が必要。(基板材料種は特に選ばない)
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企業への期待
シリサイドナノ粒子を応用展開頂ける企業との連携– 粉末担体担持による実触媒化、燃料電池単セルでの発電試験
– 半導体電極等への応用
– 液相法では合成出来ないナノ粒子(シリサイドに限らず)を検討中の企業との共同研究
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :ナノ粒子およびナノ粒子の製造法
• 出願番号 :特願2017-203904• 出願人 :東北大学• 発明者 :和田山智正、轟直人、
高橋俊太郎
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産学連携の経歴
NEDO「固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発/次世代技術開発」実施
自動車メーカーA社と共同研究実施
NEDO「固体高分子形燃料電池実用化推進技術開発/基盤技術開発/低白金化技術」実施
JST ALCA探索ステージ実施
NEDO「固体高分子形燃料電池利用高度化技術開発事業/普及拡大化基盤技術開発/先進低白金化技術開発」実施中
筆頭発明者:和田山智正
• 2007-2009
• 2009-2011
• 2010-2014
• 2011-2012
• 2015-
14
お問い合わせ先
東北大学 産学連携機構 総合連携推進部
産学連携コーディネーター 松野、菅田
TEL 022-217-6043
FAX 022-217-6047
e-mail liaison@rpip.tohoku.ac.jp