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低コストな燃料電池へ前進、レアメタル不要の触媒材料を開発

スマートジャパン 8月10日(水)7時10分配信

 芝浦工業大学は2016年8月3日、ソリューションプラズマ処理を用い、窒素含有カーボン(NCNP)とカーボンナノファイバー(CNF)からなる「NCNP-CNFコンポジット材料」を開発したと発表した。白金などのレアメタルを使わない廉価な正電極触媒として実用化できれば、燃料電池などの低コスト化に貢献できるという。

 リチウムイオン電池などに代わる次世代電池として、容量の大きい金属空気電池や燃料電池の開発が積極的に行われている。しかしこうした電池の正極で酸素を還元する触媒は、高価な白金などのレアメタルが使われており、これが電池の高コスト化につながっている。こうしたレアメタルを用いる触媒の代替として近年注目されているのがカーボン素材である。

 最近ではCNFとさまざまな素材を合成し、高性能な電極触媒の開発を目指す研究が進んでいる。今回芝浦工業大学では、CNFとNCNPの合成を目指した。合成方法は、常温環境下のソリューションプラズマ反応場である有機溶媒中に市販を混合し、ソリューションプラズマで処理するというものだ。CNFと窒素を骨格にもつ有機溶媒に対し、ソリューションプラズマ処理を行うことで、NCNPをあらかじめ用意しなくてもNCNP-CNFの複合材料を合成できるため、低コストだという。

 従来はNCNPそのものを合成するために、まず真空プロセスであるCVD(Chemical Vapor Deposition)などによってグラフェンのカーボン材料を合成し、その後アンモニアガスなどで高温処理を行う必要があった。これが高コスト化につながっていたが、今回開発した合成方法であれば、こうしたプロセスも簡略化できるメリットがある。大規模装置や高温環境を用意せずに合成できる点もコスト低減に寄与する。

白金触媒と同等の性能、劣化性能では優位に

 芝浦工業大学では、開発したNCNP-CNFの複合材料の電極触媒としての性能を検証した。白金担持カーボンと比較した場合、触媒能(電位)に差はあるものの、触媒活性(電流値)は白金触媒と同等レベルの性能を引き出すことに成功したとしている。これは、合成したNCNPの豊富な活性サイト(化学反応が起こる場所)とCNFの電荷を異動させる導電パスの相乗効果が寄与しているという。

 正極触媒としての劣化性能の比較では、市販の白金触媒より優位性が見られた。電流を流してから約11時間後の電流密度は、市販の白金触媒では63%まで減少したのに対し、NCNP-CFNコンポジット材料では85%とより優れた耐久性を示したとしている。また、測定中にメタノールを添加したところ、白金触媒は瞬時にカソード電流密度が減少したが、NCNP-CFNコンポジット材料はほとんど変化がなかった。

 芝浦工業大学は今回の研究成果をベースに、燃料電池などの低コスト化に貢献できる新材料として、企業などと連携して材料の応用や実用化に向けた研究を進める方針だ。

最終更新:8月10日(水)7時10分

スマートジャパン

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