利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2023.08.01】【最終更新日：2023.05.08】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22NI0109

利用課題名 / Title

Surface structural analysis of high-performance water electrolysis catalysts

利用した実施機関 / Support Institute

名古屋工業大学 / Nagoya Tech.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies

キーワード / Keywords

水素, 触媒, 酸化イリジウム,電子顕微鏡/Electron microscopy,ナノシート/ Nanosheet,資源使用量低減技術/ Technologies for reducing resource usage,ナノ粒子/ Nanoparticles

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

Higashi Shougo

所属名 / Affiliation

豊田中央研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

Yasutomo Goto

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NI-001：原子分解能分析電子顕微鏡群

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

水と電気から高圧純水素を生成する事が可能な高分子膜型水電解（PEMWE）システムの高効率、低コスト化が求められている。昨年までのナノテクプラットフォームを利用した検討により、酸化イリジウム（IrO₂）ナノ粒子連結不織布^文献¹を触媒層として利用することで、高い触媒活性が得られることが明らかになった。高い触媒活性の起源を明らかにするため、本研究では名工大浅香准教授と協力しJEM－ARM200Fにより表面原子配列を網羅的に触媒表面に露出する面を統計的に調べた。

実験 / Experimental

酸化イリジウム（IrO₂）ナノ粒子連結不織布を文献１の方法で作製した後、TEMグリッドに一部を切り取って転写した。表面原子配列の観察は、名工大の浅香研究室の協力の元、名工大に設置のJEM-ARMを用いて実施した。

結果と考察 / Results and Discussion

酸化イリジウム（IrO₂）ナノ粒子連結不織布を水電解用の触媒として利用した結果、高い酸素生成（OER）活性が得られることを明らかにしてきたが、今回、表面の詳細構造を調べた結果、高活性が得られた触媒はルチル型のIrO₂であり、1-3nm程度のナノ粒子であること、その表面は、ルチル型のIrO₂の平衡形ではほぼ現れない、{100}、{231}、{121}、{301}面であることが明らかになった（図１）。さらに、今回この触媒を用いて高分子膜型水電解（PEMWE）セルを作製し、PEMWEを実施したところ、少ない触媒量でエネルギー効率に優れるPEMWEを実現することができた（図２）。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図１　IrO₂ナノ構造不織布表面の典型的なHAADF-STEM像（最表面の原子配列）および、各面指数におけるHAADF-STEM像から推定された表面積とWullf法により算出された構造モデルの表面積の比較。表面積は、終端の長さを2乗することで見積もった。

図２　高い触媒活性を示したナノ粒子を触媒として利用したPEMWE評価結果。従来触媒では困難であった0.5 mg_-Ircm^-2 以下の0.2 mg_-Ircm^-2という極少量のIr量で、1Acm^-2 の実用的な水素生成量を維持しながら長期間にわたり低電圧で動作させることができた。

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

文献１　https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122030
プレスリリース
https://www.tytlabs.co.jp/cms/news/topic-20221214-2511.htmlhttps://www.tytlabs.co.jp/technology/coretechnology/material.html

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

Shougo Higashi, Ultralight conductive IrO2 nanostructured textile enables highly efficient hydrogen and oxygen evolution reaction: Importance of catalyst layer sheet resistance, Applied Catalysis B: Environmental, 321, 122030(2023).
DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.122030
Shougo Higashi, Freestanding interconnected nanocluster textiles for efficient oxygen evolution reaction, Journal of Materials Chemistry A, 8, 25061-25072(2020).
DOI: 10.1039/D0TA07707K

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：3件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：3件