～レアメタルを使わず燃料電池の低コスト化につながる～白金触媒の性能に迫る炭素複合材料の合成に成功

2016.08.03 11:00

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芝浦工業大学(東京都港区／学長村上雅人)材料工学科の石崎貴裕准教授は、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」を新開発しました。
次世代電池として期待されている金属空気電池の開発や既存の燃料電池の高機能化に向け、白金等のレアメタルを使わない廉価な触媒の開発が求められています。今回、石崎准教授は溶液中でプラズマを発生させることで2つのカーボン素材を複合化させ、両者の利点を併せ持つ炭素複合材料を創製しました。(特許出願中)

ソリューションプラズマ処理による合成

レアメタルを使わず常温環境下で合成でき、触媒性能も白金担持カーボンに近く、長期安定性とメタノールに対する耐久性にいたっては既存の白金担持カーボンより優れた性能を示します。今後、次世代燃料電池の正電極触媒として使用することで、エネファームのような家庭用燃料電池や電気自動車の低コスト化が進み、低炭素社会への一助となることが期待されます。

※ 精製プロセスの動画はこちらからご覧下さい(11秒)
https://youtu.be/q5ETlzs3gfU

■ポイント
(1) 白金担持カーボンと比較し、触媒能(電位)に差はあるものの、触媒活性(電流値)は同等レベル
※ PDF内の図1、2参照

(2) 正極触媒として、白金担持カーボンより優れた長期安定性とメタノールに対する高耐久性がある
※ PDF内の図3、4参照

(3) 特別な大規模設備を必要とせず、常温環境下のソリューションプラズマ処理で、安価に合成できる

参考資料 PDF
https://www.atpress.ne.jp/releases/109033/att_109033_1.jpg

■背景
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の開発が進められています。正極で酸素を還元する触媒は、高価な白金等のレアメタルが使われており、代替としてカーボン素材が注目されていますが、既存の窒素含有カーボンは白金担持カーボンに比べ触媒性能が劣るため、より高性能なカーボン材料の開発が求められていました。

■今回の成果
従来、窒素含有カーボンを合成するためには、真空プロセスであるCVD等によりグラフェン等のカーボン材料を合成し、アンモニアガス(高温処理)等で後処理を行う必要があったため、高コストでした。
本技術では、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のCNFを混合し、ソリューションプラズマで処理することで窒素含有カーボンとCNFの複合材料を合成することができるため、低コストで済みます。
加えて、カーボン材料を複合化させることで、NCNPの豊富な活性サイト(化学反応が起こる場所)とCNFの導電パス(電荷を移動させる)の相乗効果を生み出し、レアメタルなどを使用せずに、白金触媒に近い性能を引き出すことに成功しました。

※ CNFと窒素を骨格にもつ有機溶媒に対して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コンポジット材料」を合成できる。

ソリューションプラズマ処理による合成
https://www.atpress.ne.jp/releases/109033/img_109033_1.jpg
ソリューションプラズマ処理の様子
溶液中の低温非平衡プラズマで合成・処理中の液温は室温～40℃程度
https://www.atpress.ne.jp/releases/109033/img_109033_2.jpg

■今後の展開
「NCNP-CNFコンポジット材料」は、電極材料の発展に寄与するレアメタルフリーな触媒で、白金触媒の代替に繋がる技術です。今後、企業等と連携し材料の応用や実用化に向けた研究を行っていきます。

※ 本研究の成果は国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)のCRESTの支援を受けて得られたものです。