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傷ついたナノチューブに触媒活性発見

サイエンスポータルより。
傷ついたナノチューブに触媒活性発見

CNT_visual_image.jpg

東京工業大学大学院総合理工学研究科の脇慶子准教授らの研究グループは、
欠陥構造を導入した多層カーボンナノチューブCNT)が高い触媒活性を持つことを発見したと発表しています。



CNTの触媒活性には、金属や窒素などの不純物が必要と考えられており、
炭素だけではほとんど活性がないとされていました。

TIT_CNT_altanative_Pr_process_image.png

研究グループは、コバルト酸化物の微粒子を利用し、250℃で酸化して多層カーボンナノチューブの表面に、
ナノオーダーの細い穴を形成しています。
この構造欠陥の傷がナノチューブに新しい触媒活性をもたらし、白金の触媒に近い性能を示したとの事。

具体的には炭素の酸化によってエッジに形成された酸素官能基をアルゴン雰囲気や真空中で加熱•除去した
炭素欠陥を持つ多層カーボンナノチューブ(DMWNT-Ar900)が高い触媒活性を発現することを確認しており
電流電圧(CV)測定の結果、酸素還元反応の開始電位が約0.3Vシフトし、
可逆水素電極に対して0.73V程度であることがわかった(図2(a))との事。
1.85mg/cm2の DMWNT-Ar900 触媒を空気極に用いた発電実験では、0.74V の開放起電力と
100mW/cm2以上の最大出力が得られた(図2(b))。これは金属や窒素を添加していない
炭素電極としては最も活性の高いものであるそうです。

TIT_CNT_altanative_Pr_CV_image.png

欠陥構造を導入した後の多層カーボンナノチューブに、金属の不純物はほとんど残っていなかったそうです。

TIT_CNT_altanative_Pr_CV_HAARF_image.png

確認結果としては、触媒活性の測定前後の不純物濃度を測定し、測定前に極めて低い濃度の
鉄とコバルト(0.02 原子%以下)不純物しか含まれない電極は、酸性溶液中の活性測定後に
さらに大幅に減少したことが分かり、鉄とコバルトはそれぞれ測定前の約 1/7 と 1/17 に
減少したにも関わらず、高活性に変化が見られなかったことから、
これらの不純物が活性に寄与している可能性は低いと結論づけられています。

これによりナノチューブの高い触媒活性は不純物ではなく、
人工的に形成した構造欠陥の傷によることを確かめています。

燃料電池の触媒には、希少で高価な白金などが使われていますが、
炭素に金属や窒素を加えて合成するカーボンナノチューブが触媒として研究され、実用化が検討されており、
触媒反応には金属や窒素の存在が欠かせないとみられています。
今回の発見はこうした定説を覆し、炭素だけの触媒活性をはっきり示しているとの事。

多層カーボンナノチューブは1kg当たり1万円程度と安く、白金などの貴金属の100分の1以下で、
炭素触媒として高性能化すれば、大幅なコスト削減ができます。

脇准教授は
「窒素や金属を加えて触媒活性を持たせるカーボンナノチューブの表面に、構造欠陥が多いことが、
研究のヒントになった。炭素の構造の欠陥こそが触媒活性に重要だといえる。
炭素は古い材料でありながら、新しい物性が今も次々に見つかっている。
われわれが発見したナノチューブの欠陥が触媒活性を高める仕組みはわかっていないが、
構造の傷が電子のやり取りを盛んにして、触媒活性を持つ可能性がある」と話しているとの事。

東京工業大学プレスリリース
多層カーボンナノチューブの高い触媒活性を発見

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カーボンナノチューブの構造に欠陥を形成するだけで高い触媒活性がもたらされることを、東京工業大学大学院総合理工学研究科の脇慶子(わき けいこ)准教授らが発見した。ナノチューブに傷をつけて細い穴を形成したのが奏功した。燃料電池や次世代の蓄電池に安価な触媒として将来の応用が期待される。4月14日付の英科学誌『Energy and Environmental Science』オンライン版に発表した。
研究グループは、コバルト酸化物の微粒子を利用し、250℃で酸化して多層カーボンナノチューブの表面に、ナノオーダーの細い穴を形成した。この構造欠陥の傷がナノチューブに新しい触媒活性をもたらし、白金の触媒に近い性能を示した。欠陥構造を導入した後の多層カーボンナノチューブに、金属の不純物はほとんど残っていなかった。ナノチューブの高い触媒活性は不純物ではなく、人工的に形成した構造欠陥の傷によることを確かめた。
燃料電池の触媒には、資源的に希少で高価な白金などが使われている。炭素に金属や窒素を加えて合成するカーボンナノチューブが触媒として研究され、実用化が検討されており、触媒反応には金属や窒素の存在が欠かせないとみられている。今回の発見はこうした定説を覆し、炭素だけの触媒活性をはっきり示した。
多層カーボンナノチューブは1kg当たり1万円程度と安く、白金などの貴金属の100分の1以下で、炭素触媒として高性能化すれば、大幅なコスト削減ができる。耐久性の確認や高性能化が課題だが、この研究は貴金属に変わる触媒としてナノチューブの可能性を開いた。
脇准教授は「窒素や金属を加えて触媒活性を持たせるカーボンナノチューブの表面に、構造欠陥が多いことが、研究のヒントになった。炭素の構造の欠陥こそが触媒活性に重要だといえる。炭素は古い材料でありながら、新しい物性が今も次々に見つかっている。われわれが発見したナノチューブの欠陥が触媒活性を高める仕組みはわかっていないが、構造の傷が電子のやり取りを盛んにして、触媒活性を持つ可能性がある」と話している。


カーボンナノチューブの機能化・複合化技術 (CMCテクニカルライブラリー―新材料・新素材シリーズ)カーボンナノチューブの機能化・複合化技術 (CMCテクニカルライブラリー―新材料・新素材シリーズ)
(2011/10/05)
中山 喜萬

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