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ビジョン
大規模グリーン水素製造技術としてアルカリ水電解（AWE; Alkaline Water Electrolysis）が注目されています。しかし、アルカリ水電解のアノードでは酸素発生反応が起こり、カソードで起こる水素発生反応に対し反応を進行するためのエネルギーが多く必要なため、水素発生効率を向上しグリーン水素のコストを下げるためのボトルネックとなっています。
現在アルカリ水電解のアノードには、コバルトを含む酸化物触媒層を形成したニッケル系電極が使用されていますが、より資源量豊富な元素を中心として用い、より高活性な電極材料の開発が求められています。
本研究では、ニッケルやコバルトに対し資源量・コストの両面から優れるステンレス鋼に着目し、ステンレス鋼をアルカリ水電解アノードとして実用化するための表面改質方法を開発します。
固体高分子型水電解はアルカリ水電解に対し、小型化が容易であることから分散型水素発生装置としての普及が期待されています。しかしながら、強酸環境であるため、触媒として貴金属を必要とし、特にアノードの酸素発生用触媒として用いられるイリジウムは極めて高価かつ希少であることから使用量の大幅な低減が求められています。
この固体高分子型水電解に関わる課題に対し、原子レベルで表面・界面構造が制御された単結晶モデル触媒を用い、イリジウムやルテニウムの酸化物を高活性・高耐久化するための指針を見出し、得られた知見をもとに、実用に適した触媒構造を提案する研究も合わせて進めています。
最終用途例
APPLICATION
ステンレス鋼電極は耐久性（耐食性）に課題がありますが、目標達成により現行のニッケル系電極をコスト、活性、耐久性の全てにおいて凌駕する新規技術が開発され、アルカリ水電解を用いた水素生成コストの低減が期待できます。
APPLICATION
固体高分子型水電解の普及に向けた最大の課題の一つである酸素発生触媒の使用量大幅低減に資する、新規触媒構造を提案し、安価かつ高性能な実用触媒の開発に貢献します。
強み
「電気化学手法による電極表面のナノレベルエッチング」、「真空蒸着法による任意の材料への原子・ナノ薄膜堆積」などにより、電極・触媒表面をナノ・原子レベルで制御し、所定の材料表面に任意の化学特性を付与することができます。
テクノロジー
ステンレス鋼に簡易な電気化学処理を施すことで高い酸素発生反応活性・活性維持率を示す触媒層の形成に成功しています。この触媒層は処理時間・印加電位などによりその厚さやナノ構造を制御できます。また、異種元素を表面ドーピングすることで耐食性を向上することができます。
スパッタ、アークプラズマ、パルスレーザー蒸着など様々な真空蒸着法を駆使し、任意の触媒構造を自在に作製し、その構造・触媒特性評価までを行なうことで、実用触媒の高性能化につながる新たな知見を得ることができます。
共同研究仮説
ステンレス鋼電極にはまだ課題がありますが、高い特性を示すことから、既存ニッケル系電極を代替する十分なポテンシャルを有します。実用化に向け、課題の解決に一緒に取り組んで頂けるパートナーを探しています。
企業様の設備で作製できない、あるいはメカニズムを解明することが困難な材料系について、真空蒸着法でよく構造制御された触媒（金属、化合物、etc.）を作製し、その評価を通じて特性の起源を明らかにすることができます。
イベント動画
研究者
2014年4月-2019年12月 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
2020年1月-現在 東北大学大学院 環境科学研究科 先端環境創成学専攻 准教授
2020年11月-現在 JSTさきがけ「反応制御」領域 研究員（兼任）
【受賞歴】
2014年 電池技術委員会賞
2018年 日本金属学会 奨励賞
2019年 原田研究奨励賞 など
【研究者ページ（Researchmap）】
https://researchmap.jp/7000010019
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