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「欠けた」多層カーボンナノチューブに高い触媒活性 燃料電池の触媒として期待

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「欠けた」多層カーボンナノチューブに高い触媒活性 燃料電池の触媒として期待

東京工業大学は、欠陥構造を導入した多層カーボンナノチューブが、燃料電池や金属空気電池などの空気極(正極)に応用可能な高い触媒活性を持つことを発見し、金属酸化物微粒子の触媒活性を利用して、カーボンナノチューブ表面にナノオーダの細孔を形成・制御することを実現した。この構造はカーボンナノチューブの新たな触媒活性や貯蔵特性を付与し、多方面への応用が期待される。

今回の研究では、金属や窒素を添加していない純粋な炭素触媒の活性に着目。低コストで工業生産された多層カーボンナノチューブ「VGCF™(気相法炭素繊維)」を原料に用い、炭素の壁に欠陥を形成したあと、酸素官能基を除去した多層カーボンナノチューブが高い活性を有することを見出した。

この研究で用いた新しい欠陥制御の手法は、強い酸化剤による過度な欠陥形成で多層カーボンナノチューブ構造が不安定化することなく、高結晶性と高電子伝導性を保ちながら電解液もアクセスでき、高反応活性の欠陥を高密度で形成できることに特徴がある。加えて、欠陥形成に使用した酸化コバルト触媒は酸溶液で容易に回収できる。

この欠陥形成の工程は粉体の製造で一般的に利用されている工程で、酸化コバルト触媒も容易に回収できることから、新たな設備投資が要らずランニングコストも抑えられると思われる。したがって触媒の製造コストは多層カーボンナノチューブの製造コストで決まる。多層カーボンナノチューブのコストは1万円/kg程度と言われており、貴金属の1/100以下。炭素触媒を充分に高性能化ができれば、大幅なコスト削減が可能となる。

今後の課題としては、耐久性の確認や更なる高性能化が挙げられるが、今回開発された金属や窒素をほとんど含まない触媒は、炭素系触媒の活性を理解するための重要な手掛かりとなり、燃料電池や金属-空気電池などの触媒設計に役立つと期待される。さらに、ナノ細孔を持つ多層カーボンナノチューブの構造を生かしてカーボンナノチューブの中空空間を利用したナノリアクターやドラッグデリバリーシステムなど様々な応用への展開などが期待できる。

燃料電池などの触媒は、資源的に希少で高価な白金が使われている。カーボンに金属や窒素を添加した触媒などの研究成果が報告されているが、触媒活性のメカニズムはまだ解明されておらず、従来は、炭素のみでは高活性が得られず、金属や窒素の添加が必須だと考えられてきた。

【参考】
東工大 - 多層カーボンナノチューブの高い触媒活性を発見(2014/5/14)

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