Investigation of oxygen evolution catalysts by flexible anion defect control

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層状ペロブスカイト酸化物La2-xSrxNiO4+δを対象にSr量xおよび酸素欠陥量δを制御することで、Ni価数と酸素欠陥量をそれぞれ独立に制御した材料を合成し、各因子がOER活性に与える影響を評価した。研究代表者が開発した電気化学リアクターを用いて任意量の酸素空孔および格子間酸素を導入し、Ni電子状態および酸素欠陥量を定量制御することに成功した。電気化学リアクターは酸化物イオン伝導体Y添加ZrO2を電解質として構成し、600-700℃にて、任意の酸素欠陥量を実現する平衡酸素分圧を維持することで、酸素欠陥の制御を行った。酸素欠陥がほぼ無い状態でNi価数を調整したLa2NiO4（Ni2+）、La1.8Sr0.2NiO4（Ni2.2+）、La1.6Sr0.4NiO4（Ni2.4+）はほぼ同じOER活性を示した。これは酸素欠陥が無い状態ではNi電子構造のOER活性への影響は小さいことを示唆する。先行研究で提案された「遷移金属eg電子数がOER活性の支配因子である」という仮説とは整合しない結果である。一方、Ni価数をNi2.2+で固定して酸素欠陥を調整したLa2NiO4.1（酸素空孔モル濃度：0、非占有格子間サイトモル濃度：1.9）、La1.8Sr0.2NiO4（酸素空孔モル濃度：0、非占有格子間サイトモル濃度：2.0）、La1.6Sr0.4NiO3.9（酸素空孔モル濃度：0.1、非占有格子間サイトモル濃度：2.0）においては、La2NiO4.1 = La1.8Sr0.2NiO4 < La1.6Sr0.4NiO3.9 という序列となった。これは、非占有格子間サイトはOER活性に寄与しないこと、格子酸素が欠損した酸素空孔がOER活性を有していること、を示唆する結果である。以上の結果は層状ペロブスカイト酸化物OER触媒を設計するうえで重要な知見となる。