全バイオマス由来ナノ血炭電極触媒の創製と次世代電池への展開

本年度の目的は、ホヤ殻由来 CNFと血粉の混合比の変化による炭素の組成制御を行うことと、組成とORR/OER電極触媒としての相関を解明することである。まず、ホヤ殻由来セルロースナノファイバー（CNF）と血粉の混合比率を変えて焼成した「ナノ血炭」電極触媒を合成し、その組成がどのように変化するか検討を行なった。X線光電子分光の結果から、血粉のヘム鉄やタンパク、リン脂質に由来して、酸素還元反応（ORR）・酸素発生反応（OER）触媒活性に有効なFeN4構造やN、Pなどのヘテロ元素の導入が確認された。ラマン散乱測定により、得られたナノ血炭触媒がカーボンブラックと同等のグラファイト率であることも確認した。さらに、ホヤ殻由来CNFと乾燥血粉だけでなく、コバルト錯体であり、ラン藻類などに豊富に含まれるビタミンB12を混合焼成することにより、「ビタミン血炭」電極触媒を合成することに成功した。ビタミン血炭電極触媒は高いORR・OER触媒活性を示すだけでなく、水素発生反応（HER）触媒活性もあることが判明した。ORRは燃料電池や金属空気電池の放電時の正極反応であり、OERは水電解における酸素極や金属空気電池の充電反応である。また、HERは水電解の水素極反応であり、本研究で見出したナノ血炭およびビタミン血炭を電極触媒として用いることで、水素製造における水電解、水素を活用する燃料電池、次世代エネルギーデバイスとして期待される金属空気二次電池の電極反応全てに対応できる可能性が示された。次年度に向け、金属空気二次電池への実装と充放電特性の検討を進める。

本年度の目的は、ホヤ殻由来 CNFと血粉の混合比の変化による炭素の組成制御を行うことと、組成とORR/OER電極触媒としての相関を解明することである。まず、ホヤ殻由来セルロースナノファイバー（CNF）と血粉の混合比率を変えて焼成した「ナノ血炭」電極触媒を合成し、その組成がどのように変化するか検討を行なった。X線光電子分光の結果から、血粉のヘム鉄やタンパク、リン脂質に由来して、酸素還元反応（ORR）・酸素発生反応（OER）触媒活性に有効なFeN4構造やN、Pなどのヘテロ元素の導入が確認された。ラマン散乱測定により、得られたナノ血炭触媒がカーボンブラックと同等のグラファイト率であることも確認した。さらに、ホヤ殻由来CNFと乾燥血粉だけでなく、コバルト錯体であり、ラン藻類などに豊富に含まれるビタミンB12を混合焼成することにより、「ビタミン血炭」電極触媒を合成することに成功した。ビタミン血炭電極触媒は高いORR・OER触媒活性を示すだけでなく、水素発生反応（HER）触媒活性もあることが判明した。ORRは燃料電池や金属空気電池の放電時の正極反応であり、OERは水電解における酸素極や金属空気電池の充電反応である。また、HERは水電解の水素極反応であり、本研究で見出したナノ血炭およびビタミン血炭を電極触媒として用いることで、水素製造における水電解、水素を活用する燃料電池、次世代エネルギーデバイスとして期待される金属空気二次電池の電極反応全てに対応できる可能性が示された。次年度に向け、金属空気二次電池への実装と充放電特性の検討を進める。