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シリサイドナノ粒子：新しいナノ材料の合成と応用

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 轟 直人

教授 和田山 智正

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現行材料：カーボン担持Ptナノ粒子

• Ptが希少かつ高価• 触媒活性が不十分

燃料電池普及のための課題

H2 O2

H+

H+

load H2Oe‐

カソード反応：酸素還元反応(ORR)O2+4H++4e‐→2H2O

固体高分子形燃料電池

数nm

研究の背景燃料電池用低白金触媒の開発

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従来の合金ナノ粒子とその合成法

従来技術• 液相合成法• Pd等の希少元素を使用• 耐久性に課題（合金化元素

溶出）

コスト低減のために、より資源量豊富な元素を合金化元素としたいが、液相法ではSiなどを使用するのは困難。

Kie et al., Electrochimica Acta, 257 (2017) 412.

例：Pt-Pd合金ナノ粒子

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新規開発材料：Ptシリサイドナノ粒子

特徴• 市販Pt/C触媒に対し約2.5倍の触媒活性

• 地殻資源量の豊富なSi（クラーク数2位）との合金ナノ粒子

Ptシリサイドナノ粒子の顕微鏡像

Pt Si

平均粒子径6nm

ドライプロセス合成により、シングルナノサイズのシリサイドナノ粒子を初めて合成

50nm

5Pt+Si

Pt

Si

Ptシリサイドナノ粒子の顕微鏡像

透過電子顕微鏡像

プローブ顕微鏡像

組成マッピング像

約6nm50nm

2nm

2nm

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Ptシリサイドナノ粒子の燃料電池触媒特性

Ptシリサイドナノ粒子は市販白金担持カーボン触媒に対し最大２.5倍の高い触媒活性を示す

試料作製温度市販Pt/C触媒に対する

活性向上率

RT 1.8

573K 2.5

723K 2.5

773K 1.9

873K 0.95

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試料名加速劣化試験10000サイクル後の

触媒活性維持率

Ptシリサイドナノ粒子 71%

PtCo合金ナノ粒子 64%

PtIr合金ナノ粒子 49%

Ptナノ粒子 59%

他の合金触媒との耐久性の比較

加速劣化試験(ADT)プロトコル

Time /sE

/V

1.0 V

0.6 V

3s

3s

3s

1サイクル

Ptシリサイドナノ粒子は他の合金触媒に対し高い耐久性を有する

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Ptシリサイドナノ粒子の電気化学的安定性

Ptナノ粒子に対しPtシリサイドナノ粒子は凝集が抑制高い構造安定性

Ptシリサイドナノ粒子6nm

7nm

50nm

50nm

ca.3nm

ca.6.3nm

耐久性試験後

5nm

10nm

作製直後

50nm

50nm

Ptナノ粒子

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想定される用途

• 燃料電池用電極触媒材料– 白金使用量低減、特性向上

• 半導体デバイス用電極材料

• 高耐食性皮膜、表面改質– 強酸に耐える極薄膜

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実用化に向けた課題

• 現在、燃料電池触媒としてモデル実験は完了済み。更なる特性向上を検討中。

• 今後、実用触媒としてカーボン粉末担持触媒の作製、燃料電池単セルでの試験などを必要とする。

• 他の応用先として、様々な材料への担持試験が必要。（基板材料種は特に選ばない）

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企業への期待

シリサイドナノ粒子を応用展開頂ける企業との連携– 粉末担体担持による実触媒化、燃料電池単セルでの発電試験

– 半導体電極等への応用

– 液相法では合成出来ないナノ粒子（シリサイドに限らず）を検討中の企業との共同研究

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：ナノ粒子およびナノ粒子の製造法

• 出願番号 ：特願2017-203904• 出願人 ：東北大学• 発明者 ：和田山智正、轟直人、

高橋俊太郎

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産学連携の経歴

NEDO「固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発／次世代技術開発」実施

自動車メーカーA社と共同研究実施

NEDO「固体高分子形燃料電池実用化推進技術開発／基盤技術開発／低白金化技術」実施

JST ALCA探索ステージ実施

NEDO「固体高分子形燃料電池利用高度化技術開発事業／普及拡大化基盤技術開発／先進低白金化技術開発」実施中

筆頭発明者：和田山智正

• 2007-2009

• 2009-2011

• 2010-2014

• 2011-2012

• 2015-

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お問い合わせ先

東北大学 産学連携機構 総合連携推進部

産学連携コーディネーター 松野、菅田

ＴＥＬ 022－217－6043

ＦＡＸ 022－217－6047

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