電池・キャパシタの高性能化に向けた２次元ナノシート材料の開発

Keywords: 2次元材料、イオン伝導、電極触媒

馬 仁志MA.Renzhi@nimsgo.jp | http://www.nims.go.jp/mana/jp/member/nano_materials.html#4

高効率な燃料電池または水電解装置を実現するためにはイオンを高速で伝導させる電解質と高

活性な電極触媒が不可欠

伝導イオンとして水酸化物イオンを用いるアルカリ性環境の中では、Fe, Co, Ni, Mn等の遷移金属

元素による安価な非貴金属電極触媒が使用でき、コストの大幅な低減が可能

究極の２次元異方性を持つナノシートを用いた新型水酸化物イオン伝導膜

安価な3d遷移金属元素からなる貴金属フリー電極触媒

高性能のアルカリ燃料電池及び水電解装置等のエネルギー貯蔵・変換システム

[1] Sun PZ, Ma R, et al., Single-layer nanosheets with exceptionally high and anisotropic hydroxyl ion conductivity, Science Advances 3, e1602629, 2017.[2] Ma W, Ma R, et al., A superlattice of alternately stacked Ni-Fe hydroxide nanosheets and graphene for efficient splitting of water, ACS Nano, 9, 1977-1984, 2015.[3] Ma R, et al., Molecular-scale hetero-assembly of redoxable hydroxide nanosheets and conductive graphene into superlattice composites for high-performance supercapacitors, Advanced Materials, 26, 4173-4178, 2014.

ナノシートが10-1 S/cmに達する世界最高の水酸

化物イオン伝導性を示すことを発見

ナノシート中の遷移金属（Fe, Co, Ni, Mn）のレドッ

クス反応による高性能電極触媒を開発

ナノシートの２次元異方的イオン伝導機能を最大

限発揮させるイオン伝導膜の設計

遷移金属電極触媒の最適化及び耐久性評価

ナノシートを用いた膜・電極集合体（MEA）

単層剥離

イオン伝導特性

２次元ナノシート

OH-

層状複水酸化物(LDH)

3d金属組成

水酸基

陰イオン

レドックス機能性

電極触媒層

固体アルカリ型燃料電池

O2

H2

H2O

OH-

H2O

OH- OH-

H2O

O2+2H2O+4e → 4OH-

ナノシート

ナノシート

イオン伝導膜 特異なOH-イオン伝導機構高いイオン伝導率２次元異方的伝導特性伝導率: 10-1 S/cm

非貴金属ナノ触媒多様な3d金属組成グラフェン担持体過電圧: <0.3V

O2

MANA 准主任研究者 / ナノマテリアル分野 機能性ナノマテリアルグループ

酸化グラフェンの機能開拓

ナノマテリアル分野 機能性ナノマテリアルグループ

谷口 貴章TANIGUCHI.Takaaki@nims.go.jp | https://samurai.nims.go.jp/profiles/taniguchi_takaaki

Keywords: 酸化グラフェン、グラフェン、電気化学デバイス

酸化グラフェンを還元して高い導電性を付与できれば、電極応用が可能

既存の還元法では高い導電性を得るには高温処理、有毒な還元剤が必用

電子伝導性のない酸化グラフェン自身も機能性材料として興味深い

酸化グラフェンは安価に大量合成が可能

酸化グラフェンはイオン伝導体→固体電解質

酸化グラフェン還元体は電子伝導体→電極（触媒）

酸化グラフェンの新たな還元手法の開発

酸化グラフェンのプロトン伝導性の評価

酸化グラフェン、酸化グラフェン還元体のみからなるオールカーボンデバイスの創出

顔写真

高容量化（高容量スーパーキャパシタ電極用）

高耐久化（電解質）

ＧＯ/rGO界面の構造最適化

• K. Hatakeyama, T.Taniguchi et al.,“Proton conductivities of graphene oxide nanosheets: single, multilayer, and modified nanosheets”, Angew. Chem. Int. Ed., 53, 6997 (2014).• H. Tateishi, T. Taniguchi et al., “Graphene oxide fuel cell”, J. Electrochem. Soc. 160 (11), F1175(2013).

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国際ナノアーキテクトニクス