多段水熱炭素化・ヘテロ原子ドープ法によるバイオマス由来電極材料の創製

多级水热碳化和杂原子掺杂法制备生物质电极材料

基本信息

批准号：
22K14533
负责人：
中安祐太
金额：
$ 3万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14533/
关键词：
バイオマス水熱電極触媒

项目摘要

本年度は、モミ殻・木質バイオマスおよびパイライト（FeS2）を原料に利用し、水熱・気相二段炭化法を用いた ORR 電極触媒の合成および評価を目的とした。モミ殻およびパイライトを原料に用いた際に Fe および Si を適量ドープするために、モミ殻のシリカ除去およびパイライトの溶解について検討し、前処理として適切な方法を模索した。結果として、モミ殻のシリカ除去に関しては、水熱処理よりも、NaOH洗浄の方が効果的であると示唆された。パイライトの溶解に関しては、水熱酸化処理が効果的であると示唆された。また、パイライトの水熱処理およびモミ殻の NaOH 洗浄により得られた試料を含む原料を用いて、水熱・気相二段炭化法によりORR 電極触媒の合成を行った。資源の有効活用率とプロセスの環境適合性を向上させるべく、ヘテロ元素添加量と余剰元素除去プロセスの低減・削減を意図して設計した『新プロセス』で合成した ORR 電極触媒について、『従来プロセス』で合成した ORR 電極触媒との比較を通して、ORR 活性および材料学的構造特性を評価した。結果として、モミ殻とパイライトを原料に新プロセスで合成した RH/FeS2 は、モミ殻が含有する Si のセルフドープとパイライト由来の Fe のドープが ORR 活性の向上に寄与し、従来プロセスで合成した ORR電極触媒であるZS/Coと同程度のORR活性を示した。また、モミ殻が含有するシリカ（SiO2）が気孔形成剤として働く可能性があると示唆された。したがって、モミ殻とパイライトの原料利用は、資源の有効活用率とプロセスの環境適合性の向上に有効であると判明した。

今年，我们的目标是采用水热/气相两阶段碳化方法，以稻壳、木质生物质和黄铁矿（FeS2）为原料合成并评估ORR电极催化剂。为了以稻壳和黄铁矿为原料时掺杂适量的Fe和Si，对稻壳中二氧化硅的去除和黄铁矿的溶解进行了研究，寻找合适的预处理方法。结果表明，NaOH 清洗比水热处理更有效地去除稻壳中的二氧化硅。水热氧化处理被认为对于溶解黄铁矿是有效的。此外，以黄铁矿水热处理和稻壳NaOH洗涤获得的样品为原料，通过水热/气相两阶段碳化法合成了ORR电极催化剂。为了提高资源的有效利用率和工艺的环境兼容性，采用旨在减少杂元素添加量和去除多余元素的工艺而设计的“新工艺”合成的ORR电极催化剂我们通过与 2013 年合成的 ORR 电催化剂进行比较来评估 ORR 活性和材料结构特性。结果，在以稻壳和黄铁矿为原料采用新工艺合成的RH/FeS2中，稻壳中所含Si的自掺杂和来自黄铁矿的Fe的掺杂有助于提高ORR活性，并且ORR活性使用传统工艺合成的材料显示出与电催化剂ZS/Co相当的ORR活性。还有人提出，稻壳中含有的二氧化硅（SiO2）可能充当造孔剂。因此，以稻壳和黄铁矿为原料，可以有效提高资源的有效利用率和工艺的环境兼容性。