噴霧乾燥法によるエネルギー環境材料へ向けたカーボン系ナノ構造体材料の開発

利用喷雾干燥法开发能源和环境材料用碳基纳米结构材料

基本信息

批准号：
12F02382
负责人：
奥山喜久夫
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Hiroshima University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012 至 2014-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、噴霧乾燥法による粒子合成技術を活用し、粒子のポア径だけでなく、表面特性、形状、穴の種類(2種類のポアサイズを持つ構造体)が厳密に制御されたカーボン系ナノ粒子構造体材料の合成と触媒性能評価、構造や界面制御と理論数値解析、大量合成(スケールアップ)プロセス開発、を検討することを目的に研究を実施した。本年度は、初年度に製作した噴霧熱分解装置を用いて、フェノールからのカーボン微粒子の合成と燃料電池への応用について検討した。これまでは、カーボンのナノ粒子を利用してきたが、フェノールからカーボンを生成させることで、フェノールとテンプレート粒子(ポリスチレンラテックス粒子)の自己組織化によりポーラスカーボン微粒子の合成に成功した。合成したポーラスカーボン粒子に含浸法により白金を担持させ、燃料電池の電極触媒性能を測定した。その結果、電気化学表面積(ECSA)が450.81mA/mg-Pt、質量活性(Mass Activity)が81.78㎡/g-Ptと市販の触媒粒子よりも高い性能を持つ触媒材料の合成に成功した。この結果については、ACS Applied Materials and Interfacesに掲載された。また、ゼータ電位が+53.1mVから-35mVまで制御されたテンプレート粒子を使い分けることで、微粒子の構造を制御できることを明らかにした。ゼータ電位+53.1mVのPSL粒子を用いた時は中空構造となり、ゼータ電位を-35mVのときはポーラス構造となった。フェノール樹脂とPSL粒子の質量混合比を1:1.6、PSLの粒子径を約230㎚にすることで安定した中空粒子、ポーラス粒子を合成できることがわかった。合成したカーボン微粒子の吸着性能値はポーラス粒子が中空粒子よりも約1.5倍高い値を出した。

在这项研究中，我们利用喷雾干燥法的颗粒合成技术来创建碳基纳米结构，其中不仅包括颗粒的孔径，还包括孔的表面性质、形状和类型（具有两种孔径的结构））进行了严格控制，研究了颗粒结构材料的合成、催化性能评估、结构和界面控制、理论数值分析以及大规模合成（放大）工艺开发。今年，我们使用第一年建造的喷雾热解设备研究了从苯酚合成碳颗粒及其在燃料电池中的应用。迄今为止，一直使用碳纳米颗粒，但通过从苯酚生成碳，我们成功地通过苯酚和模板颗粒（聚苯乙烯乳胶颗粒）的自组装合成了多孔碳微粒。通过浸渍法将铂负载在合成的多孔碳颗粒上，并测量燃料电池的电极催化剂性能。结果，他们成功合成了电化学表面积（ECSA）为450.81 mA/mg-Pt、质量活性（Mass Activity）为81.78 m2/g-Pt的催化剂材料，其性能比市售催化剂颗粒更高。研究结果发表在 ACS Applied Materials and Interfaces 上。他们还发现，可以通过选择性地使用模板颗粒来控制微粒的结构，模板颗粒的zeta电位控制在+53.1mV至-35mV之间。当使用zeta电位为+53.1mV的PSL颗粒时，获得中空结构，当zeta电位为-35mV时，获得多孔结构。研究发现，通过将酚醛树脂与PSL颗粒的质量混合比设定为1：1.6，将PSL的粒径设定为约230mm，可以合成稳定的中空多孔颗粒。所合成的碳细颗粒的吸附性能值，多孔颗粒比中空颗粒高约1.5倍。