Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

固体酸化物形燃料電池 / ナノシート / イオン液体 / ジルコニア / MEMS / 電気化学

持続的な発展を実現するために環境に優しい次世代エネルギーが必要である。この次世代エネルギーに必要な要素は、1. 高いエネルギー変換効率、2. 高いエネルギー密度と出力密度、3. エネルギー燃料の種類の制約が少ないことである。現在の固体酸化物形燃料電池の課題の一つは電解質の薄膜化にあり、これが実現できれば動作温度の低温化、耐久性の向上、高効率化と高出力化、そして小型・軽量化が可能となると考えられる。そこで我々はイオノサーマル法というイオン液体でナノ粒子を結晶成長させる方法を取り入れ、ジルコニアのナノシートの合成に取り組んだ。
さらに、ナノプローブ電極搭載した走査型電子顕微鏡を用いて合成したナノシートの絶縁破壊電圧を調べた。絶縁破壊電圧はナノシートを実際に固体酸化物形燃料電池の電解質として利用したときに使える最大出力と関係のある重要なパラメータの一つである。電圧を 0 から 40V まで掃引したときの電流値をプロットしたところ、印加電圧が低い 0 から 10 V 付近では流れる電流が小さく、検出限界以下の電流値となった。また、電圧が 20 V 以上になると明確な電流が観測され、30 V 以上になると印加電圧に対して直線的に電流値が増加した。最高の印加電圧である 40 V 印加させたときの電流値は 5 pA 程度であった。プローブに流れた電流値から電流密度を計算したところ、250 mA/cm2 と比較的大きな電流密度になっていることがわかった(40 V 印加)。また、電圧掃引を何度か繰り返した場合には、流れる電流値が増加する傾向が見られ、さらにサンプルによっては数十ボルト印加した場合にナノシートが破壊される様子が見られた。
ジルコニアナノシートを燃料電池に利用するためのセルの設計に着手した。マイクロ流路を通じて水素やエタノールの燃料を供給し燃料電池特性評価システムを構築した。

ナノシート / 磁気特性 / 電気化学 / 磁性ナノシート / 磁気物性

本研究課題では、次世代スピントロニクスの基幹材料として有望視されている2次元磁性体ナノシートに関し、大量合成手法の確立に加え、磁性パラメーターの獲得を目指す。具体的には、酸素や水に対して比較的耐性があり、磁気転移温度が比較的高い2次元磁性体であるFe3GeTe2, MPS3 (M: 遷移金属イオン) などを探索対象とする。2021年度は、磁性ナノシートの母物質として鉄リントリカルコゲナイド (FePS3) を取り扱い、(1) 大量合成に向けた反応パラメーターの探索、(2) 電気化学を活用したナノシート化を検討した。
(1) 大量合成に向けた反応パラメーターの探索
これまでの研究において、FePS3の良質な層状結晶を得るためには、緩やかな温度勾配をつけた長時間の焼成が有効であることがわかっていたことから、より大きな反応スケールで条件を再精査することから着手した。合成した一連の試料の粉末X線回折の測定結果から、反応スケールを大きくするに従って、長時間の焼成を行った場合でも未反応の原料や不純物が含まれる傾向が見られた。また、このときに反応温度を高くすることは効果的ではなく、むしろ不純物が多く生成する結果が得られた。
(2) 電気化学を活用したナノシート化
上記 (1) で得られた良質なFePS3層状結晶をナノシート化させる際に電気化学反応を利用することによって、長時間の超音波照射を必要としない、すなわち層状結晶の横方向サイズを大きく損なわないナノシート化の条件を探索した。電気化学反応を進行させるために必要な支持電解質について、種々のカチオン／アニオンの組み合わせを検討したが、これまでのところ、電気化学反応のみでFePS3のナノシート化が進行する条件は得られていない。