東北大、SOFCの電極特性を向上させる機構を発見：新たなパルス同位体交換法を開発

東北大学は、酸化物表面の触媒活性を容易かつ高速に測定できるパルス同位体交換法を用い、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の電極特性を向上させる機構を発見した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

コバルトイオンの巨大クラスターが酸素の吸着・解離反応を促進

　東北大学大学院工学研究科の戸村勇登氏（博士課程後期3年）と高村仁教授らの研究グループは2020年8月、酸化物表面の触媒活性を容易かつ高速に測定できるパルス同位体交換法を用い、固体酸化物形燃料電池（SOFC）の電極特性を向上させる機構を発見したと発表した。

　家庭用電源として注目されているSOFCは、正極材料にコバルト酸化物を用いることで発電特性が著しく向上することが知られている。その材料とは、「La-Sr-Co系酸化物」や「Ba-Sr-Co-Fe系酸化物」などである。これらの酸化物にCo₃O₄を複合化すると、発電特性がさらに向上することも分かってきた。ところが、SOFCが作動する高温領域で、コバルト酸化物の酸素吸着・解離触媒活性については、まだ十分に解明されていなかったという。

コバルト酸化物表面における酸素吸着、解離反応のイメージ図 出典：東北大学

　研究グループは今回、新たなパルス同位体交換法を開発した。コバルトを含むさまざまな酸化物表面の酸素吸着・解離反応速度を測定するための手法である。実験により、コバルトを含む酸化物ではその結晶構造に関係なく、表面のコバルト濃度がある値（しきい値）を超えると、コバルトイオンの巨大クラスターが形成され、反応速度が急激に増加することを確認した。この現象は、酸化物表面でのコバルトイオンの「パーコレーション現象」と呼ばれ、今回の実験では、Co面積比率が0.55付近を境に、酸素吸着・解離反応速度が増加した。

コバルト酸化物の酸素吸着、解離反応速度とCo量の依存性を示すグラフ 出典：東北大学

　研究グループによれば、「酸素の吸着、解離反応は、空気二次電池の電極開発においても重要課題であり、この分野への波及効果も期待できる」とみている。なお、新たに開発したパルス同位体交換法は、評価のために使用する粉末試料がわずか数十ミリグラムで済む。このため、微量で特殊な形態を有するナノ粒子などの酸素吸着、解離反応速度を解明するためにも有効だという。