研究PickUp

水素と一酸化炭素を燃料とする燃料電池触媒の開発に成功

九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I2CNER)/工学研究院 応用化学部門
小江 誠司 主幹教授

(参考図)

(参考図)
水素(H2)と一酸化炭素(CO)が50対50の比率の燃料で駆動する燃料電池のメカニズム。反応途中の触媒構造はX 線解析で明らかにしました。

九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I2CNER)/大学院工学研究院の小江誠司(おごうせいじ)主幹教授らの研究グループは、JNC株式会社との共同研究により、水素(H2)と一酸化炭素(CO)を燃料とする燃料電池触媒の開発に成功しました。

燃料電池の白金(Pt)触媒は、燃料である水素に含まれる極微量の一酸化炭素で被毒され、触媒活性が著しく低下するという問題点があり、一酸化炭素に耐性のある触媒の開発は燃料電池の分野において重要な課題です。本研究では、「自然界のH2 酵素とCO 酵素の機能を融合した新しい触媒」を開発しました。この触媒を用いると、「水素と一酸化炭素が50対50の比率の燃料で燃料電池が駆動する」ことを見出しました。本研究成果は燃料電池の分野において格段の発展と波及効果をもたらす可能性があります。

本研究は、文部科学省科学研究費補助金・特別推進研究「ヒドロゲナーゼと光合成の融合によるエネルギー変換サイクルの創成」の研究の一環として、九州大学の小江誠司主幹教授の研究グループが、九州大学大学院工学研究院、小分子エネルギーセンター(センター長 小江誠司)、I2CNER(所長 ペトロス・ソフロニス)、JNC 株式会社、及び福岡市産学連携交流センターで行ったものです。

本研究成果は、ドイツの学術雑誌『Angewandte Chemie International Edition』オンライン版で平成29年6月6 日(火)に公開されました。

研究者からひとこと
自然界の2つの酵素(H2酵素とCO酵素)からヒントを得て、「CO から触媒を保護する」という発想ではなく、「CO もH2 と同じように燃料(電子源)として使用する」ことを考えました。自然界を手本にした設計のため、環境に優しく、反応は「水中」で行います。

高性能カーボンナノチュブ/無機金属酸化物ハイブリッド電池触媒の開発に成功
燃料電池の本格普及促進に期待

九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I2CNER)/工学研究院 応用化学部門
中嶋 直敏 教授/藤ヶ谷 剛彦 准教授/J.Yang 特任助教

(参考図)

(参考図)
SEM画像
(a) MWNT -PyPBI
(b) MWNT-PyPBI-NixCo3-xO4

九州大学院工研究カーボンニュトラル・エネルギー国際研究所(I2CNER)の中嶋直敏教授、 藤ヶ谷剛彦准教授、 Jun Yang特任助教の研究グループは、白金の代わりにポリマー及び無機金属酸化物を用いて高い活性を持つ燃料電池用触媒を開発することに成功しました。

多くの無機金属酸化物は、酸素還元反応、酸素発生反応、水素発生反応等のエネルギー変換の基幹反応の触媒として注目されきました。 しかしながら、多くの場合、これ反応に対する触媒能は必ずしも高くないのが現状です 。原因として、無機金属酸化物の電導性の低さ 、及び触媒活性サイト面積の小ささが挙げられます 。本研究では、電導性が高い高純度多層カーボンナノチューブ(CNT) を素材として用いて、まずこれをポリマー(ポリベンズイミダゾール (PBI))で 被覆し、この上にスピネル型(※1)無機金属酸化物(NixCo3-xO4)のナノ粒子をソルボサーマル法(※2)で作製しました。この方法により 作製した触媒は、非常に 効率的な酸素還元反応及び酸素発生反応を示すことが明らかになりました。 さらに高い耐久性も示すことが判明しました。この方法は、私たちが展開してきたCNT/PBI/Pt CNT/PBI/Pt CNT/PBI/Pt 触媒(※3)作製方法を無機金属材料に応用したもの で、導電性ナノチューブ上にスピネル型無機金属酸化物のナノクリスタル(※4)を均質にコートすることを可能にし、これが触媒の高活性に繋がっています。
燃料電池の本格普及には、高い活性を持つ(すなわち、現行の白金ベースの触媒に匹敵する)完全非白金型触媒の開発が極めて重要です。本触媒が、 完全非白金型触媒であることから、白金を全く使用しない効率的な燃料電池及び酸素発生触媒の開発は、今後エネルギー材料(触媒)研究へ大きく貢献するものです。

本研究成果は、2017年3月30日(木)午前10時(英国時間)に国際科学誌Natureの姉妹誌であるオンライジャーナル『Scientific Reports』で公開されました。

研究者からひとこと
本研究は、 カーボンナノチュブと無機金属酸化物のハイリッドにより、新しい機能、特性を持つ電池触媒が創生できることを示したものです。本触媒について、完全非白金型触媒として、今後さらなる性能向上を目指し 、研究を進展していきます。

■用語解説
(※1)スピネル型: 典型的結晶構造形式の一つ
(※2)ソルボサーマル法: 高温または高圧の溶媒(または超臨界流体)を用いて固体を合成する方法
(※3)CNT/PBI/Pt触媒: カーボンナノチューブをポリマーで被覆し白金粒子を担持した触媒
(※4) ナノクリスタル: 数百から数万個の原子が集合した、数ナノメーターサイズの大きさの結晶

自動車用鋼板の破壊メカニズムを解明!
より優れた鋼板の作成に期待

工学研究院 機械工学部門
戸田 裕之 主幹教授

九州大学大学院工学研究院の戸田裕之主幹教授と新日鐵住金株式会社 技術開発本部 鉄鋼研究所の東昌史主幹研究員らの共同研究グループは、大型シンクロト放射光施設 SPring-8(※1) での4D(※2) 観察を活用し、自動車の鋼板などとて広く使われいる ハイテン一種であるDP鋼 (※3) の破壊メカニズムを解明しまた。DP鋼は、既に自動車用として使われいるものの、その内部組織複雑さにより、破壊プロセスはく分かっていませんでした。研究グループがDP鋼の破壊過程を4D観察した結果、3次元的に複雑絡み合う複雑な組織のち、特定サイトで遅れて生じた空隙がその後、急速に伸長し連結することで、鋼板自体の破壊が生じることがわかりました。この破壊メカニズムを考慮してDP鋼を設計することで、より強く、より成形性に優れた鋼板の作成が可能となることが期待されます。 また、DP鋼よりさらに複雑な組織、そして鋼よりさらに微細な組織を有する先進鉄鋼材料の評価や開発にも、一連の評価解析技術が有効なるものと期待されます。

本研究成果は、 2017年1月6日付けで、金属材料工学分野で最も権威のある英文誌『Acta Materialia Materialia』のオンライン版で公開されました。また、2017年3月1日(水)発行の第126巻に掲載される予定です。

(図1)

(図1)
DP鋼の組織の3D観察例(ステンレス鋼の例)。黄色と赤の組織が3次元的に複に絡み合っている様子がわかります。

(図2)
SPring-8のイメージング用ビームラインでの実験風景。

研究者からひとこと
近年、輸送用機械の効率化・軽量化のニーズが大きくなり、鉄鋼やアルミニウム等の構造材料の研究が再び脚光を浴びています。この研究は、そのための先端分析計測技術の開拓や工業利用に関するものです。世界最高の実験施設SPring-8を有効に活用することで、他国ではまねできない研究ができ、我が国の産業に貢献できると期待しています。

高成形性を有するNi基超耐熱合金の開発
(成形荷重を半分以下に低減)に成功!

工学研究院 材料工学部門
堀田 善治 主幹教授

九州大学工学研究院/カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I²CNER)の堀田善治(ほりた ぜんじ)主幹教授の研究グループは、長野市の長野鍛工株式会社(代表 中村千夏、以下「長野鍛工」)と共同で、航空機や自動車のエンジン部品などに使用されるNi基超耐熱合金の成形性を大きく改善させることに成功しました。Ni基超耐熱合金(Inconel 718)は高温でも強度が高く耐食性に優れていますが、その反面成形性が著しく悪く、いかに所定形状に成型するかが大きな課題となっています。

今回、九州大学発案の高圧スライドプロセス技術(HPS法 : High-Pressure Sliding)を応用してNi基超耐熱合金の結晶粒を超微細化し、これによって発現する超塑性現象(金属を高温域で変形させた際、数百%以上に伸びる現象)を利用することで成形性を大幅に向上できました(参考図)。また、成形荷重を通常の半分以下に低減させることが可能になりました。自動車用エンジン部品の製造と販売を行う長野鍛工では、今後、開発技術の実用化を目指します。

九州大学と長野鍛工との共同開発は、経済産業省戦略的基盤技術高度化支援事業(通称サポイン事業)のもとに平成25〜27年度に進められたものです。共同開発では、Ni基超耐熱合金以外にも、高強度アルミニウム合金である超ジュラルミン(A2024)や超々ジュラルミン(A7075)、難加工性のMg合金(AZ61)やTi合金(F1295)でも超塑性が発現できることを確認しており、自動車、航空機、医療機器など幅広い市場で本研究成果の適用が期待できます。

(参考図)

(参考図)
Ni基超耐熱合金(Inconel718)の種々の状態における試料と、これを高圧スライド加工で結晶粒超微細化した試料の応力-ひずみ曲線

(参考図)

(参考図)
引張試験結果の比較。引張試験条件は800oCの温度で2x10-2 s-1のひずみ速度で破断まで変形した時の試料形状(最下段は変形前の引張試験片形状)

研究者からひとこと
今回の共同開発における成果は、難加工性のNi基超耐熱合金の成形性を実用レベルで開発できたことです。結晶粒超微細化による超塑性の発現は既に知られている事ではありますが、世界で初めて独自に開発した高圧スライドプロセス技術(HPS法)を使って、難加工性のNi基超合金で実証でき、さらに実用化に近づけることができました。日本が抱える省エネルギー化、低二酸化炭素排出へ向けて貢献できる重要な共同開発成果と考えています。

凝集タンパク質の可溶化・活性化する合成ゲル粒子の開発に成功!

工学研究院 化学工学部門
星野 友 准教授

九州大学大学院工学府化学システム工学専攻博士課程3年生の仲本正彦、同大学院工学研究院の星野友准教授らの研究グループは、凝集したタンパク質を可溶化・活性化する合成ゲル粒子の開発に成功しました。

タンパク質は治療薬、診断薬、研究開発試薬など様々な分野で利用されています。しかし、タンパク質は熱などの種々のストレスに弱く、容易に構造が壊れ変性・凝集してしまい本来の機能を示しません。生体内においては分子シャペロンと呼ばれるタンパク質群が細胞内におけるタンパク質の凝集の抑制もしくは脱凝集を促進し、タンパク質の品質を保全しています。しかし、取り扱いが難しく非常に高価なため、工業的なタンパク質の生産プロセスで用いることはできませんでした。そこで近年、分子シャペロンの様な機能をもつ安価で安定な人工材料が注目されていましたが、一度凝集したタンパク質の脱凝集を促進し、活性のある状態に巻き戻すことができる人工材料の開発例はありませんでした。

研究グループは、安価な汎用性のプラスチック原料のみから安定な人工シャペロンを合成する事を目指し、様々な条件で合成を行い機能を解析したところ、特定の組成で合成された直径およそ100ナノメートルのゲル粒子が、タンパク質の凝集体を可溶化し、活性状態への巻き戻しを促進することを見いだしました。さらに本ゲル粒子は、変性タンパク質に対して強く結合し、活性状態のタンパク質に対して比較的弱く結合することで、変性タンパク質の凝集体を効果的に巻き戻すことが明らかとなりました。今回開発された合成ゲル粒子は、タンパク質の生産現場で生じた凝集体を可溶化・活性化する安価で安定な合成材料「プラスチックシャペロン」としての応用が期待されます。

本研究成果は、2016年2月19日(金)に米国化学会誌「Jounal of the American Chemical Society」で公開されました。

(図1)

(図1)原子間力顕微鏡により観察したナノゲル粒子

(図2)

(図2)ナノゲル粒子による脱凝集機構

研究者からひとこと
従来は、一度形成されたタンパク質の凝集体を可溶化するのは不可能と考えられていました。今回は、タンパク質の変性阻害剤を開発する過程で広範に及ぶ組成のゲル粒子を合成・評価したところ、偶然・幸運にもタンパク質の凝集体を可溶化・活性化する本ゲル粒子の発見に至りました。