【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.16】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT0151
利用課題名 / Title
ナノ材料の構造解析
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials
キーワード / Keywords
ナノカーボン/ Nano carbon,電極材料/ Electrode material,エネルギー貯蔵/ Energy storage,ナノ粒子/ Nanoparticles,電子顕微鏡/ Electronic microscope,ナノチューブ/ Nanotube
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
古月 文志
所属名 / Affiliation
東京大学未来ビジョン研究センター
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
白金(Pt)電極触媒上の水素発生反応(HER)には、水素原子の生成と水素分子の形成が含まれている。水素分子形成のメカニズムが既に究明されているが、水素原子生成の電気化学がまだ解明されていない。私たちは、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)から構成されるナノファブリックを支持体として使用して、エッジリッチなPt/SWCNT電極触媒を作製した。このエッジリッチなPt/SWCNT電極触媒を使い、HERを実施したところ、エッジサイトの電気化学的特性と機能に関する新たな情報を得た。我々は、エッジサイトが酸化されており、2つの重要な機能を果たしているモデルを提案した: エッジサイトが原子ダムとして機能し、電子がテラス(111、110、および100)ドメイン内に蓄積することを可能にした、また、エッジサイトが放電を通じて電子を電気二重層中のヒドロニウムイオンに供給した。電極触媒の電子伝達機能を高めたことで、白金の使用量を大幅に減らした。
実験 / Experimental
実験は、触媒の支持体としてのSWCNTナノファブリックの作成、Pt/SWCNT電極触媒の作成、微構造の解析、HER反応に於けるPtテラス(111、110、および100)ドメインおよびエッジの電気化学的特性と機能の考察、並びに、PEMセルの作成と水電気分解水素製造応用の部分から構成されている。具体的には、厚み＜20μｍ、ＳＷＣＮＴ純度＞97％、有効比表面積＞1000㎡/ｇのSWCNTナノファブリックを作成した。このSWCNTナノファブリックを支持体として用い、Ptの担持量がそれぞれ1.16 μg cm−2、6.03 μg cm−2、16.43 μg cm−2、61.03 μg cm−2の4種類のPt/SWCNT電極触媒を作成した。また、市販のPt/C粉末を参照触媒として用いた。
結果と考察 / Results and Discussion
Fig1はSWCNTナノファブリックを支持体として用い作成したPt/SWCNT電極触媒をJEM-2100F等で観察した微細構造を示す。メッシュ状、且つ、エッジリッチなPt/SWCNT電極触媒が形成されている。また、XPSの結果（Fig.2）からは、Pt/SWCNT電極触媒にはPt（II)とPt（IV)が含まれている。CV（Fig.3）の結果らは、電極触媒の電気二重層を形成する能力は主にSWCNTナノファブリックに由来することが分かる。また、Pt-Hの酸化還元ピークがブロードの結果からは、Ptテラス(111、110、および100)ドメインのサイズが小さくて、水素分子が容易に形成することが言える。言い換えれば、この方法で合成したPt触媒が多くのエッジを持っている。更に、PEMセル実験（Fig.4）では、Ptを6.03 μg cm−2を担持したPt/SWCNT電極触媒の性能は、Ptを500 μg cm−2を使用した従来型のPt/C触媒と同等またはそれ以上の性能を持っていることが確認されている。ここでのPEMセル実験では、アノード触媒としては、酸化イリジウム（担持量1000μg cm−2を使用した）。これらの実験データに基づき、我々は、水素原子の生成に於けるPtエッジが重要な役割を果たしたモデルを提案した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 (A) SEM images at high magnification, (B) TEM images at low magnification, and (C) HAADF-STEM images of Pt atoms on the Pt terrace (111, 110 and 100) domains, edges, and steps; (D) selective area electron diffraction patterns and (E) XRD patterns, and (F–H) atomic resolution elemental mapping of Pt on the free-standing SWCNT nano-fabric support. The thickness of the Pt thin layer is approximately 4 nm.
Fig. 2 (A) Raman spectra of the free-standing SWCNT nano-fabrics and Raman spectra of the same SWCNT nano-fabrics after loading Pt layers with thicknesses of approximately 4 nm, 10 nm, and 20 nm; (B) high-resolution XPS Pt4f spectrum of Pt of the Pt/SWCNT nano-fabric catalyst.
Fig. 3 (A) Cyclic voltammetric (CV) profiles of the Pt/SWCNT hybridized nano-fabric electrode (blue line), the powdered Pt/C electrode (black line), and the entire SWCNT nano-fabrics (red line), (B) the 1st and 50th CV profiles of the Pt/SWCNT hybridized nano-fabric electrode, (C) the typical CV profile of a typical Pt/SWCNT hybridized nano-fabric electrode with a Pt loading of 122.06 μg-Pt cm−2 (red curve) and the CV profile of the entire SWCNT nano-fabric (blue curve), in 0.5 M H2SO4. Scan rate: 10 mV S−1. (D) EIS curves of the Pt/SWCNT hybridized nano-fabric catalysts with the thickness of the Pt layers of approximately 4 nm, 10 nm, and 20 nm.
Fig. 4 (A) Current–voltage curves obtained using a 2 cm × 2 cm single electrolysis cell at 80 °C and atmospheric pressure of gases. The cathodic catalysts used were: Pt/SWCNT nano-fabrics with Pt loadings of 6.03 μg cm−2 (4 nm thick) and 16.43 μg cm−2 (10 nm thick), as well as powdered Pt/C with a Pt loading of 500 μg cm−2. The anodic catalyst used was IrO2 at 1000 μg cm−2, and the electrolyte was Nafion-117 membrane. In (B), cell current density stability tests were carried out during PEM water electrolysis at high-voltage/high-current density (1.99 V, 2.5 A cm−2). These tests were conducted for over 300 hours.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
東京大学大学院工学系研究科総合研究機構マテリアル先端リサーチインフラの福川昌宏先生と木村鮎美先生からは沢山のご支援を頂きまして、心から感謝申し上げます。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Vipin Adavan Kiliyankil, Edge sites on platinum electrocatalysts are responsible for discharge in the hydrogen evolution reaction, Journal of Materials Chemistry A, 12, 28731-28743(2024).
DOI: https://doi.org/10.1039/D4TA04887C
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件