【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.21】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24NU0252
利用課題名 / Title
固体電解質CO2電解セルのオペランド計測に向けた微細パターン電極の開発
利用した実施機関 / Support Institute
名古屋大学 / Nagoya Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（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）-
キーワード / Keywords
燃料電池/ Fuel cell,スパッタリング/ Sputtering,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
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)
渡部 弘達
所属名 / Affiliation
立命館大学理工学部機械工学科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
山本光騎
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
本田杏奈
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NU-205：3元マグネトロンスパッタ装置
NU-231：マスクレス露光装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
カーボンニュートラルを目指す上で固体酸化物型電解セル（SOEC）によるCO2の電気分解に注目が集められている．しかし，高温CO2雰囲気ではカソード側に用いるNi電極の酸化（Ni + CO2 → NiO + CO）が容易に起こり，電極の性能が劣化するため，電極の酸化抑制が急務となっている．本研究では，電極酸化のメカニズム解明のために，大型放射光施設であるSPring-8のビームラインを用いて，CO2電気分解モードにおける電極酸化挙動を捉えるオペランド観察を実施し，印加電圧が電極酸化に与える影響を把握する． NiをYSZ電解質(φ8)表面に直接スパッタリングしたNi/YSZパターン電極を作成した．
実験 / Experimental
実験では，Ni/YSZパターン電極をAr雰囲気で923 Kまで加熱したのちにCO2雰囲気(100% CO2)としてCO2電気分解を定電流モード(80mA )で行った．SPring-8のXRD（X線回折）を用いてカソード側のオペランド測定を行い，電極の酸化挙動を観察した．
結果と考察 / Results and Discussion
パターン電極は，Niの層が200 nmと薄いことから，電極表面におけるアクティブな反応輸送現象を捉えることができる．XRDスペクトルから得られるNiO(200)面とNi(111)面のピーク比を酸化度合いを示すパラメータ(NiO/Niピーク比)とし，電極酸化挙動を明らかにした．Fig. 1にNiO/Niピーク比の経時変化を示す．0-70 minまでは電気分解を行い，70 min後，電解電流を0 mA/cm2とした．40 minまでは電極酸化が進行したが，その後，電極酸化は抑制された．電解電流を0 mA/cm2とした場合，急激に電極酸化が進行した．つまり，酸化の初期段階は表面に酸化被膜を形成し酸化が進行したのち(0-40 min)，酸化被膜の形成が停止する．電極表面がNiOとなることで酸化速度が低下し，電気分解による電極還元反応が優位となることでNiO/Ni比が低下したと考えられる(40-50 min)．その後，Ni酸化と酸化還元速度がほぼつり合い，NiO/Ni比はほぼ横ばいとなったと考えられる(50-70 min)．CO2電気分解におけるO2-イオン輸送が酸化耐性に及ぼすメカニズムと三相界面近傍での反応輸送現象を明らかにした．
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 NiO/Ni peak ratio on Ni/YSZ
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
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)
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