東北大ら,和紙を利用して多孔質電極を開発

JST戦略的創造研究推進事業の一環として,東北大学は太盛工業と共同で,マイクロメートルとナノメートルのそれぞれのレベルで多孔質(ポーラス)構造を持つ階層的多孔質電極の大量生産プロセスを確立した(ニュースリリース)。

蓄電池や燃料電池で,「電極」は重要な構成部材となっている。電極をナノレベルまで多孔質化すると,そのナノ構造を設計・制御・活用することで従来にない特性が得られる。

現在の市販の電極には主にマイクロポーラス金属が用いられているが,比表面積が比較的小さいという問題があった。比表面積が大きいと,電極触媒反応を促進できることから,比表面積の向上が求められていた。

東北大学では「脱合金化法」により比表面積の向上は達成できたが,孔がナノレベルで小さいため,気体や液体の圧力損失が高く応用は限られていた。そこで太盛工業と,マイクロからナノにわたる高次の孔サイズを持っている多孔質材料の開発を行なった。

まず,ガスアトマイズ法により5㎛以下のマイクロ金属粒子もしくは合金粒子を作製する。それをスラリーにして和紙に染みこませる。これを焼結することで,スラリーや和紙の成分が除去されて,マイクロ金属粒子のみが焼結されて合金紙になる。

この合金紙はすでにマイクロポーラス構造になっている(和紙はありふれた身近なマイクロポーラス材料)。この合金紙を酸性溶液で処理することで,合金繊維がナノポーラス化する。これによって,マイクロからナノにわたる高次の孔サイズを持った多孔質材料ができた。

このように作製した階層性ポーラスニッケルは,水酸化ニッケルとマンガン酸化物の複雑酸化物がフィラメント状に発達したナノポーラス構造であることが分かった。

このような酸化物は,スーパーキャパシタの活物質であり,特性を評価すると面積あたりのキャパシタンス(静電容量)がこれまでのナノポーラスニッケルと比べて4倍以上向上していることが分かった。また,水の電気分解で必要な酸素発生電極としても高い性能を示した。

この作製方法は,合金紙の製造プロセスと一度の電気化学手法(酸性溶液に漬けるだけ)を組み合わせる方法であり,大量生産に適している。

原理的にさまざまな合金系に拡張できるため,蓄電池だけにとどまらず,燃料電池用電極,アルコール合成変換触媒といったエネルギー変換材料,化学物質の輸送・分離・変換を可能にする先端材料として幅広い用途・応用展開が期待できるとしている。

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