機能材料

著者一覧
松澤幸一　　横浜国立大学
内田　誠　　山梨大学
前田啓明　　山梨大学
西原　寛　　山梨大学
岩瀬和至　　東北大学
野村晃敬　　(国研)物質・材料研究機構
末次憲一郎　　広島大学
松木一弘　　広島大学
中村泰文　　ケイ・マック㈱
本間精一　　本間技術士事務所

目次

【特集】電極触媒の研究開発動向

固体高分子形燃料電池及び水電解における電極触媒の現状と展望

Status and Perspectives of Electrocatalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cells and Proton
Exchange Membrane Water Electrolysis

固体高分子形燃料電池(PEFC)および固体高分子形水電解(PEMWE)の電極触媒の現状と展望について概説した。具体的にはPEFCについては酸素還元反応が起こる空気極に関して,PEMWEについては酸素発生反応が起こる陽極に関して,それぞれが関与する電極触媒の原理,現状やトレンド,そして研究段階の事例を紹介,解説した。

【目次】
1　はじめに
2　固体高分子形燃料電池(PEFC)とその電極触媒
2.1　PEFC の原理とその電極触媒の現状
2.2　PEFC の電極触媒の研究
3　固体高分子形水電解(PEMWE)とその電極触媒
3.1　PEMWE の原理とその電極触媒の現状
3.2　PEMWE の電極触媒の研究
4　おわりに

アニオン交換膜型水電解向け電極触媒の性能と耐久性

Performance and Durability of Electrocatalysts for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis

アノード用に独自開発したNi 系酸化物触媒を用い,膜および触媒層バインダーには独自開発の高分子電解質を使用した単セルを作製した。電流密度4 A cm^-2 までの性能評価に加え,80℃条件下での起動停止サイクル,負荷変動運転を含む耐久性を評価した。その結果,セルレベルできわめて高い性能と耐久性を実現する電極触媒とアニオン交換高分子電解質の事例を提示することができた。

【目次】
1　はじめに
2　非貴金属触媒
3　アニオン交換膜電解質と電解性能評価
3.1　両極供給:高負荷⇔電解停止サイクル特性
3.2　高電流密度(10 A cm^-2)電解試験:電解液供給方式・電解質膜厚の影響
3.3　QPAF-4 電解質,NiFeOX 触媒(NEDO 標準膜& OER 触媒)でのKOH 濃度依存性
4　おわりに

高活性なHER 触媒として有望視される配位ナノシートの作製

Fabrication of Coordination Nanosheets Promising as Highly Active HER Catalysts

白金に代わる水素発生反応(HER)用の電極触媒材料として,二次元金属錯体高分子「配位ナノシート」が注目されている。本稿では,高活性なHER 電極触媒の実現に向けた電気伝導性配位ナノシートの創製と電極担持手法の開発について,我々の近年の成果をもとに紹介する。

【目次】
1　はじめに
2　配位ナノシート
3　電極触媒応用における配位ナノシートの利点
4　配位ナノシートの合成方法
5　配位ナノシートを用いたHER 触媒
6　おわりに

触媒・電極設計による電気化学的CO2 還元の選択性制御

Design of Catalysts and Electrode Structures for Selectivity Control in Electrochemical CO2 Reduction

電気化学的CO2 還元は,再生可能エネルギー由来電力によりCO2 を有用化学品へ変換する技術として期待されている。その生成物選択性は,触媒の活性サイトから触媒層・電極構造,運転条件に至る階層的要因で決定される。本稿では,金属間化合物触媒による生成物制御と,触媒層設計および機械学習を活用した電極・プロセス設計に関する最近の動向と,筆者らの取り組みを紹介する。

【目次】
1　はじめに:CO2 電解はどこまで来たか
2　触媒と反応場:CO2 還元の選択性を決める階層構造
3　触媒材料の設計:金属間化合物による生成物制御
4　電極・触媒層の設計:担持構造制御とインフォマティクス
5　今後の展望

[Material Report -R&D-]

大気駆動のリチウム空気電池に向けた多孔性カーボン電極の開発

Development of Porous Carbon Electrode for Lithium-air Batteries Working with Atmospheric Air

大気酸素を活用したリチウム空気電池の実現に向けて,階層的かつ連続的な細孔構造を有する多孔性カーボン電極を開発した。酸素の供給と均一な電極反応が促進され,ドライエア環境でも高エネルギーと高出力を実現した。商用電池を大きく上回る性能とスケールアップ安定性も確認され,実用化へ重要な設計指針が示された。

【目次】
1　はじめに
2　リチウム空気電池の放電時における問題
3　多孔性カーボン電極の連続細孔構造設計によるドライエア放電性能の改善
4　CP 一体型多孔性カーボン電極を用いたリチウム空気電池セルの電池特性
5　おわりに

Development and Achieved Practical Use of the World’s First Bismuth-based High-temperature Lead-free Solder
~ Paving the Way to Realization of Complete Lead-free Environmentallyconscious Electronics ~

世界初ビスマス系高温鉛フリーはんだ材料の開発と実用化達成
～オール鉛フリー環境配慮型エレクトロニクス製品の実現に道筋～

With a view to realization of high-temperature lead-free solder for electronic products, we have designed materials using melting points and weight fractions of two kinds of bismuth-based eutectic alloys, and developed high-temperature lead-free solder with a melting point higher than 270 °C for electronic circuit packaging. We have put these materials into practical use including lighting apparatus, semiconductor parts and air-conditioning systems, and above all, we have achieved practical use of bismuth-based high-temperature lead-free solder first in the world, on the power board for UV-C Sanitizer for Coronavirus. From these efforts for practical use with actual equipment, we think it has been made possible to pave the way to Complete lead-free environmentally-conscious electronic products.

エレクトロニクス製品の高温鉛フリーはんだ化実現を目指し,ビスマスをベースとした2 種類の共晶合金においてそれぞれの融点とこれらの重量分率を用いて材料設計等を行い,融点270℃以上の電子回路実装用高温鉛フリーはんだ材料を開発した。この開発材料を用いて,照明機器,半導体部品,空調機器等への実用化展開を推進し,特にコロナ殺菌クリーナー電源基板への適用において,世界で初めてビスマス系高温鉛フリーはんだ材料による実機製品実用化を達成することができた。これら実機実用化展開推進により,オール鉛フリーエレクトロニクス環境配慮型製品への道筋をつけることが可能となったと考える。

【目次】
1 Introduction
2 High-temperature Lead-free Solder Materials and Process Development
2.1 Material development with a focus on eutectic alloys
2.2 Local bonding process for bonding inside part/device
3 Examples of Promotional Efforts and Achieved Practical Use
3.1 Promotions to expand into more products
3.2 Achieved practical use
4 Conclusion

[連載講座　プラスチックの実用物性と物性向上技術(10)]

耐薬品性

プラスチックの耐薬品性は基本的にはポリマーの分子構造に支配される。実用上では次の挙動がある。①吸液平衡に達するまで浸透する薬液,②溶媒和を作り膨潤・溶解する薬液,③応力の存在下でクラックを発生させる薬液,④加水分解させる薬液,⑤酸化分解させる薬液。これら薬液のプラスチックに対する挙動は使用温度,接触時間,負荷応力などによっても変化するので複雑である。

【目次】
1　薬液に対する基本挙動
1.1　浸透
1.2　膨潤,溶解
1.3　環境応力亀裂
1.4　化学分解
2　耐薬品性試験法と特性
2.1　薬品浸漬試験法
2.2　ケミカルクラック試験
2.3　薬液クリープ破壊試験
3　加水分解
4　耐薬品性向上技術
4.1　耐薬品性に優れたプラスチック
4.2　ポリマーアロイによる耐薬品性改良

[連載　未来を創る人たち]

日本カラー工業株式会社