身の回りの振動エネルギーを利用した触媒反応システム
東京都立大学

大学院理学研究科教授 山添 誠司

化学専攻

2023年10月20日

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未利用エネルギー「振動エネルギー」
持続可能な社会実現に向けた自然・未利用エネルギーの有効利用技術の確立

振動発電

熱（地熱，廃熱）発電

100 mW/cm2

1 mW/cm2

0.1 mW/cm2

10-20%

80-90%以上

約10%

太陽光発電

ｴﾈﾙｷﾞｰ密度
変換効率
定常性

発生電位

（電気-機械結合定数（単結晶））〇（日中，晴天のみ）
1.0-1.2 V◎（天候等に左右されない）
数～数十 V◎
10-100 mV（共振を利用）2

圧電材料と振動による電位発生
――
―
＋＋ ＋

圧電・強誘電材料 Pb(Zr0.5Ti0.5)O3（PZT）
Bサイト(Zr, Ti)

Aサイト(Pb)

＋自O
発分
―極–ΔV
振動 +ΔV

圧電素子

圧縮応力
圧電薄膜基板

引張応力＋ ＋― ― ＋―

電気エネルギー⇔機械エネルギー相互変換
発生する電気エネルギーの特徴

・共振により高電位（2 V以上）が発生．
・電位は発生するが，電子は取り出せない．

高い電位を活かした触媒系開発

発生電位(V)

共振振動による発生電位
2.50Vpp-2.5Time

3振動触媒（Vibro-catalyst）
振動触媒の構造

金属
圧電薄膜
(PZT)

基板

電位 (V, SHE)

圧電体 金属

価電子帯

界面

圧電薄膜

金属

基質

EF

振動触媒の電子（バンド）構造

伝導帯

発生電位によるフェルミ準位・電子移動の制御

振動

フェルミ準位(EF)――― ＋＋ ＋–ΔV

圧縮応力+ΔV

引張応力＋ ＋― ― ＋―

LUMO
還元反応
金属の e–
酸化金属の e–
還元
HOMO
EF

酸化反応
4

振動触媒反応装置（ガス流通系）
Ar
He

99%

30 mL/min

振動触媒

TCDGC1%Mass flowcontrollers

H2O2トラップ
3 mL
0.017 M KI
0.17 M potassiumhydrogen phthalateVibration

H2O蒸気(313 K)
振動触媒

共振周波数: 150 Hz
発生電位（ ± V）: 0~4 V

ﾌｧﾝｸｼｮﾝｼﾞｪ
ﾈﾚｰﾀ

振動発生装置ｱﾝﾌﾟ5

0-2.5Time

Displacement (mm)Polarization (μC/m2)

Peak-to-peak displacement (mm)

20 μm

2.5

Applied voltage (kV/mm)±ΔV

金属10 µm
厚膜45 µm

発生電位(V)

振動触媒

1.5

1.00.50.00021426348

Peak-to-peak potential (V)105±ΔV (V)6共振振動によるH2O分解反応：経時変化
2H2O → H2 + H2O2(±4 V)

H2 production (μmol/h)±4.0 V(±0 V)±0.0 V(振動なし)SUSのみ
150 HzReaction time (h)H2O2: 0.10 μmol7

共振振動によるH2O分解反応：再現性
再現性の確認

アース接続が活性に及ぼす効果
H2 production (μmol/h)

H2 production (μmol/h)

3.0
2.5
2.0
1.5
1.0

0.5
0.0

He:Ar=1:99
流速: 30 mL/min
振動：150 Hz
VP-P：8.0 V

43210Run1Run2Run3

アース接続なし

基板電極

8共振振動によるH2O分解反応：電位依存性212.5±ΔV

発生電位(V)H2 production (μmol/h)

ΔVが ±1 Vより大きいと反応0-2.5Time001234±ΔV (V)9振動によるH2O分解反応：振動数依存性
振動エネルギーは一定
Average of ±ΔV (V)H₂ production (μmol/min)

共振振動

共振振動で高い活性10他の研究との比較
本研究
2H2O → H2 + H2O2

H2: 33 μmol g-1h-1(TOF: 714 h-1)

超音波による水中での反応
BiFeO3 45 kHz 120 μmolg-1h-1Na(V,Nb)O3 68 kHz 346 μmol g-1h-1 (3.1 m2g-1)

2H2O → H2 + H2O2
H. You et al., Angew. Chem. Int. Ed., 58, 11779 (2019).

H. You et al., Nano Res., 15, 7986 (2022).

11推定される反応機構

2H2O → H2 + H2O2
還元反応

酸化反応

2H2O → H2O2 + H2
2H+ + 2e– → H2
E◦= 0.00 V
2H2O → H2O2 + 2H+ +2e– E◦= 1.76 V
2H2O + 2e– → 2OH‒ + H2 E◦= −0.83 V
2OH‒ → H2O2 + 2e–E◦= 0.88 V

2H2O → 2OH• + H2
2H+ + 2e– → H2
E◦= 0.00 V
H2O → OH• + H+ +e– E◦= 2.38 V

12従来技術とその問題点
既に振動を用いた反応として、超音波やアクチュエーターを用いた水分解反応の例はあるが、エネルギー利用効率が低い発生する水素量が少ない等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。

13

新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術の問題点であった、エネルギー利用効率を改良することに成功した（約30倍）。
• 共振現象を利用することで流通系でも水素生成を確認することが出来た。
• 高周波振動を必要とせず、身の回りで発生する振動を利用することができる。

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想定される用途• 水からの水素生成
水道、川、ダム、橋、電車の走行等の未利用の振動を使った水素製造• 下水道や空気中の有害物質の自動浄化• 発声する過酸化水素を用いた微生物の分解（水質改善、殺菌応用）
15実用化に向けた課題• 現在、ギ酸や水の分解ができるか、他にも適用可能な反応系があると考えている。
• 今後、新しい触媒を設計し、より高活性な触媒を開発する。
• 実用化に向けて、システムや触媒の形状の設計が必要。
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企業への期待• 高活性な振動触媒の開発を一緒にして欲しい。
• 振動触媒反応系のより高効率なシステム開発を一緒にして欲しい。
• 実用化の可能性がある反応系や応用先をお持ちの企業様。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：水素発生装置、及び水素発生方法• 出願番号 ：特願2022-140690• 出願人：東京都公立大学法人• 発明者：山添誠司，吉川聡一，宇野太喜
18産学連携の経歴• 2018年-2019年 分析系の企業と共同研究実施• 2019年-2023年 材料系の企業と共同研究実施• 2021年-2023年 化学・システム系の企業と共同研究実施

19お問い合わせ先
東京都立大学 総合研究推進機構 URAライン
TEL
E-mail042－677－2202
ragroup@jmj.tmu.ac.jp

問合せフォームはこちらから※東京都公立大学法人・産学公連携センターのWebサイトです
https://www.tokyo-sangaku.jp/sangaku_works/sangaku_info/

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