助成番号

５－２180584
研 究 成 果 報 告 書

研究テーマ
（和文）

亜 鉛 空 気 電 池 の ア ノ ー ド
2 機 能 触 媒 と し て のP t - バ イ メ タ ル 酸 化 物 ナ ノ ク ラ ス タ ー

研究テーマ
（英文）

Pt based bimetal oxides nanoclusters as catalyst for anode of rechargeable zinc
air battery

研究期間

２０１８年 ～ ２０２１年

北海道大学・大学院工学研究院

（漢字）

研究代表者
氏
名

（カタカナ）

グエン タン マイ（英文）NGUYEN Thanh Mai

所属機関・職名

材料科学部門・マテリアル設計分野・助教

（漢字）

共同研究者
（１名をこえる場合は、別紙追加用紙へ）

研究機関名

氏
名

（カタカナ）（英文）所属機関・職名
概要 （600 字～800 字程度にまとめてください。）
再生可能エネルギーの導入促進に伴い、高効率で安全な二次電池が求められている。亜鉛空気二次電池(ZAB)は、高容量と高いエネルギー密度をもつ有効な電池系である。さらに、ZAB は水性電解液を用いており、活物質に無毒で豊富で廉価な亜鉛と大気中の酸素を用いていることから、安全で環境に優しい電池である。亜鉛空気二次電池は、放電時に酸素が水酸化物イオンに正極で還元され（酸素還元反応, ORR）、充電時に酸素が発生する（酸素発生反応, OER）。ORR は多段階で反応速度が遅く、OER は過電圧が高いという課題がある。よって、ORR と OER には有効な触媒が必要不可欠である。Pt/C と IrO2 は ORR とOER それぞれに対してよく知られている触媒であるが、大規模な用途には、これらの希少な貴金属成分を用いる場合にはコストのハードルが高いのも事実である。従って、触媒機能を十分に維持しつつ Pt 含有量を減らすことが必要である。本研究では、亜鉛空気二次電池正極用 Pt 合金触媒を開発し、つづいて、Pt
フリー酸化金属（例：酸化 Fe-Co）ナノ粒子触媒の合成と利用に挑戦する。Pt 系ナノ粒子は真空コスパッタリング法によりポリエチレングリコール(PEG)イオン液体中に Pt 単元素と合金で形成した。このとき 3nm 以下のナノ粒子が得られ合金ナノ粒子は固溶体構造をもっていた。固溶体の組成はターゲットに掛ける電流によって微調整ができることも見いだされた。また、同様のコスパッタリング法で混和性ギャップ内の組成を有する Ag-Pt 固溶体ナノ粒子の合成にも成功した。こうした固溶体の形成の確認には、原子分解能電子顕微鏡による EDS 元素マッピング及び微細構造分析を用いた。コスパッタリング法で形成した Pt
合金ナノ粒子は Pt 単体ナノ粒子と同等な ORR 性能を有することが判明した。そして、Pt と合金化する元素種によってその ORR 性能が大きく変動されることが明らかとなった。さらに、グリーン合成法で地球に豊富にある金属元素の酸化二金属ナノ粒子（例：Fe-Co）の合成にも挑戦し、rGO（還元型酸化グラフェン）上に分散担持した。組成・担持量を最適化した触媒を使用した ZAB は約 60 サイクルの間、90%以上の放電容量を維持することに成功した。本研究の成果により、亜鉛空気二次電池の ORR、OER 触媒として Pt 合金固溶体と汎用的な金属の二金属酸化物ナノ粒子の触媒が実用可能性を持つことを示すことができた。

- 1 -発表文献 （この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文課題

Efficient iron-cobalt oxide bifunctional electrode catalyst in rechargeable highcurrent density zinc-air battery

著者名

Wei Jian Sim,
Mai
Thanh
Nguyen,Zixuan
Huang,
Soorathep
Kheawhom,
Chularat
Wattanakit,Tets

雑誌

Nanoscale
雑誌名u Yonezawa

ページ

巻号

14

著者名

Mai
Thanh
Nguyen, Tatsuki
Muramatsu,
Soorathep
Kheawhom,Chularat
Wattanakit,
Tetsu Yonezawa

雑誌名

ページ

728～734

発行年

Bulletin of the Chemical Society of Japan

2022

巻号

97

論文課題

Pt/Ag Solid Solution Alloy Nanoparticles in Miscibility Gaps Synthesized byCosputtering onto Liquid Polymers

著者名

Mingbei Zhu, Mai
Thanh
Nguyen,Yuen-ting
RachelChau,
Lianlian Deng,
Tetsu Yonezawa

雑誌名

ページ

6096～6105

発行年

Langmuir

2021

巻号

37

論文課題

Synergistic Effect of the Oleic Acid and Oleylamine Mixed-Liquid Matrix on Particle
Size and Stability of Sputtered Metal Nanoparticles

著者名

Mai
Thanh
Nguyen,Krittaporn
Wongrujipairoj,Hiroki
Tsukamoto,
Soorathep
Kheawhom,ShuangMei,
Vipada Aupama,
Tetsu Yonezawa

雑誌名

ページ

18167～18176

発行年

雑誌

2022

Impact of Morphology and Transition Metal Doping of Vanadate Nanowires without
Surface Modification on the Performance of Aqueous Zinc-Ion Batteries

雑誌

発行年

論文課題

雑誌

8012～8022

論文課題

ACS Sustainable Chemistry & Engineering

2020

巻号

Anisotropic Growth of Copper Nanorods Mediated by Cl– Ions

- 2 -8雑著者名

Min Jia Saw, Mai
Thanh
Nguyen,Yuji Kunisada,Tomoharu
Tokunaga, Tetsu
Yonezawa

雑誌名ページ7414～7420

発行年

誌

2022

巻号

7

論文課題

THz wave emission from the Cu2O/Cu interface under femtosecond laser irradiation

著者名

Yuen-Ting
RachelChau, Hsin-huiHuang, Mai
ThanhNguyen, KojiHatanaka, Tetsu
Yonezawa

雑誌名Applied Physics Expressページ

012006-1～5

発行年

2021

雑誌

巻号

14

論文課題

Co-sputtered CuPt/Ag alloy nanoparticles and comparative catalytic performance ofmono-, bi-, and tri-metallic nanoparticles in oxygen reduction reaction

著者名

Mingbei Zhu, Mai
Thanh Nguyen,
Wei Jian Sim,
Tetsu Yonezawa

雑誌

ACS Omegaページ

雑誌名

Materials Advances (accepted for publication, DOI:
https://doi.org/10.1039/D2MA00688J)

発行年

2022

巻号

英文抄録 （100 語～200 語程度にまとめてください。）
Good performance and safe rechargeable batteries are demanded. Zinc air battery (ZAB) offers high capacity andenergy density. Moreover, it uses aqueous electrolyte and non-toxic, abundant, and cheap active materials (air andzinc) so it is safe and eco-friendly. This research aims to create and evaluate catalysts for rechargeable ZAB’scathode. At the cathode, oxygen (from air) is consumed to form OH- (oxygen reduction reaction, ORR) andre-generated (oxygen evolution reaction, OER) when ZAB is discharged and charged, respectively. Catalysts areindispensable for ORR and OER. Pt/C and IrO2 are typical ORR and OER catalyst, respectively, but they are
expensive. Thus, in this study, efficient ORR/OER catalysts were created based on Pt-alloy and Pt-free metal oxide(e.g., Fe-Co, Co-Ni oxides) nanoparticles. The results indicate that similar ORR performance of Pt-alloy to that of Pt
nanoparticles was obtained. Moreover, the earth-abundance metal oxide nanoparticles such as Fe/Co oxide
nanoparticles were found to be effective ORR/OER bifunctional catalysts for ZAB.

- 3 -研究代表者名

NGUYEN Thanh Mai

共同研究者

（漢字）
氏
名

（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名- 4 -