研 究

固体界面における電荷移動反応の高度化を目指して

須田研究室では，固体が関与する界面での電荷移動反応を制御することによって，効率の高いエネルギー及び材料やシステムの開発を行っています。

• 固体酸化物形燃料電池・固体酸化物形水蒸気電解　Solid Oxide Fuel Cell & Solid Oxide Electrolysis Cell

H₂ + O^2- → H₂O + 2 e^-

1/2 O₂ + 2 e^- → O^2-

• 海水電解によるCO₂の固定化と利用　CO₂ Capture and Utilization by Seawater Electrolysis

4OH^-　→ 2 H₂O + O₂ +　4e^-

4H₂O +　4e^- → 2H₂ + 4OH^-

• ファインバブルを用いた化学機械研磨　Chemical Mechanical Polishing with Fine Bubbles

H₂O + e^- → 1/2 H₂ + OH^- 　

Si-OH-Si + OH^- → 2Si-OH + e^-

• 次世代カプセル内視鏡向け水素燃料製造システム　Hydrogen Generation System for Advanced Capsule Endoscope

Mg → Mg²⁺ + 2 e^-

2 H₂O + 2 e^- → H₂ +　2OH^_-

固体酸化物形燃料電池・固体酸化物形水蒸気電解　Solid Oxide Fuel Cell & Solid Oxide Electrolysis Cell

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は，水素だけでなく都市ガスやバイオガスなど多くの種類の燃料ガスを用いて高い効率で発電できるなど多くのメリットがあります。そのため，家庭用高効率発電システムとして期待されていますが，普及のためには更なる高効率化，省スペース化，低コスト化などが課題とされています。

そこで現在，以下の4つの研究に取り組んでいます。

高耐熱性空気極材料

薄膜電解質を用いることでセル特性を大きく改善できる電極支持セルを用いるためには，電極との共焼結が不可欠となります。

そこで，空気極材料の耐熱性改善燃料電池の高効率化および低コスト化に必要となる、一体焼結を可能とする耐熱性に優れた空気極材料の開発を目指して，須田研究室では最適な電解質と電極の界面構築のための材料開発を行っています。

燃料極の多孔質制御

燃料極では，酸化物イオンと電子と燃料の三相が反応する場（三相界面）の最適なバランスで構築することが重要です。

燃料極としての組成に加えて，造孔材の形状や大きさを制御することによって，十分なガス供給と水蒸気の排出など最適な多孔質構造の構築に向けた検討を進めています。

自己膨張性高温ガスシール材

燃料と空気との混合を防ぐガスシール材はSOFCにとって必要不可欠な部材です。現在SOFCに用いられているガスシール材は主にガラス系材料が含まれています。そのため，熱サイクルに対する耐久性に問題があります。そこで，熱サイクルに対する耐久性の高い新たな高温用ガスシール材の開発を進めています。

薄膜積層型SOFC

従来を上回る高体積出力密度を可能とする新たなコンセプトに基づく｢薄膜積層型SOFC｣を開発しています。

海水電解によるCO₂の固定化と利用　CO₂ Capture and Utilization by Seawater Electrolysis

我々は，地球環境に優しく，低エネルギーで効率よく，かつ持続的にCO2を固定化する方法として，海水中の石灰化反応（例：サンゴ）に着目しています。大気中のCO₂を海水中でCaCO₃として固定化するための，材料やシステム，運転条件などについて検討しています。

須田研究室では，海中における持続的なCaCO₃の固定化方法として，海水中での電気分解反応を用いています。

電極材料やシステム設計を最適化することによって効率よくCO₂を固定化できることが分かってきました。海水電解によるCaCO₃の固定化と大気中のCO₂濃度変化を定量的に評価することで材料やシステムの最適化を進めています。

ファインバブルを用いた化学機械研磨　Chemical Mechanical Polishing with Fine Bubbles

ガラス，サファイヤ，SiCやシリコン半導体に至るまで材料を超平滑に加工する技術はさまざまな場面で使われています。例えば，ガラスでは，数0.5～1ミクロンの粒子を使って研磨することで，表面粗さが0.5～1ナノメートルの平滑性を実現できます。なぜ，なぜ数ミクロンの粒子が原子レベルの平滑性を実現できるかのメカニズムについては，砥粒（研磨粒子）とガラスがこすれる際に，化学反応を起こすためと考えられています。この化学作用を使った研磨を化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing, CMP）と言われています。

これらの化学研磨には，砥粒やスラリーと研磨基材間での電子授受が大きな役割を担っていることが分かってきました。そこで，須田研究室では，研磨特性の大幅な改善を目指して，研磨過程における研磨材/水/基材界面の電気特性の評価を行ない化学研磨メカニズムの解明について研究を 行っています

この研磨過程における研磨材/水/基材界面の電気特性の結果，コロイダルシリカと類似した表面構造をもつ「ファインバブル」でも化学作用を示すことを明らかにできました。「ファインバブル」を研磨材として使うことができると，研磨による傷が皆無になることや，研磨後の洗浄が不要になるなど，様々なメリットがあります。ファインバブルによる化学反応性のメカニズムや，この反応性向上について研究を進めています。

次世代カプセル内視鏡向け水素燃料製造システム　Hydrogen Generation System for Advanced Capsule Endoscope

現在使用されているカプセル内視鏡は，消化器官を観察する機能だけですが，将来，pHなどのセンシング，検体サンプリング，さらに施術などが可能となれば，QOLの大幅な改善が期待できます。ところが，現在内蔵されている蓄電池では，エネルギー体積密度が小さいために，これらの機能をもつデバイスを動かすことができません。そこで，須田研究室では，胃の中で発生させた水素により電力を生み出しでデバイスを作動させるシステムを検討しています。これまでに，胃液を模擬した液体（模擬胃液）で局所電池を構築することによって効率よく水素を発生できることが分かりました。現在は，これらの電極材料や局所電池としての構造の最適化について検討を進めています。