西方・多田研究室 ―研究室紹介 #63―

材料系では「金属」「有機材料」「無機材料」の3つの分野にフォーカスし、独創的かつ挑戦的な研究・開発を推進しています。

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、材料表界面の環境性能評価と高耐食金属材料の開発に取り組む、西方・多田研究室です。

研究分野	電気化学 / 金属学 / 腐食科学 / 表面処理
キーワード	金属電気化学、高温電気化学、環境劣化、腐食防食工学、燃料電池、電極触媒、材料信頼性・健全性評価
Webサイト	西方・多田研究室 西方篤 - 研究者詳細情報（STAR Search） 多田英司 - 研究者詳細情報（STAR Search）

研究内容

材料の機能には、機械的性質、電気・磁気的特性、光学的特性など様々あります。しかし、すべての材料がそれらの機能性を長期間にわたり発揮するには、使用される環境中における耐久性が極めて重要です。材料の耐久性が劣化する原因の1つに、材料表面や材料と環境の界面でおこる化学、電気化学反応があります。よって、これらの反応機構の詳細を解明し、材料の耐久性劣化を阻止する技術を開発することや、優れた耐環境性を有する材料表界面を創製することが、省資源・省エネルギーといった地球環境保全に役立つといえます。我々の研究室では、電極触媒や構造材料に用いられる金属材料について、表界面で起こる化学、電気化学反応を評価、制御して、使用する環境中において長期間にわたり優れた耐久性を維持できる材料と技術の研究開発をしています。

研究テーマ

1. 固体高分子形燃料電池用材料の耐久性に関する研究

家庭用および自動車用電源として開発が進められている固体高分子形燃料電池（図1 参照。PEFC）は、究極のクリーンエネルギーとして実用化が期待されています。しかし、実用化のためには、電池製造にかかるコストを下げること、さらに電池材料の長寿命化が必要不可欠であります。特に、電極材料の製造コストは、製造コスト全体の約25%も占めるため、安価で、高触媒性、長寿命な電極材料の開発が急務になっています。

我々の研究室では、固体高分子形燃料電池に用いられるPt系電極触媒の腐食劣化機構の解明、電極反応機構の解明、Ptの消費量を抑えたPt代替触媒の開発などの基礎研究を活発に行っています。近年の成果として、電極触媒に用いられるPt、Pt合金の腐食劣化機構の全容解明に成功しております。現在では、Pt代替合金電極触媒や電極／電解質膜界面における電極反応機構の電気化学的検討を行っています。また、PEFCの小型化、量産化にとっては、カーボンセパレータを金属製セパレータにすることが有利であるため、燃料電池環境における金属セパレータの腐食劣化機構についても研究を行っています（図2）。

2. 金属材料の腐食機構解明

米国の腐食調査機関は、金属材料の防食対策における年間コストがGDPの数%に及んでいることを試算しています。莫大なコストが腐食防食関連費として毎年費やされています。よって、金属材料の高耐食化や腐食抑制は、極めてインパクトの大きな技術となります。しかしながら、様々な金属材料が、様々な環境で使われることによって、予想もしない腐食現象が生じたり、予想を超える速度で腐食劣化が進むことがあります。我々の研究室では、金属材料を様々な環境中で使用したときにおこる腐食現象について､その機構の詳細を主に電気化学的手法によって調査しています。その機構をもとに､耐食性向上の方策を提案することや防食手法の確立を試みております。

3. 金属材料の環境劣化割れに関する研究

4. 電気化学を中心とした腐食劣化、寿命評価手法の開発

いかに優れた耐食性を有する金属材料でも､使用環境中において腐食劣化が避けられません。よって､腐食速度や腐食過程を継続的に監視することは、構造物等の安全と的確な管理において極めて重要となります。また、腐食環境での曝露試験や実験室試験においても、様々な環境に対して腐食反応の変化を追跡することは、新材料の開発や材料選定において有効な研究開発手法となります。我々の研究室では、交流インピーダンス法による腐食モニタリング技術を確立し、その普及に努めてきました。現在、さらにその精度の向上を図るとともに、新たなモニタリング手法を開発すべく基礎研究を行っています。

その他には、材料表面の局所的な電気化学特性を調査するための微小電気化学セル（図7左、ガラスキャピラリ先端の約100 umφでの電気化学測定が可能）やケルビン法（非接触参照電極）など、特殊な電気化学的手法を様々な腐食評価に適用しています。

材料系の全研究室を紹介したパンフレットは広報誌ページでご覧いただけます。

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※この内容は2016年4月発行の材料系 金属分野パンフレットによります。最新の研究内容については各研究室にお問合せください。