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白金代替カーボンアロイ触媒

  • Platinum-Substitute Carbon Alloy Catalysts
※こちらの書籍は,電子書籍(eBook)として販売をしております。
・価格3,400円(税抜)
丸善販売サイト「Knowledge Worker」にてPDF版販売中!
http://kw.maruzen.co.jp/ims/itemDetail.html?itmCd=1024391069

★ 1/10以下の低価格で稀少・高価な白金触媒を代替!
★ 他の貴金属触媒への代替も期待されるカーボンアロイ材料!
★ PEFC,H2O2製造,アルコール酸化,C-C結合など数多くの応用を網羅!
★ 触媒機能発現原理,設計,キャラクタリゼーション,特許までを解説!

商品コード: T0712

  • 監修: 宮田清藏
  • 発行日: 2010年4月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判、215ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0171-6

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  • グラフェン / フラーレン / CNT / NEDO / ナノシェル炭素 / C-C複合材料 / チッ素ドープカーボンアロイ / 燃料電池 / 層間化合物 / 多孔質材料

刊行にあたって

 化学反応は原子間における電子の授受によって招来する。この反応速度を加速する触媒としては原子内に電子を多く有している原子番号の大きな遷移金属及びその化合物が従来用いられてきた。炭素は原子番号6であり,電子はしっかり原子核の廻りに固定されていることから触媒機能を示すと思われていなかった。しかし6個の電子はハイブリッド化してSP,SP2,SP3などの混成軌道を形成し,これらが結合することにより触媒機能を有する。最近はSP2混成軌道よりなるグラフェン,フラーレン,カーボンナノチューブなどが注目されている。
 白金は産出国が片寄っている上に産出量が少ない。他方,カーボンアロイ触媒は天然物から焼成することができる。本書では現状におけるカーボンアロイ触媒の研究開発について全て網羅している。カーボンアロイ触媒は未だ全貌が明らかになっている訳ではないが,本書が読者のインスピレーションを刺激して新しい発展の一助になることを祈ってる。
(「『白金代替カーボンアロイ触媒』発行によせて」より抜粋)

2010年3月  宮田清藏

著者一覧

安田榮一   東京工業大学 イノベーション研究推進体 ナノファイバー先導研究戦略推進体 特任教授
宮田清藏   (独)新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) シニアプログラムマネージャー;東京工業大学 国際高分子基礎研究センター 特任教授
尾崎純一   群馬大学 大学院工学研究科 環境プロセス工学専攻 教授
畳開真之   東京工業大学 大学院理工学研究科 有機・高分子物質専攻;帝人(株) 新事業開発グループ 融合技術研究所
柿本雅明   東京工業大学 大学院理工学研究科 有機・高分子物質専攻 教授
難波江裕太   東京工業大学 大学院理工学研究科 有機・高分子物質専攻 特任助教
斉木幸一朗  東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授
守屋彰悟   東京工業大学 大学院理工学研究科 有機・高分子物質専攻 プロジェクト研究員;日清紡ホールディングス(株) 新規事業開発本部 新規事業開発室 室員
尾嶋正治   東京大学 大学院工学系研究科 応用化学専攻 教授
黒木重樹   東京工業大学 大学院理工学研究科 特任准教授
池田隆司   (独)日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究部門放射光科学研究ユニット 研究副主幹
S.F.Huang   北陸先端科学技術大学院大学 先端融合領域研究院 研究員
M.Boero   Institut de Physique et Chimie des Materiaux de Strasbourg(IPCMS) Director 
寺倉清之   北陸先端科学技術大学院大学 先端融合領域研究院 特別招聘教授
近藤剛弘   筑波大学 大学院数理物質科学研究科 物質創成先端科学専攻 助教
中村潤児   筑波大学 大学院数理物質科学研究科 物質創成先端科学専攻 教授
山中一郎   東京工業大学 大学院理工学研究科 応用化学専攻 准教授
早川晃鏡   東京工業大学 大学院理工学研究科 有機・高分子物質専攻 准教授
山口和也   東京大学 大学院工学系研究科 応用化学専攻 准教授
水野哲孝   東京大学 大学院工学系研究科 応用化学専攻 教授
荒井正彦   北海道大学 大学院工学研究科 有機プロセス工学専攻 教授 
藤田進一郎  北海道大学 大学院工学研究科 有機プロセス工学専攻 講師
上嶋康秀   帝人(株) 経営企画部門 技術戦略室 担当部長

目次

第1章 カーボンアロイとは
1. はじめに
2. カーボンアロイの定義
3. カーボンアロイの分類
4. 最近のカーボンアロイ研究
5. おわりに

第2章 カーボンアロイ触媒の経緯~白金をめぐる最近の事情~
1. はじめに
2. 白金の触媒作用
3. NEDOカーボンアロイ触媒プロジェクト

第3章 カーボンアロイ触媒の機能発現
1. 炭素材料概論
1.1 炭素化の化学
1.2 カーボンアロイ
1.3 炭素材料の難しさとカーボンアロイ
2. 異種元素導入による炭素の物性制御
3. 触媒黒鉛化
4. ヘテロカーボン
5. 炭素表面の触媒作用
6. 酸素還元活性
7. 終わりに

第4章 カーボンアロイ触媒の作製法

1. ナノシェル炭素
1.1 ナノシェルの構造的特徴と電気化学的性質
1.1.1 構造的特徴
1.1.2 電気化学的性質
1.2 ナノシェルの酸素還元活性
1.2.1 フェロセン系
1.2.2 フタロシアニン系
1.2.3 ナノシェルの活性支配因子

2. ポリマーから見た設計
2.1 背景
2.2 含窒素芳香族高分子の重合
2.2.1 芳香族ポリイミド(PI)の合成方法
2.2.2 芳香族ポリアミド(PA)の重合方法
2.2.3 芳香族ポリベンゾアゾール(Az)の重合方法
2.3 含窒素芳香族高分子の焼成及び特性評価
2.4 含窒素芳香族高分子の焼成過程の観察
2.5 含窒素芳香族高分子化合物へのFeの添加
2.6 まとめ

3. 添加金属の効果 
3.1 炭素化初期の働き
3.2 鉄微粒子の生成と高次構造に及ぼす影響
3.3 電極触媒活性に及ぼす影響
3.4 FePc/PhRsの炭素化における鉄の作用

第5章 カーボンアロイ触媒の機能

1. 炭素構造とグラフェン構造 
1.1 はじめに
1.2 炭素の化学結合
1.3 固体炭素の諸構造
1.4 グラファイト構造とグラフェン構造
1.5 グラフェンの端構造
1.6 グラフェン端構造の実験的検証
1.7 グラフェン端の電子状態
1.8 グラフェンの欠陥構造

2. カーボン触媒の高性能化
2.1 ナノシェルの微細化
2.1.1 ナノシェルの形成過程と微細化
2.1.2 高分子化錯体を用いた微細化
2.1.3 限られた空間を用いた微細化
2.2 ナノシェルカーボンの高性能化
2.2.1 窒素・ホウ素ドープ炭素の酸素還元活性
2.2.2 ナノシェルへの窒素ドープ
2.3 おわりに

3. 酸素還元活性と4電子還元選択性 
3.1 回転リング・ディスク電極(RRDE)法
3.2 酸素還元反応性の理論計算
3.3 熱処理条件による電気化学的特性の変化
3.3.1 酸素還元活性
3.3.2 過酸化水素生成率
3.4 添加金属による電気化学的特性の変化
3.4.1 酸素還元活性
3.4.2 過酸化水素生成率

第6章 カーボンアロイ触媒のキャラクタリゼーション

1. 放射光を用いた解析
1.1 CAC中窒素不純物の化学構造・電子構造解析:硬X線光電子分光と軟X線吸収分光
1.2 CAC中残留遷移金属元素の化学構造、電子構造解析:硬X線光電子分光と軟X線吸収分光
1.3 in situ燃料電池解析システム

2. NMRおよびESR 
2.1 磁気共鳴現象(NMRとESR)
2.2 固体NMR法
2.3 NMR化学シフト
2.4 ポリピロールを前駆体としたカーボンアロイ触媒の酸素還元特性
2.5 カーボンアロイ触媒の1HNMR
2.6 カーボンアロイ触媒の15NNMR
2.7 カーボンアロイ触媒のESR

第7章 カーボンアロイ触媒の原理  

1. カーボンアロイ触媒の発現原理
1.1 はじめに
1.2 グラフェンの電子状態
1.2.1 ジグザグエッジ状態
1.2.2 窒素置換の効果
1.3 カーボンアロイの触媒活性
1.3.1 第一原理分子動力学に基づいた化学反応のシミュレーション法
1.3.2 酸素分子吸着過程
1.3.3 酸素分子還元過程
1.3.4 触媒サイクル
1.4 おわりに

2. 実験によるカーボンアロイ触媒の発現原理 
2.1 はじめに
2.2 白金微粒子を真空蒸着したグラファイト表面
2.3 Ar+イオンスパッタリング処理をしたグラファイト表面
2.4 N2+イオンスパッタリング処理をしたグラファイト表面
2.5 カーボンアロイ触媒の発現原理の可能性

第8章 酸化反応触媒

1. 過酸化水素製造
1.1 はじめに
1.2 燃料電池電解法による過酸化水素合成
1.3 カーボンアロイ電極触媒を用いた過酸化水素合成
1.4 カーボンアロイ電極触媒による中性過酸化水素水の合成
1.5 終わりに

2. カーボンアロイ触媒によるアルコールの酸化反応
2.1 はじめに
2.2 カーボンアロイ触媒によるベンジルアルコールの空気酸化
2.3 選択的酸化反応の機構の考察

第9章 カーボンアロイ触媒による合成反応

1. カーボンアロイ材料の化学合成用貴金属フリー触媒としての応用展開の可能性
1.1 はじめに
1.2 活性炭を触媒、分子状酸素を酸化剤とした酸化反応
1.3 グラファイト状カーボンナイトライド(g-C3N4)
1.4 まとめ

2. C-C結合生成反応
2.1 緒言
2.2 アンモオキシデーションによる炭素材料への窒素ドープ
2.3 窒素ドープカーボンアロイの塩基触媒活性
2.3.1 処理雰囲気と温度履歴の影響
2.3.2 処理温度の影響
2.3.3 アンモニア濃度の影響
2.3.4 処理時間の影響
2.3.5 触媒のリサイクル
2.4 窒素ドープカーボンアロイ触媒の性状と塩基触媒活性との関係
2.5 結言

第10章 カーボン系白金代替触媒の特許動向
1. はじめに
2. 特許調査範囲と対象特許文献の選別
2.1 調査範囲
2.2 選別と分類
3. 特許動向
3.1 技術別特許公開状況
3.2 年代別特許公開状況
3.3 研究機関別特許公開状況
4. カーボン系白金代替触媒の特許例
4.1 三洋電機/群馬大学
4.2 群馬大学
4.3 旭化成
4.4 地方独立行政法人大阪市立工業研究所/日本触媒
4.5 3M INNOVATIVE PROPERTIES CO(US)
4.6 ソニー
4.7 日本カーリット
5. まとめ

第11章 世界のカーボン系白金代替カソード触媒の動向
1. はじめに
2. 金属がORR活性点であると考えているグループ
2.1 カナダ(INRS:Institut national de la recherche scientifique)Dodetetグループ
2.2 ドイツ(Helmholtz-Zentrum Berlin fur Materialen and Energie)Bogdanoffグループ
3. 窒素をドープした炭素が触媒活性を有すると考えているグループ
3.1 日本(群馬大学)尾崎グループ
3.2 アメリカ(University of South Carolina)Popovグループ
3.3 アメリカ(The Ohio State University)Ozkanグループ
3.4 アメリカ(The University of Texas at Austin)Stevensonグループ
3.5 日本(信州大学)高須グループ
4. その他グループ
4.1 アメリカ(Los Alamos National Laboratory)Zelenayグループ
4.2 アメリカ3M社
5. おわりに
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