Scaling effect of pi conjugated electrons in ORR activity of N-doped graphene
| Project/Area Number |
22K04919
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
武安 光太郎 筑波大学, 数理物質系, 助教 (90739327)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 燃料電池正極触媒 / 窒素ドープカーボン触媒 / 反応機構 / 燃料電池 / 酸素還元反応 / 表面反応 / 反応メカニズム |
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| Outline of Research at the Start |
現在、市販の水素燃料電池の正極には、高価で埋蔵量の少ない白金を用いた触媒が用いられていますが、持続的、広範に普及するためには、白金を用いない触媒を運用する必要があります。その候補として窒素ドープカーボン触媒が注目されていますが、運用時の酸性環境下で活性が低下することが実用化の課題となっています。最近、私達は熱的な酸素吸着反応と電気化学的還元反応が同時に進行する過程が窒素ドープカーボン触媒の活性を決めていることを明らかにしました。この反応過程を、炭素骨格の形状と電子状態にどのように決定されるのかを明らかにし、窒素ドープカーボン触媒の活性を大幅に向上させる指針を得ることを目的に研究を行います。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度は、in-situ CARS装置の立ち上げと、分子系窒素ドープカーボンモデル触媒における反応メカニズムの研究を推進した。まず前者については、窒素ドープカーボン触媒の反応中間体を直接観測するために、in-situ コヒーレントアンチストークスラマン散乱（CARS）装置の開発を行った。8の字型の光ファイバー系共振器を組み、受動モード同期により、中心波長1570 nm、繰り返し周波数47MHzのパルスレーザー列を生成した。このレーザーを２経路に分岐させ、１経路の光はアンプし、もう１経路の光は、同時に複数の振動モードを測定するために高非線形ファイバーを通過させて広帯域化した。その結果、波長1100 nm~2100 nmに分布する広帯域光を生成することに成功した。今後、CARS信号を生成し、窒素ドープカーボン触媒の反応解析へと応用する。
また、分子系窒素ドープカーボンモデル触媒における反応メカニズムを、電気化学的手法、電子状態の観測から調べた。モデル触媒の表面状態について観察した結果、酸塩基平衡を考慮した立ち上がり電位を決める素過程が、電気化学測定の結果を再現した。このことから、pyri-Nの酸塩基平衡によって立ち上がり電位を決める素過程が切り替わることが明らかとなった。また、酸電解液中で活性低下するのはイオン性のpyri-NH+が水和安定化することで反応中間体のpyri-NH生成電位が下がるためであった。つまり、窒素ドープカーボン触媒の活性向上には活性点近傍の疎水性を高めることでpyri-NH+の水和を防ぐことが重要であることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022年度は、異なるπ共役系の中でも、分子系窒素ドープカーボンモデル触媒のメカニズム解明にフォーカスし、pHをまたいだ反応メカニズムが明らかになってきた。また、中間体をin-situ測定するために立ち上げ予定のCARS装置についても、光源が完成し、2023年度中盤には電極反応の観測が可能になると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は、メゾスケールのサイズを持った重合系窒素ドープカーボン触媒を用いてオンセット電位、pyri-NHの生成電位などを比較することにより、π共役系の効果を明らかにする。また、in-situ CARS装置の完成を目指す。光源から出た２系統の光をフォトディテクターにより測定し、光路長を合わせる。また空間的に入射光を重ね合わせるために、ビームエクスパンダーを通してビーム径を拡大し、対物レンズに入射させる。2系統の光が対物レンズを通り集光された際のスポットを顕微測定し、空間的にスポットを調整する。またCARSでは原理上、複数のバックグランドが検出されるため、目的の信号を抽出できる配置及び解析法を確立する必要がある。特に非共鳴バックグラウンドとの識別をするために、ポンプ光のバンド幅を狭帯域化し、散乱光に含まれるレイリー光を除去するフィルターを挿入する。まずはCARSが強く発生するテストサンプルで透過配置で測定を行う。その後、電極触媒表面の観測に移行する。電解液中で電位印加を行いながら測定ができるように、専用の電気化学セルの設計・製作を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(30 results)
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[Journal Article] Hydrogenation of Formate Species Using Atomic Hydrogen on a Cu(111) Model Catalyst2022
Author(s)
Kotaro Takeyasu, Yasutaka Sawaki, Takumi Imabayashi, Septia Eka Marsha Putra, Harry Handoko Halim, Jiamei Quan, Yuji Hamamoto, Ikutaro Hamada, Yoshitada Morikawa, Takahiro Kondo, Tadahiro Fujitani, and Junji Nakamura
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Journal Title
Journal of the American Chemical Society
Volume: 144
Issue: 27
Pages: 12158-12166
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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