2015 Fiscal Year Annual Research Report
Development of non-precious metal carbon electrocatalysts for polymer electrolyte fuel cell by biomimetic approaches
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15H03857
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小野田 晃 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60366424)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 酸素還元反応 / カソード電極 / 非貴金属触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体高分子型燃料電池は、高効率なエネルギー変換を実現する技術として期待されており、カソードでの酸素から水への４電子還元を伴う酸素還元反応に対して、白金に代わる安価で高活性・高耐久性を兼ね備えた電極触媒の開発が急務である。本研究では、高効率に酸素還元反応を触媒している生体の金属酵素の多核金属中心を規範とし、非貴金属活性点を組み込んだ含窒素カーボン電極触媒の開発を実施した。前駆体となる金属錯体の配位子骨格が、焼成後の触媒活性点の形成に極めて重要であるという独自に見出した知見を踏まえて、シンプルなサレン骨格を基盤として高活性・高耐久性を実現した非貴金属カーボン電極材料を探索した。異なる配位子骨格を有する金属サレン錯体（M= Fe, Co, Cu 等）を前駆体として、カーボン担体に固定化した後に焼成し、非貴金属活性点を有するカーボン電極触媒を調製した。使用するカーボン担体は、バルカンX、ケッジャンブラック 等の種類の異なるものを使い、焼成条件を変えて触媒を多数調製した。触媒は、ナフィオン膜と混合後に回転リングディスク電極に塗布し、酸素飽和の過塩素酸溶液中で、ORR 反応活性およびH2O2 の生成量を評価した。あわせて、鉄サレン錯体については、カーボン触媒の窒素および金属の含有量、XAFS 測定による鉄の化学状態、X線光電子分光による窒素の結合状態についても検証した。その結果は、芳香環を導入した鉄サレン配位子を前駆体に用いたカーボン触媒で、オンセット電位が正側シフトし、触媒活性が向上することが明らかとなった。
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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
当初の予定通りに、サレン系配位子を有する鉄、コバルト、銅を含む金属錯体を前駆体としてカーボン触媒調製と評価を行い、芳香環を拡張したサレン錯体が、酸性水溶液中での酸素還元反応においてオンセット電位が大幅に向上する触媒を見出すことに成功した。また、異種金属の前駆体を混合して調製したカーボン触媒では、さらにオンセット電位がシフトし、４電子還元が進行することを見出しており、概ね順調に研究が進行した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の方針として、本研究により見出した有望なサレン骨格を軸として、金属サレン錯体により多数の芳香環を導入した前駆体して探索を進めながら、高い触媒活性を示すカーボン触媒の作製を実施する。鉄サレン錯体を前駆体としたカーボン触媒での結果を踏まえて、銅錯体から調製したカーボン触媒についてもX線吸収分光を用いて、カーボン触媒中に含まれる金属中心の構造や化学状態を決定する。X線光電子分光を利用して、窒素成分の化学結合状についても明らかにする。また、新たに、二核化銅サレン配位子を前駆体に用いてカソード電極触媒を作製する。焼成条件やカーボン担体の種類を変えた触媒調製の最適化を行った上で、ナフィオン膜と混合後に回転電極に塗布し、酸素飽和の過塩素酸溶液中で、ORR 反応活性の評価を行う。次年度以降は、膜/電極接合体（MEA）を作製し、燃料電池としての評価も実施する。
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Research Products
(3 results)
