2016 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エネルギー・環境問題の克服が世界的に求められる中、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最も期待されている。しかし、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の高活性な電極触媒の開発が依然としてボトルネックとなっている。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。非貴金属原料とした芳香環拡張型の金属サレン錯体を活用し、触媒活性点のプリカーサ-を調製後に焼成する手法により、触媒活性点デザインの技術を高め、高活性・高耐久性を実現した非貴金属カーボン電極材料の調製と酸素還元反応における触媒活性評価を行った。具体的には、Feサレン錯体に加えてCuサレン錯体を含む原料として作製し、バルカンX、ケッジャンブラック等の多種のカーボン担体を混合した上で、約1000 度Cで焼成後、酸洗浄により触媒を調製した。調製後の触媒を元素分析、誘導結合プラズマ発光分析、光電子分光により鉄と窒素を活性部位として含むことを確認した。このFeCu カーボン触媒とナフィオン膜と混合後に回転ディスク電極、あるいは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、酸素還元反応活性の評価を行ったところ、4電子還元反応がより効率的に進行していることが明らかとなった。さらに、このFeCuをサイトを含む触媒の改良と、構造評価と活性評価を実施した。
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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、特に鉄と銅の芳香環拡張型サレン錯体を組み合わせて調製したカーボン触媒が、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し、４電子還元がより効率的に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 |
昨年度までに、芳香環拡張型サレン配位子をもつFe錯体を前駆体として焼成により調製したFe/N/Cカーボン触媒が、酸性条件下での電気化学的な酸素還元反応に対して、高い触媒活性を有することを見出している。さらに、前駆体にFe およりCuサレン錯体を混合調製したカーボン触媒については、さらにオンセット電位が正側にシフトし、活性向上することも確認しており、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明らかにした。以上に述べたように、熱的安定性が向上した芳香環拡張した金属錯体が、カーボン触媒の前駆体とした有望であることを踏まえ、より熱的に安定性を高くした前駆体の合成と、それを前駆体に活用したカーボン触媒の調製と活性評価を実施する。これまでと同様に、X線光電子分光を利用して、カーボン触媒の窒素成分の化学結合状についても明らかにする。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。酸素還元に加えて、酸素発生反応に対する触媒活性についても評価も実施する。
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Research Products
(8 results)
