Pt free fuel cell electrocatalysts composed of 3D graphene and non-precious metal nano particles

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17F17345
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 中村 潤児 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40227905)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): SINGH SANTOSH 筑波大学, 数理物質系, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2017-11-10 – 2020-03-31
• Keywords: 燃料電池 / 白金代替触媒 / 窒素ドープ / カーボン触媒 / カソード

Outline of Annual Research Achievements

本研究は窒素をドープしたグラフェンの３次元体構造を用いて白金フリー酸素還元用電極触媒を構築することを目的としている。特に、多孔質中を酸素分子、プロトンが良く拡散し、かつ電気伝導性に優れた触媒を目指している。触媒設計指針としてドープ窒素の構造最適化および高密度化を目指すが、加えて非貴金属ナノ粒子を適宜添加する。酸素還元反応は４電子過程であるが、２＋２電子過程を仮定し、最初の2電子過程はドープ窒素近傍、次の2電子過程は添加ナノ粒子を用いて、高活性触媒を調製する。
平成２９年度は、窒素ドープグラフェン触媒の調製からスタートした。よく知られるハマー法を用いてグラファイト粉末からグラフェンナノシートを調製した。さらにアンモニアを用いて窒素をドープした。窒素ドープグラフェン触媒の酸素還元活性を回転電極実験法によって測定した結果、予想通り活性があることを確認した。次に、FeN4ナノ粒子を窒素ドープグラフェンへ担持させ、触媒活性促進効果を評価した結果、高活性であることがわかった。この結果を踏まえて、さらに、NaCl微結晶を用いた3dネットワーク触媒系の構築を試みた。立方体構造のNaCl微結晶を鋳型として酸化グラフェン粉末とフェロインを混合し、焼成後NaClを除去して、FeN4/グラフェン触媒を作製した。この3d触媒の酸素還元反応を回転電極試験法で測定した結果、オンセット電圧が0.9 V近くを示し、高活性であることが明らかとなった。本実験結果は、窒素ドープナノグラフェンを分散することにより活性が向上することを示している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

立方体構造のNaCl微結晶を鋳型として3d構造のFeN4/グラフェン触媒を作製することができた。さらに、この3d触媒の酸素還元反応を回転電極試験法で測定した結果、オンセット電圧が0.9 V近くを示し、高活性であることが明らかとなった。研究開始後、５か月の間にインパクトのある実験結果が得られたことは大きな進捗である。

Strategy for Future Research Activity

窒素ドープカーボン触媒を実用的レベルまで引き上げるためには、ⅰ）マクロ孔、メソ孔およびミクロ孔を制御したガス拡散経路の構築、ⅱ）ピリジン型窒素含有共役系分子の高活性化および高密度化、ⅲ）親水性、疎水性の適度な制御によるプロトン移動経路の構築の3点が特に重要である。平成30年度は、引き続きNaCl微結晶を鋳型とした3d型のグラフェン担持ボトムアップ触媒をつくるが、狙いは、窒素含有分子の高密度吸着と親水性・疎水性の制御である。ボトムアップ触媒とCNTを組み合わせ3d触媒システムを構築するが、CNT表面に適宜官能基を導入して親水性・疎水性を制御する。

Remarks

中村近藤研究室ホームページ
http://www.ims.tsukuba.ac.jp/~nakamura_lab/