2019 Fiscal Year Annual Research Report
Functional characterization and bottom-up synthesis of nitrogen-doped carbon catalysts
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17H01342
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
中村 潤児 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40227905)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70373305)
神原 貴樹 筑波大学, 数理物質系, 教授 (90204809)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 酸素還元反応 / 白金代替触媒 / 窒素ドープカーボン触媒 / 反応メカニズム / カーボンブラック / DFT |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々は活性な窒素ドープカーボン触媒の窒素はピリジン型であることを報告してきた。しかし、ピリジン型窒素（pyri-N）がどのように機能しているかは不明であった。本研究において、そのpyri-Nの機能やメカニズムの詳細が明らかとなった。具体的には、pyri-Nにおいて酸素の吸着と連動した電気化学反応が進行することが重要になる。pyri-Nがプロトン化してピリジニウムになった後、電子がπ*軌道に入ってpyri-NHが形成し、その電子を酸素分子が吸引しながら吸着する。実験では、Dibenz [a,c] acridine (DA) 分子などpyri-Nを含む分子とカーボンの担体からも窒素カーボンのモデル触媒を調製した。pyri-Nを含む分子は酸素還元活性を有することが電気化学測定によって明らかになった。このモデル分子は均一な局所構造を活性点として有するためメカニズム研究には有用であった。Pyri-Nは酸電解質で容易にプロトン化されピリジニウム窒素（pyri-NH+）となることがXPS測定によってわかった。すなわち、酸電解質を用いる燃料電池の反応条件下では常にpyri-NH+の存在を考慮しなければならない。本研究においては、O2反応分子の存在においてpyri-NH+が還元されpyri-NHに変化することが明らかとなった。この還元はN2の存在下では進行しない。すなわち、O2の吸着とpyri-NH+の還元が同時に進行する（pyri-NH+ + e- + O2 → O2ad + pyri-NH）。さらに、本研究では、酸化グラフェンを籠状構造とさせた窒素ドープカーボン触媒が高活性を示すことを発見した。この要因はpyri-NH+ の水和抑制によるpyri-NH+酸化還元電位の高電位シフトによるものと考えている。
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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