2021 Fiscal Year Final Research Report

Single-atom catalysts on atomic vacancies created by charged-particle irradiation: the mechanism of high activity and guiding principle for catalyst design

Research Project

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Project/Area Number	18H01923
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
Research Institution	National Institutes for Quantum Science and Technology
Principal Investigator	YAMAKI Tetsuya 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所先端機能材料研究部, プロジェクトリーダー (10354937)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	出崎亮国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所先端機能材料研究部, 上席研究員 (10370355) 松村大樹国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門原子力科学研究所物質科学研究センター, 研究主幹 (30425566) 田口富嗣国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所東海量子ビーム応用研究センター, 上席研究員 (50354832) 池田隆司国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所放射光科学研究センター, 研究統括 (60370350) 岡崎宏之国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所先端機能材料研究部, 主任研究員 (90637886) 寺井隆幸東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90175472)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	固体高分子形燃料電池（PEFC） / 電極触媒 / 酸素還元反応（ORR） / 荷電粒子ビーム / 界面構造 / 原子空孔
Outline of Final Research Achievements	High activity is one of the primary requirements for the catalysts in proton exchange membrane fuel cell applications. Platinum (Pt) is the best known catalyst, especially for oxygen reduction at the cathode; however, further activity improvements are still required. Previous computational studies suggested that the activity of Pt nanoparticles could be enhanced by a Pt-carbon (C) support interaction. We have recently found that an enhanced electronic interaction occurs at the interface between an argon-ion (Ar+)-irradiated glassy carbon (GC) surface and Pt nanoparticles. Here, we report a more than twofold increase in specific activity for the Pt nanoparticles on the irradiated GC substrate compared to that on the nonirradiated GC substrate. The mechanism of this activity enhancement was investigated by local structure analysis of the interface. Ar+ irradiation of the carbon support led to the formation of Pt-C bonding, thus protecting the deposited Pt nanoparticles from oxidation.
Free Research Field	量子ビーム材料科学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	カーボンニュートラル実現に向け、固体高分子形燃料電池（PEFC）のコスト低減が不可欠な課題である。PEFC用カソード触媒の従来研究として、Ptナノ微粒子の粒径・分散性制御、Pt-M合金・複合化 (M：安価な遷移金属)、非Pt系材料の探索などが試みられてきたが、本研究はこれらと異なる新しい発想をもとに高活性なPt触媒の作製方法を提案するものであり、PEFCの低コスト化に貢献できると期待される。