2018 Fiscal Year Research-status Report
鉄系高活性酸素還元触媒と酸素イオン移動層を組み合わせた固体高分子形燃料電池の開発
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18K05301
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高瀬 聡子 九州工業大学, 大学院工学研究院, 助教 (60239275)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 複合金属錯体触媒 / 酸素還元触媒 / 錯体結晶 / 疎水性相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、固体高分子形燃料電池のカソード用触媒として、低コストで白金に匹敵する活性を示すが耐酸性が低い鉄錯体を電極触媒として使用可能とする電極構造を構築することである。そのために、鉄錯体触媒と耐酸性が高い触媒を電極内に適切に配置することを試みる計画である。そのために、まず、申請者らが開発した溶液を用いる金属錯体触媒結晶相の制御法である界面析出法を発展させて、複合錯体結晶や種々の結晶相形成を行った。金属錯体の触媒特性や電気的特性は結晶相中の金属間距離に依存しているために、結晶相制御は需要である。特に、化学的に高い安定性を示すために注目している金属フタロシアニンは中心金属によって結晶相の安定性が異なり、複合系の特性は未知数である。
2018年度は、主に界面析出法による鉄フタロシアニンの複合化を試みた。界面析出法では、疎水性の錯体分子が溶解している有機溶液を水溶液に滴下する。有機溶液が水溶液に接触した時に疎水性の錯体分子は析出し、その時に疎水性相互作用を駆動力として形成される錯体分子の結晶相は有機相中と水溶液中の化学種の組み合わせで安定な相が選択的に得られることを見い出している。そのため、種々の溶液組成を組み合わせることで、様々な錯体結晶が得られるだけでなく、得られた物質の安定性が高く電極材料としての応用が期待できる。鉄フタロシアニンのみでは、酸素還元反応中に分子からの中心金属の鉄の離脱による触媒活性喪失が起こっていたが、コバルトフタロシアニンと複合系とすることで、失活が見られなくなった。しかし、フタロシアニン分子のみの積層体では、コバルトと複合系とすると鉄のみより初期の活性が低かったが、ヨウ素イオンとの分離積層体とすることで、活性の向上が見られた。
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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
計画当初は、鉄錯体の電極反応時の失活は克服不可と考えていたために、電極内の酸性雰囲気にならない場所に鉄錯体を配置し、主に、鉄錯体には酸素分子の吸着速度が大きな解離吸着の場としての働きを期待していた。それによって、白金以外の触媒で問題となっている低い酸素吸着速度と大きな過電圧という課題を解決できると期待していた。
しかしながら、界面析出法によって、鉄以外の金属を中心に持つ金属フタロシアニンと複合化を行ったところ、耐久性の向上が見られる複合系が見つかった。一方、、紫外可視吸収スペクトルから、鉄フタロシアニンとの複合系触媒の第1遷移エネルギーを示すQバンドは鉄フタロシアニンと同様に他の金属フタロシアニンよりも長波長側にあり、遷移エネルギーが小さいことが示唆され、また、サイクリックボルタンメトリーの結果から、低過電圧域に還元電流が見られるようになることからも、鉄フタロシアニン複合触媒上での電気化学反応は活性化エネルギーが小さいことが示唆された。つまり、複合化が鉄フタロシアニンの活性は維持しつつ、耐久性が向上するという結果が得られた。
そのために、耐酸性のルテニウム系のパイロクロア型酸化物との複合化を先送りにして、複合金属錯体結晶の触媒特性を詳細に検討した。
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| Strategy for Future Research Activity |
界面析出法は、有機溶液と水溶液中の成分の組み合わせで結晶相形成を行うために、親水性のイオンや疎水性の錯体や有機分子を構成化学種とする物質が構築可能である。これを利用して、多様な金属錯体結晶を形成し、実用的な非白金系燃料電池のカソードを開発する。
計画作成時の目的の、耐酸性酸化物触媒とのコンポジット化を電気泳動析出法と界面析出法を応用した手法で行う。
金属錯体結晶の種類としては、鉄フタロシアニンとそれ以外の遷移金属を中心金属に持つフタロシアニンとの複合化結晶と金属フタロシアニンとヨウ素イオンの分離積層体が安定に得られている。まずは、これらの複合状態と触媒活性との相関を明らかにすることと、それらの知見に基づいて白金に匹敵する活性を示す触媒を構築する。また耐久性の向上が見られる系の構築と、その耐久性発現の理由を考察し、触媒設計の指針とする。
さらに、電極内の物質移動をスムーズにすることで、三相界面構築にとらわれない電極反応場の構築が電極反応に適当な電極構造になり得るか検討する。
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| Causes of Carryover |
予定していた国際会議（国際電気化学会 イタリア）の発表申込み締切が本科研費の交付決定より早かったために、参加できなかった。また、合成装置としてマイクロ波合成装置の購入を挙げていたが、2018年度は溶液を混合するのみの合成手法を広く応用し、多様な溶液を用いることで様々な触媒合成を行うことができたために、予定していた装置の購入は見送った。
合成手法に電析していることと、電池作製と反応解析を予定していることから、電源または電気化学測定装置の購入を現段階では、検討している。
また、国際会議として、2020年に開催される、アメリカ電気化学会か国際電気化学会に参加し、発表する予定とした。
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Research Products
(1 results)
