2019 Fiscal Year Research-status Report
Liquid-phase synthesis of fine Pt-based catalysts by ustilizing organic stabilizer and carbon surface functional groups for improvement of oxygen reduction activity
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19K05158
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| Research Institution | Kobe City College of Technology |
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Principal Investigator |
久貝 潤一郎 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (80617134)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清野 智史 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90432517)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノ粒子 / 窒素ドープ炭素 / 保護剤 / 表面官能基 / 酸素還元 / メタノール酸化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
窒素ドープ炭素の合成条件と物性の相関を探り、さらにその上に担持される白金系粒子の構造との相関を調べた。窒素ドープ炭素は市販の炭素粉末に各種遷移金属とフェナントロリン等の含窒素芳香族化合物を混ぜて熱処理をすることにより合成した。炭素粉末の塩基性を二酸化炭素の昇温脱離法で評価した結果、遷移金属の添加により弱塩基量(100℃付近で脱離する二酸化炭素量)が増加し、窒素導入量の指標にできることがわかった。一方、300℃以上では合成時に未分解のまま残った有機物が分解、脱離する。熱分析により、遷移金属を添加すると含窒素芳香族化合物の熱分解が促進されるが、窒素分は保持されることがわかった。窒素ドープ炭素の酸素還元反応に対する活性が加えた金属種に依存することから、金属種と窒素の配位結合部位が酸素還元の活性点であることが示唆された。
窒素ドープ炭素合成時に加えた遷移金属を除去した後、液相還元法により白金を担持したところ、炭素への窒素ドープにより白金の表面積が小さくなり、炭素表面が白金の構造に影響することが示唆された。メタノール酸化に対する白金単位質量あたりの活性の序列は白金の比表面積の序列と一致したが、比活性(白金表面積あたりの活性)は500℃で熱処理を行った炭素に担持された低表面積の白金において最も高かった。メタノール酸化が始まる電位は窒素ドープ条件に依存しなかったことから、メタノールの活性化エネルギーは反応経路等に作用するのではなく、白金表面への反応物のアクセシビリティに影響することが示唆された。
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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
炭素表面に含窒素有機物を含浸、熱処理して窒素分を導入し、この窒素ドープ炭素に白金を担持して、白金の構造特性や触媒活性を評価するところまで実施した。窒素ドープ炭素の各種の合成条件を検討した他、X線光電子分光法、走査型電顕、ラマン分光法、二酸化炭素昇温脱離法により窒素の化学分析や定量分析を実施した。窒素ドープ炭素自体の酸素還元活性を評価し、それに白金を担持した触媒のメタノール酸化活性を評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
窒素ドープ炭素に担持した白金粒子の分散性や形状と水素吸脱着挙動を調べ、電気化学的表面積の低下の原因を探る。窒素ドープ炭素を担体として用いてもメタノール酸化活性の開始電位に変化がなかったことからメタノールの活性化への寄与は小さいことがわかったが、酸素の活性化への寄与も調べる。炭素表面を白金粒子保護剤として利用する観点で、ホスフィン酸基を含む化合物を炭素表面に固定化し、白金の更なる微細化と高分散化を目指す。
更には、白金単元粒子だけではなく、白金と遷移金属の合金の担持、分散化を目指す。二元系ナノ粒子の合金化を促進する手段を既に見出しており、この合金合成条件と官能基を導入した炭素を組み合わせ、触媒の高性能化と高耐久化を図る。
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| Causes of Carryover |
購入を予定していた炭素材料の分光分析装置の代わりに、電気化学測定中の材料表面の吸着物の量と挙動を確実に捉えることができる水晶微小天秤装置を購入した。炭素の分光分析については、共同研究先と近隣の分析施設の装置利用申請を行う。炭素表面官能基の分析法(昇温脱離法)のガス分析に質量分析装置を用いる予定であったが、ガスクロマトグラフの熱伝導度検出器で代用できることから、質量分析計の整備費を炭素材料の分光分析費として来年度に繰り越した。
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