Development of carbon flame catalysts for oxygen reduction reaction with 4 electron process

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15356
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Takeyasu Kotaro 筑波大学, 数理物質系, 助教 (90739327)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 窒素ドープカーボン触媒 / 燃料電池 / 酸素還元反応

Outline of Final Research Achievements

We have elucidated the initial reaction step of oxygen reduction reaction and the mechanism of the activity decrease in acidic medium for nitroge-doped carbon catalyst by using a model catalyst with homogeneous active sites. The main active site of nitrogen-doped carbon catalysts is pyridinic nitrogen which exists as a pydinium in acidic medium. The application voltage caused the simultaneous promotion of the thermic oxygen adsorption and the electrochemical reduction of the pyridinium. The effective promotion of the reaction in acidic medium was clarified to require the shift of the redox potential to the higher voltage by the introduction of hydrophobicity around the active site.

Free Research Field

表面化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

燃料電池カソード極の白金代替触媒として期待される窒素ドープカーボン触媒において、熱的な酸素吸着と電気化学的な還元反応が同時に進行するメカニズムが明らかになりました。このメカニズムに基づき、動作時の酸性環境下で窒素ドープカーボンの活性を向上させるためには、活性点であるピリジン型窒素近傍の親水・疎水環境を制御することが重要であることも分かりました。この設計指針のもと、疎水性を向上させた実用窒素ドープカーボン触媒の開発にも着手しています。実際に燃料電池の正極触媒として運用可能な触媒性能を得られる日も遠くないと考えています。