2022 Fiscal Year Annual Research Report
Material design and mechanistic study of carbon electro-catalysts for fuel cells
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20H00316
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
中村 潤児 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 教授 (40227905)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
有賀 克彦 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (50193082)
岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
近藤 寛 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (80302800)
神原 貴樹 筑波大学, 数理物質系, 教授 (90204809)
武安 光太郎 筑波大学, 数理物質系, 助教 (90739327)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 窒素ドープカーボン触媒 / 酸素還元反応 / ピリジン型窒素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本基盤研究Aにおいて、窒素ドープカーボン触媒の機能の本質が次式で表されるようなプロトン化したピリジン型窒素(pyri-N)の還元と連動した酸素分子の吸着であることが明らかとなった。pyri-NH+ + O2 + e- → pyri-NH + O2,a 燃料電池における酸素還元反応に用いる窒素ドープカーボン触媒の最大の問題は酸性環境下での活性低下であるが、その原因はpyri-NH+の水和であることが明らかとなった。したがって、活性点近傍の疎水性に保つことが活性を高めるために必要となる。この設計指針に従い、高活性触媒の調製を試みた。まず、ロータス効果（蓮の葉効果）により疎水性を導入するアプローチとして、籠状の構造を持った窒素ドープグラフェンを調製することにした。NaCl微結晶をテンプレートとしてその周りをグラフェンが囲むようにして籠状グラフェン触媒を作製することに成功した。この籠状構造の窒素ドープグラフェンは疎水性が高く、また、酸性電解質中での酸素還元反応活性もアルカリ性電解質のものとほぼ同等であり、白金系触媒にも迫る発電電圧を示した。一方で過電圧を印加した際の電流値は白金系触媒と比較して大きな減衰を示し、活性点へのプロトン供給が十分ではないことが明らかであった。そこで、プロトン伝導を担う高分子をまとったSiO2微粒子（ポリマーブラシシリカ粒子：PSiP）を籠状構造内へ導入してプロトン供給路を作ったところ、過電圧印加時の電流特性も白金系触媒と類似の傾向を示すまでに高めることができた。この籠状窒素ドープグラフェン触媒は、メタルフリー触媒としては世界最高レベルの正極触媒活性を持ち、白金系触媒よりも高い耐久性を示した。以上に述べたように、窒素ドープカーボン触媒の機能の本質的なメカニズムが明らかとなり、さらにそのメカニズムの理解に基づき高活性な触媒を調製することができた。
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| Research Progress Status |
令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。
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