2021 Fiscal Year Annual Research Report
Develpoment and evaluation of highly durable and active electrocatalyst for fuel cell based on the controlling the interface between support and noble metal
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20H02839
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
柿沼 克良 山梨大学, 大学院総合研究部, 特任教授 (60312089)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
内田 誠 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (10526734)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 固体高分子形燃料電池 / カソード / 電極触媒 / 酸素還元活性 / ナノ粒子 / 酸化物 / ナノアーキテクト二クス / 耐久性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2050年カーボンニュートラルの実現に向けて様々なモビリティへ固体高分子形燃料電池(PEFC)の応用が求められ、触媒には高い耐久性と触媒活性が求められる。固体高分子形燃料電池の電極触媒には、カーボン上にPtナノ粒子を高分散担持したものが用いられ、組成制御・ナノアーキテクトニクスによる活性向上がこれまで図られてきた。一方、本研究ではPt触媒-酸化物担体界面の結晶配列を積極的に利用し、触媒の電子伝導性・触媒活性及び耐久性が向上させることで新たな電極触媒を見出した。本年度は酸化物ナノ粒子の結晶面を積極的に利用して、配向担持させた貴金属系触媒との固固界面の電子状態に注目し、貴金属-酸化物相互作用を解析した。
各ドーパントを固溶したSnO2系ナノ粒子担体にてPtナノ粒子の自己組織化を利用して、Ptナノロッドに制御すると共に、触媒活性の高い（111）面を優先配向させた。この活性は市販触媒の３倍程度になることを確認後、XPS及びHAXPESを測定した。これまでは、電子ドネーションによりPtのスペクトルにはケミカルシフトが確認されていたが、今回はPtの結合エネルギーが大幅にシフトし、単身Pt金属とほぼ同等になることを明らかにした。今後、Ptと酸化スズとの界面電子状態等を解析することで電子状態変化等のメカニズムを解明できると予想される。さらに、同様な方法にてPtナノロッドを担持したCeO2担体
触媒にて、PtとCeO2の界面にて担体の還元反応が促進し3価のCeイオンが生成することを見出した。この低価数のセリウムイオンは伝導電子の供給源となり触媒の電気伝導度が大幅に向上することをXPS、HAXPES、ケルビンプローブにて明らかにした。今後、活性と電子状態との相関、界面構造変化等を詳細に検討する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまで絶縁体であり燃料電池用触媒担体としては不向きであったCeO2系に対し、ナノアーキテクト二クス及びPtとの界面制御をすることにより、そのPt触媒に金属的な伝導性を付与し高い触媒活性を付与することに世界で初めて成功した。Journal of Catalysisに掲載し９０日間での不ダウンロード数がトップレベルであることからも注目されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、セラミックナノ粒子としてSnO2及びCeO2代表とする担体に、Ptナノ粒子の自己組織化を利用して、Ptナノロッドを担持した触媒を合成し、電子状態や微細構造の更なる解析を進める。既に触媒を用いたセル性能にて、3倍以上の触媒活性と2000倍以上の耐久性を有することを世界で始めて見出し、従来は合金触媒でのみ到達するレベルであることを明らかにしているが、そのメカニズム解明を目的に上記解析を進める。、Ptナノロッドを担持したCeO2触媒では、触媒活性と耐久性の両立だけでなく、スカベンジン効果などの新たな機能を付与し、その効果の更なる検証を進める。
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