Design and Development of Formate Oxidation Catalysts Based on Core-Shell Type Nanonetwork for Fuel Cell Applications

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04783
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 黒木 秀記 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任准教授 (70716597)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ギ酸塩酸化触媒 / コアシェル / ナノネットワーク / 担体フリー / 触媒層 / 固体アルカリ燃料電池 / 液体燃料

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、ギ酸塩水溶液を直接燃料に用いる固体アルカリ燃料電池(DF-SAFC)の高性能化に向けて、Pd系コアシェル型ナノネットワークを基盤としたギ酸塩酸化触媒および触媒層の設計・開発を目的としている。2021年度は、Ruナノ粒子が連結したRuナノネットワーク表面上へのPdシェル層形成とその構造制御に取り組んだ。
まず、Ruナノネットワーク表面にPdシェル層を形成させるために、Cuアンダーポテンシャル析出法(Cu UPD法)を検討した。Ruネットワーク上にCuの単原子層を電気化学的に析出させ、その後、Pd前駆体を添加し、イオン化傾向の違いでCuとPdをガルバニック置換させた。置換条件(pH、温度など)を検討したところ、サイクリックボルタンメトリー(CV)カーブにおいてPd由来のピークが観察され、Ru表面へのPd析出が確認された。一方で、Ru由来のピークも観察されたため、一部Ruが露出した不均一な被覆であることが示唆された。
別の合成法として、Ruナノネットワーク表面にPdシェル層を直接析出させる方法(ソフトアルコール還元法)の検討も行った。Ruナノネットワークを分散させた溶液にPd前駆体(Pd(NO3)2)水溶液を添加し室温で反応させることでPdシェル層の形成を試みた。しかしながら、Ru表面にはPdナノ粒子が形成されたため、反応性の高いPd前駆体では溶液中で均一核発生が起こったことが示唆された。Pdシェル層を形成させるためには、Ru表面でPdの不均一核発生を生じさせる必要がある。この結果を踏まえて、異なるPd前駆体や還元剤の使用による反応の制御を現在進めている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2021-2022年度は、新規ギ酸塩酸化触媒である、Pd系コアシェル型ナノネットワーク触媒の開発をメインに進める計画である。2021年度はCu UPD法とソフトアルコール還元法を用いたPdシェル層形成に取り組んだ。その結果、Ru表面により均一なPdシェル層を形成するための指針が得られ、現在、さらなる合成条件の検討を進めている。また、合成した触媒については、回転電極装置を用いたアルカリ電解液中でのギ酸塩酸化活性の評価に着手している。以上から、2021-2022年度の研究計画を順調に進めており、Ru@Pdコアシェル構造とギ酸塩酸化活性の関係性を明らかにすることで、高活性なギ酸塩酸化触媒の設計指針が獲得できると期待される。

Strategy for Future Research Activity

2022年度は、Ruネットワーク表面上への均一なPdシェル層を形成するための反応条件の検討を引き続き進める。加えて、Pd前駆体の供給量等でPdシェル層の被覆率・厚みの制御にも取り組む。得られた触媒を用いて、Ru@Pdコアシェル構造とギ酸塩酸化活性の関係性を整理し、高活性な触媒表面構造の設計・開発にフィードバックさせる。
2023年度は、開発したRu@Pdナノネットワーク触媒をDF-SAFCのアノード触媒層に展開し、DF-SAFCでの発電試験、電気化学測定を行う。得られた結果から、高空孔率・薄層の担体フリー触媒層がギ酸塩の輸送抵抗に与える影響を考察し、DF-SAFCの高性能化のための設計指針獲得を目指す。