2022 Fiscal Year Annual Research Report

Development of highly active and durable electrocatalysts based on control of catalyst-electrolyte interaction

Research Project

Project/Area Number	22H02185
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Tokyo Metropolitan University
Principal Investigator	棟方裕一東京都立大学, 都市環境科学研究科, 助教 (00457821)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	イオン液体 / 混合電解質 / 燃料電池
Outline of Annual Research Achievements	電解質中のイオン種と燃料電池触媒の相互作用を詳しく解明しながら、イオン液体を含む混合電解質の設計を通して触媒－電解質間の相互作用を制御し、100 °Cを超える中温域でも燃料電池触媒を長期に安定に利用するための材料設計学理を確立することを目的に本研究を実施した。フルオロアルキル鎖長の異なるアニオンを含むイオン液体としてdiethylmethylammonium hexafluoromethanesulfonate ([dema][HfO])とdiethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate ([dema][TfO])を合成し、これらにリン酸を添加して燃料電池用の混合電解質を得た。熱的安定性を評価したところ、リン酸は中温域で脱水縮合による重量減少を示したが、各混合電解質は200 °C程度まで重量減少がなく安定であった。また、粘度測定を行ったところ、混合電解質は単独のリン酸やイオン液体に比べて高い粘度を示した。このことからもイオン液体/リン酸間の相互作用の存在を確認した。酸素で飽和させた各混合電解質中へ燃料電池の触媒として用いられる白金担持カーボン電極を導入して酸素還元反応を行ったところ、酸素還元活性は混合したイオン液体の種類によらず同程度であったものの、フルオロアルキル鎖長が長い[HfO]-アニオンを含む[dema][HfO]を混合した系では触媒活性の低下が大幅に抑えられ、非常に優れた安定性が実現された。水溶液系と同様に白金触媒の劣化は白金へのアニオン種の吸着に大きく依存するものと考えられる。この観点に基づいてより大きなアニオン構造である[HfO]-の適用を検討した結果であり、白金触媒の安定性向上に有効な電解質設計を実証できた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 白金触媒へのアニオンの吸着を制御することがその耐久性向上へ有効だと考え、この観点に基づく電解質設計に取り組み、実証を進めた。想定していた以上の安定性の向上が認められ、中温域という非常に厳しい条件下においても白金触媒の活性を維持できる有効な設計を見いだせた。
Strategy for Future Research Activity	フルオロアルキル鎖長がさらに長いアニオンを有するイオン液体を合成し、それを混合電解質へ適用することで、より高い安定性を白金触媒へ付与できるか確認し、得られた電解質設計指針の普遍性をより詳しく検証する。電子顕微鏡観察を用いて白金粒子の形状を確認し、物理的な側面からも安定性が確保できていることを確認する。また、混合電解質自体の安定性を高めるためのイオン液体の設計に着手する。この新しい電解質系においてもアニオン吸着を抑えることが白金触媒の安定性を高めることにつながるかを検証していく。