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Development of Non-precious Metal Carbon Catalysts on the Basis of Coordination Chemistry on the Edge of Carbon Materials

Research Project

Project/Area Number 19K22202
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 34:Inorganic/coordination chemistry, analytical chemistry, and related fields
Research InstitutionHokkaido University (2020)
Osaka University (2019)

Principal Investigator

Onoda Akira  北海道大学, 地球環境科学研究院, 教授 (60366424)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Keywords固体高分子形燃料電池 / 非貴金属カーボン電極触媒 / 酸素還元反応 / カーボン材料 / ジアザヘキサベンゾコロネン / カーボンエッジ / カーボンエッジ配位化学 / 非貴金属カーボン触媒 / 電極触媒 / ジアザヘキサベンゾ コロネン
Outline of Research at the Start

本研究は、固体高分子形燃料電池カソードにおいて酸素から水への4電子還元を伴う酸素還元反応のための高効率かつ高耐久性を兼ね備えた非貴金属カーボン電極触媒を開発する。電導性・高耐久性を兼ね備えたグラフェン材料に、酸素還元を触媒する精密な金属活性点を組み込んだ非貴金属カーボン電極触媒を調製する。ジアザヘキサベンゾコロネン骨格を基軸として、カーボンエッジ配位化学に立脚した含窒素金属錯体活性点の構築と、プログラム化サーマル合成を駆使したグラフェン構造の構築、を両輪としたカーボン触媒調製法を突破口に、高活性・高耐久性を実現した非貴金属カーボン電極触媒を創製する。

Outline of Final Research Achievements

Pyrolytically-prepared iron and nitrogen co-doped carbon (Fe/N/C) catalysts are promising non-precious metal electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cell applications. Fabrication of the Fe/N/C catalysts with Fe-Nx active sites having precise structures is now required. We developed a strategy for thermally-controlled construction of the Fe-Nx structure in Fe/N/C catalysts by applying a bottom-up synthetic methodology based on an N-doped graphene nanoribbon (N-GNR). The preorganized aromatic rings within the precursors assist graphitization during generation of the N-GNR structure with iron-coordinating sites. The Fe/N/C catalyst prepared from the N-GNR precursor, iron ion, and the carbon support provides a high onset potential and promotes efficient four-electron ORR.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

固体高分子形燃料電池は、高効率なエネルギー変換を実現する技術として最も期待されている。しかし、カソードでの酸素から水への4電子還元を伴う酸素還元反応の高活性かつ安価な電極触媒の開発が依然としてボトルネックであり、白金電極材料に代わる非貴金属材料を基盤とした高効率かつ高耐久性を兼ね備えたカソード電極材料の開発が望まれている。本研究では、高電導性・高耐久性を兼ね備えたグラフェン材料に、酸素還元を触媒する精密な金属活性点を組み込んだ非貴金属カーボン電極触媒の開発に取り組んだ基礎研究として意義がある。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (8 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] CEA(フランス)

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] CEA(フランス)

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      2019 Research-status Report
  • [Journal Article] Thermally Controlled Construction of Fe-Nx Active Sites on the Edge of a Graphene Nanoribbon for an Electrocatalytic Oxygen Reduction Reaction2021

    • Author(s)
      Matsumoto Koki、Onoda Akira、Kitano Tomoyuki、Sakata Takao、Yasuda Hidehiro、Campidelli Stephane、Hayashi Takashi
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 13 Issue: 13 Pages: 15101-15112

    • DOI

      10.1021/acsami.0c21321

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Oxygen Reduction Reaction Activity and Characterization of Fe/N/C Catalysts Prepared by Pyrolysis of Fe Complexes Containing 1,12-Diazatriphenylene as a Ligand Structure2021

    • Author(s)
      Koki Matsumoto, Akira Onoda, Takashi Hayashi
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Oxygen Reduction Reaction Activity of Fe/N/C Catalysts Prepared by Pyrolysis of Fe Complexes Containing 1,12-Diazatriphenylene Moieties as a Ligand Structure2020

    • Author(s)
      Koki Matsumoto, Yosuke Takagi, Akira Onoda, Takashi Hayashi
    • Organizer
      日本化学会第100回春季年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 含窒素グラフェンナノリボン構造を有するFe/N/C触媒の調製と評価2020

    • Author(s)
      松元 香樹, 小野田 晃, 林 高史
    • Organizer
      オンライン研究会「錯体化学に基づく分子の構造変換設計と機能制御」
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 1,12-ジアザトリフェニレン骨格を有する鉄錯体を原料としたFe/N/C触媒の調製2020

    • Author(s)
      松元 香樹, 小野田 晃, 林 高史
    • Organizer
      錯体化学会第70回討論会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] カーボンエッジ配位化学に立脚した非貴金属電極触媒の創製2020

    • Author(s)
      小野田 晃, 松元 香樹, 林 高史
    • Organizer
      文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業 大阪大学ナノテクノロジー設備供用拠点 微細構造解析プラットフォーム 2020年度 第1回地域セミナー
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      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Electrocatalytic Activity of Non-precious Metal Carbon Catalysts Prepared from N- or S-containing Expanded Precursors2019

    • Author(s)
      Koki Matsumoto, Akira Onoda, Takashi Hayashi
    • Organizer
      錯体化学会 第69回討論会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Oxygen Reduction Reaction Activity of Fe/N/C Catalysts Prepared by Pyrolysis of Fe Complexes Containing 1,12-Diazatriphenylene Moieties as a Ligand Structure2019

    • Author(s)
      Koki Matsumoto, Yosuke Takagi, Akira Onoda, Takashi Hayashi
    • Organizer
      The 100th Conference of Japan Society of Coordination Chemistry
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Oxygen Reduction Reaction Activity of Fe/N/C Catalysts with Precisely Constructed Active Site Structure2019

    • Author(s)
      Koki Matsumoto, Akira Onoda, Takashi Hayashi
    • Organizer
      7th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC7)
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Remarks]

    • URL

      https://onoda-lab.jp/

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  • [Remarks]

    • URL

      http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~hayashiken/index.html

    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 金属複合体、含窒素多環式化合物、焼成体及びその製造方法、酸素還元触媒、酸素発生触媒、及び、水素発生触媒2020

    • Inventor(s)
      林 高史、小野田 晃、松元 香樹、郷田 隼、米原 宏司
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人大阪大学、株式会社日本触媒
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2020-037053
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2019-07-04   Modified: 2022-01-27  

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