担体フリー非白金・非炭素触媒の細孔制御とこれを用いた燃料電池触媒層の高性能化

• 研究課題/領域番号: 17K06180
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 弘前大学
• 研究代表者: 千坂 光陽 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (20513310)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2019年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2018年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2017年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 酸素還元 / 酸化チタン / 窒化チタン / カソード / 酸素還元反応 / 非白金 / 非貴金属 / 固体高分子形燃料電池 / 酸窒化物

研究成果の概要

酸化物系材料は固体高分子形燃料電池の正極触媒として開発されてきたが、その酸素還元性能と比表面積は、高くはなかった。本研究では酸化チタン触媒の性能と比表面積を向上させるため、その細孔構造を二種類の方法により制御した。一つ目の方法はシリカテンプレートの利用であり、もう一つはリン原子と窒素原子の共置換である。
特に後者により性能と比表面積は向上した。近年報告した簡易燃焼法を改良し、5価のリンを触媒内部の窒化チタンと表面のルチル型酸化チタン相どちらにも置換導入した。リン原子由来の新しい反応サイトが形成され、触媒使用量を従前の半値以下に抑えたうえで性能が向上した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

固体高分子形燃料電池正極に用いられている白金系触媒の希少性と、炭素担体の低い耐久性は、燃料電池車の本格普及に対する大きな障壁と考えられてきた。白金系触媒と炭素担体のいずれも用いない酸化物系材料は、燃料電池正極で安定であるものの、性能と比表面積が低いことが課題だった。新たにリン原子を酸化チタン相へ置換導入することにより、その性能と比表面積のどちらも向上することを初めて見出した点が、本研究の学術的意義である。上述した本格普及に対する二つの課題を解決し得る材料を、安価で簡易な手法で合成した点が社会的な意義である。

研究成果

• [雑誌論文] Phosphor and Nitrogen Co-doped Rutile TiO2 Covered on TiN for Oxygen Reduction Reaction in Acidic Media (2019)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka* and Hiroyuki Morioka
  • 雑誌名: Catalysis Science & Technology 巻: 9 号: 3 ページ: 611-619
  • DOI: 10.1039/c8cy01973h
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Active Site Formation for Oxygen Reduction Reaction on Carbon-Support-Free Titanium Oxynitride with Boosted Activity in Acidic Media (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka, Yusuke Yamamoto, Noriaki Itagaki and Yuhei Hattori
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 1 号: 1 ページ: 211-219
  • DOI: 10.1021/acsaem.7b00100
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Creation of Oxygen Reduction Reaction Active Sites on Titanium Oxynitride Without Increasing the Nitrogen Doping Level (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 20 号: 23 ページ: 15613-15617
  • DOI: 10.1039/c8cp01420e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Group IV Metal Oxynitride Catalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cells Cathodes (2019)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka
  • 学会等名: ACS 257th National meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Creation of Active Sites on Phosphor and Nitrogen Co-doped Rutile TiO2 for Polymer Electrolyte Fuel Cell Cathodes (2019)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka and Hiroyuki Morioka
  • 学会等名: 25th Topical meeting of ISE
  • 国際学会
• [学会発表] リン・窒素共置換による酸化チタン酸素還元触媒の高活性化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 千坂光陽
  • 学会等名: 第12回新電極触媒シンポジウム&宿泊セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Enhancement of Oxygen Reduction Reaction Activity on Phosphor and Nitrogen Co-doped TiO2 catalyst for Polymer Electrolyte Fuel Cell Cathodes (2019)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka
  • 学会等名: 8th European Fuel Cell Technology and Applications Piero Lunghi Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 酸化チタン系酸素還元触媒の活性点形成過程に関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 千坂光陽、盛岡弘幸
  • 学会等名: 電気化学会第86回大会
• [学会発表] Enhanced Oxygen Reduction Reaction Activity of Carbon-Support-Free Titanium Oxynitride Catalyst by Phosphor Doping (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka
  • 学会等名: 69th annual meeting of ISE
  • 国際学会
• [学会発表] Phosphor and Nitrogen Codoped Rutile TiO2 on TiN for Oxygen Reduction Reaction in Acidic Media (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka
  • 学会等名: AiMES2018 (234th ECS and 2018 SMEQ joint meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] リン・窒素共置換による酸化チタン触媒の高活性化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 千坂光陽
  • 学会等名: 第59回電池討論会
• [学会発表] Enhancement of Oxygen Reduction Reaction Activity on Carbon-Support-Free Titanium Oxynitride Catalyst by Pyrolysis under Reductive Atmosphere (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka
  • 学会等名: EHEC 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Nitrogen-Doped Titanium Oxide as Cathode Catalyst for Polymer Electrolyte Fuel Cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka
  • 学会等名: EMN meeting on fuel cells 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Titanium Oxynitride for Polymer Electrolyte Fuel Cell Cathodes Utilizing Neither Platinum Catalyst Nor Carbon Supports (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka, Yusuke Yamamoto and Noriaki Itagaki
  • 学会等名: HYPOTHESIS XII
  • 国際学会
• [学会発表] Oxygen Reduction Reaction Activity of Carbon-Support-Free Titanium Oxynitride with Reduced Catalyst Loading (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuharu Chisaka and Yusuke Yamamoto
  • 学会等名: 232nd ECS meeting
  • 国際学会
• [学会発表] チタン酸窒化物酸素還元触媒の活性点と耐久性に関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 千坂 光陽，服部 裕平
  • 学会等名: 第10回 新電極触媒シンポジウム&宿泊セミナー
• [学会発表] 担体フリーチタン酸窒化物触媒の使用量低減と酸素還元活性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 千坂 光陽，山本 悠介
  • 学会等名: 第58回電池討論会
• [図書] Electrocatalysts for Low Temperature Fuel Cells: Fundamentals and Recent Trends (2017)
  • 著者名/発表者名: Claude Lamy, N. Rajalakshmi, R. Imran Jafri, K.S. Dhathathreyan, Ayan Mukherjee, Suddhasatwa Basu, Thandavarayan Maiyalagan, Subbiah Maheswari, Viswanathan S. Saji, Mitsuharu Chisaka, Chilan Ngo, Michael J. Dzara, Sarah Shulda, Radoslav R. Adzic et al.
  • 総ページ数: 588
  • 出版者: Wiley-VCH
  • ISBN: 9783527341320
• [備考] 弘前大学 大学院理工学研究科千坂研究室ホームページ
  • URL: http://www.eit.hirosaki-u.ac.jp/~chisaka/
• [備考] 弘前大学千坂研究室ホームページ
  • URL: http://www.eit.hirosaki-u.ac.jp/~chisaka/
• [産業財産権] 燃料電池用触媒、電極触媒層、膜電極接合体、固体高分子形燃料電池、燃料電池用触媒の製造方法、および、電極触媒層の製造方法 (2019)
  • 発明者名: 盛岡弘幸,小澤まどか,千坂光陽
  • 権利者名: 弘前大学他
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-200163
  • 出願年月日: 2019