構造制御と触媒高耐久化を同時実現するワンステップ合金ナノクラスター創出法の開拓

• 研究課題/領域番号: 18K05144
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分34010:無機・錯体化学関連
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 邨次 智 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (20545719)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 白金 / ナノクラスター / カーボンナノチューブ / ポリピロール / ランタノイド / 酸素還元反応 / XAFS / 燃料電池 / カーボン担体 / 固定化 / ランタノイド錯体 / 燃料電池電極触媒 / 合金 / 触媒 / 酸素還元

研究成果の概要

本研究では、ピロール部位を有する新規Pt錯体を前駆体とし、配位子脱離とピロール重合制御によるナノクラスター前駆体の形成、及び続く還元により、燃料電池電極触媒の酸素還元反応 (ORR) に優れた活性・耐久性を示す、1.5 nm程度の粒形の揃ったPtナノクラスターの調製と、その粒径制御過程の解明に成功した。
さらに、本調製法にランタノイド金属錯体 (Gd錯体) を導入することで、ランタノイド水酸化物/酸化物で修飾された、1.6 nm程度の粒径の揃ったPtナノクラスターを調製した。ランタノイド種修飾によりORR活性が大幅に増大し、電圧印加in situ XAFS測定により、その因子解明にも成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で明らかにした、微小Ptナノクラスター触媒の粒径制御と、燃料電池電極触媒の酸素還元反応(ORR)の高活性化・高耐久化を同時に可能とする調製手法、及びランタノイド種修飾によるORRの更なる高活性化を可能とする調製手法は、その粒径制御のメカニズムや高活性化の因子解明の基礎科学的研究も踏まえて、次世代燃料電池の高活性・高耐久性電極触媒調製に向けての設計指針を提供することが期待される。このような燃料電池電極触媒が実現できれば、Ptの有効利用、エネルギーの有効利用に資することが期待でき、地球環境問題の解決にも貢献する。

研究成果

• [雑誌論文] Oxygen Reduction Reaction Performance Tuning on Pt Nanoparticle/MWCNT Catalysts by Gd Species (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Ichihashi, S. Muratsugu, H. Matsui, K. Higashi, O. Sekizawa, T. Uruga, and M. Tada
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 124 号: 49 ページ: 26925-26936
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c09308
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reversible low-temperature redox activity and selective oxidation catalysis derived from the concerted activation of multiple metal species on Cr and Rh-incorporated ceria catalysts (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoru Ikemoto, Xiubing Huang, Satoshi Muratsugu, Shoko Nagase, Takanori Koitaya, Hirosuke Matsui, Gen-ichi Yokota, Takatoshi Sudoh, Ayako Hashimoto, Yuanyuan Tan, Susumu Yamamoto, Jiayi Tang, Iwao Matsuda, Jun Yoshinobu, Toshihiko Yokoyama, Shinpei Kusaka, Ryotaro Matsuda, Mizuki Tada
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 21 号: 37 ページ: 20868-20877
  • DOI: 10.1039/c9cp04625a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced Oxygen Reduction Reaction Performance of Size-controlled Pt Nanoparticles on Polypyrrole-functionalized Carbon nanotubes (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Ichihashi, Satoshi Muratsugu, Shota Miyamoto, Kana Sakamoto, Nozomu Ishiguro, Mizuki Tada
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 印刷中 号: 21 ページ: 7130-7137
  • DOI: 10.1039/c9dt00158a
  • 査読あり
• [学会発表] 放射光分析を駆使した新規固定化金属錯体・固体触媒材料の創製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 邨次智
  • 学会等名: Nanospec2021 顕微ナノ－放射光表面-プローブ顕微鏡 合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 希土類金属種を併用したPtナノ粒子の創出-調製・構造評価と電極触媒特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 邨次智
  • 学会等名: 名古屋大学シンクロトロン光研究センターシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 酸素非含有金属錯体前駆体を用いた白金-ランタノイド系合金ナノ粒子の調製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 光彦・邨次 智・唯 美津木
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
• [学会発表] Enhanced Electrocatalytic Oxygen Reduction Activity on Pt-based Nanoparticle Catalysts Prepared from Platinum and Lanthanide Complexes (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Muratsugu, Kentaro Ichihashi, Mizuki Tada
  • 学会等名: 第69回錯体化学討論会
• [学会発表] 表面錯体化学を基盤とした触媒構造・機能の創出 (2019)
  • 著者名/発表者名: 邨次 智
  • 学会等名: 錯体化学若手研究会「錯体化学若手の会夏の学校2019」
  • 招待講演
• [学会発表] Enhancement of electrocatalytic oxygen reduction performance for Pt-based nanoparticle catalysts prepared from Pt and lanthanide complex (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Muratsugu, Kentaro Ichihashi, Mizuki Tada
  • 学会等名: 第99回日本化学会年会
• [学会発表] Supported Metal Complex/Metal Nanoparticle-Polymer Composites for Heterogeneous Catalysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Muratsugu
  • 学会等名: Symposium at the University of Munster
  • 招待講演
• [学会発表] Preparation of Polypyrrole-modified Pt-based Nanoparticles on Carbon Nanotube from Pt4 Complex with Pyrrole Units and its Application to Fuel Cell Electrocatalyst (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Ichihashi, Shota Miyamoto, Kana Sakamoto, Satoshi Muratsugu, Mizuki Tada
  • 学会等名: International Conference on Coordination Chemistry 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement of electrocatalytic oxygen reduction performance of Pt-based nanoparticle - polymer - carbon nanotube composite catalysts prepared from pyrrole-modified Pt tetranuclear complex and lanthanide complex (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Ichihashi, Satoshi Muratsugu, Mizuki Tada
  • 学会等名: 第68回錯体化学討論会