| 研究課題/領域番号 |
20H00316
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分27:化学工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 九州大学 (2021-2022)
筑波大学 (2020) |
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研究代表者 |
中村 潤児 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 教授 (40227905)
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| 研究分担者 |
有賀 克彦 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (50193082)
岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
近藤 寛 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (80302800)
神原 貴樹 筑波大学, 数理物質系, 教授 (90204809)
武安 光太郎 筑波大学, 数理物質系, 助教 (90739327)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
44,980千円 (直接経費: 34,600千円、間接経費: 10,380千円)
2022年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円)
2021年度: 15,210千円 (直接経費: 11,700千円、間接経費: 3,510千円)
2020年度: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)
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| キーワード | 燃料電池 / 窒素ドープカーボン触媒 / 酸素還元反応 / ピリジン型窒素 / カーボン触媒 / 酸素還元 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
燃料電池の非白金触媒として窒素ドープカーボン触媒に注目が集まっている。その触媒活性はアルカリ電解質中において白金に近い値を示すが、酸性電解質中では活性が大きく低下する。その活性劣化の克服およびその原因解明が最大の課題である。本研究では、触媒作用の全容解明する基礎研究と高度な触媒作製技術の開拓を連動したプロジェクトを実施する。
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| 研究成果の概要 |
燃料電池の非白金カソード触媒としてカーボン触媒が有望であるが、最大の課題は酸電解質中での活性低下である。本研究ではその活性低下の起源が次式にあることを明らかにした。
pyri-NH+ + O2 + e- →pyri-NH +O2,a
ここでpyri-NH+はピリジニウムイオンを意味するが、pyri-NH+の還元と酸素吸着（熱反応）が連動する点が新しい。この反応の平衡電位は、pyri-NH+の水和によって低下するため、活性点付近を疎水性に保つように、籠状構造の窒素ドープグラフェン触媒を調製した。さらに、プロトン伝導性を有する微粒子を籠状構造内に導入することによって触媒の高活性化を達成した。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
地球温暖化の危機に瀕してカーボンニュートラル社会構築が必須であるが、そのなかで燃料電池が大きな役割を担う。安価で耐久性の高い触媒材料の開発が必要であるが、そのなかでカーボン触媒が最も期待されており世界中で活発に研究されている。本研究では、これまで不明であった窒素ドープカーボン触媒の機能を詳細に解明し、その知見に基づいて世界トップクラスの触媒を設計した。この成果は、燃料電池の普及に大きく貢献するものと期待される。さらに、ピリジン型窒素のプロトン化およびその還元過程による電子励起は、エネルギー捕捉・貯蔵の機能として、光合成を含む生体系エネルギーシステムに類似しており、今後の学術的発展に貢献する。
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