分子／界面の構造機能解析に立脚した新規錯体系電極触媒の開発

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H03853
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 山崎 眞一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80371087)
• 研究分担者: 前田 泰 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (30357983) ; 田中 真悟 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (50357448) ; 朝日 将史 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究員 (90612169) ; 竹市 信彦 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (40357398) ; 多田 幸平 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究員 (70805621)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 錯体系電極触媒 / ロジウム / ポルフィリン / 原子間力顕微鏡 / 第一原理計算

研究実績の概要

本研究課題では、Rhポルフィリン系電極触媒の機能を(1)分子の触媒作用と(2)界面における分子の挙動の二つに分けて解析し、得られた情報を基に高活性な分子電極触媒の開発を行うことを目的としている。既に昨年度までの解析で(1)について明らかにした。本年度は(2)についてメカニズムを明らかにした。
第一原理計算及び原子間力顕微鏡により錯体と基板の相互作用を解析した。分散力補正を入れない第一原理計算においては、グラファイトとRhオクタエチルポルフィリン(Rh-OEP)の間に引力性の相互作用はなくRh-OEPの安定吸着構造を見出すことはできなかったが、分散力補正を入れるとグラファイトとRh-OEPの安定吸着構造が取り得ることが見いだされた。このことからRh-OEPとグラファイトとの間には強い相互作用は存在しておらず、分散力により弱く吸着していることが第一原理計算から示された。
実際、Rh-OEPを吸着させたHOPG (Highly oriented pyrolytic graphite)の原子間力顕微鏡の観察においては、分子がHOPGと相互作用している構造より、分子同士が凝集した構造が多く見られ、グラファイトとRh-OEPの相互作用は存在するものの弱いことが分かった。
これらの結果から、カーボン担持Rhポルフィリン錯体に関しては、分子とグラファイト構造との相互作用は小さいので、この相互作用を強めることにより活性をさらに上昇させられる余地がある。この基盤との相互作用の知見と、昨年度までの分子の触媒作用の解析で得られた知見をもとに触媒の開発を進め、非常に低い過電圧（CO2/COの酸化還元電位に近い電位領域）でCOを電極酸化できるRh錯体触媒を見出した。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Stability of Layered Rhodium Octaethylporphyrin in Water Studied by Atomic Force Microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Maeda, Kohei Tada and Shin-ichi Yamazaki
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 耐COアノード用Rhポルフィリン錯体の触媒機構解明に関するDFT計算 (2017)
  • 著者名/発表者名: 多田 幸平、田中 真悟、前田 泰、山崎 眞一
  • 学会等名: 第１２０回触媒討論会
• [学会発表] Rhポルフィリン錯体/カーボン電極間相互作用に関する理論研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 多田 幸平、尾崎 弘幸、前田 泰、山崎 眞一、田中 真悟
  • 学会等名: 第１１回分子科学討論会
• [学会発表] 炭素電極担持Rhポルフィリン錯体の電子状態解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 多田 幸平、前田 泰、山崎 眞一、田中 真悟
  • 学会等名: 第２０回理論化学討論会
• [学会発表] Stability of RhOEP/HOPG model electrodes in water studied by atomic force microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasushi Maeda and Shin-ichi Yamazaki
  • 学会等名: The 8th International Symposium on Surface Science
  • 国際学会
• [学会発表] Theoretical investigation on Rh porphyrin electrocatalyst for CO-tolerance anode of PEFC (2017)
  • 著者名/発表者名: Kohei Tada
  • 学会等名: Mini-symposium on interplay between experimental coordination chemistry and theoretical coordination chemistry
  • 国際学会 / 招待講演