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2013 Fiscal Year Annual Research Report

金属-窒素共ドープグラフェンベース酸素還元触媒の高活性化

Research Project

Project/Area Number 13J10240
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

神谷 和秀  東京大学, 大学院工学系研究科, 助教

Keywords酸素還元触媒 / グラフェン / X線吸収分光 / 炭素材料 / 電極触媒
Research Abstract

高効率かつ安価な酸素還元触媒の開発は燃料電池のさらなる普及拡大のために必要不可欠となっている。本研究では鉄と窒素をグラフェン面内に短時間熱処理によって導入した酸素還元触媒(Fe/N-graphene)のさらなる高活性化を目的としている。今年度は高活性化に向けて、Fe/N-grapheneの構造および酸素還元活性メカニズムを放射光を用いて明らかにした。
まず広域X線吸収微細構造(EXAFS)によって鉄周りの配位構造を明らかにした。その結果、一般的な炭素触媒を作製するような30minを超えるような長時間の熱処理では容易に切断されてしまう鉄-窒素配位構造が、短時間熱処理によって作製する本触媒においては残存しており、その鉄-窒素配位構造が高密度にグラフェン面内にドープされていることが明らかになった。
また、Fe/N-grapheneと窒素を加えずに作製したグラフェン(Fe-graphene)の鉄L端の軟X線吸収分光スペクトルを比較したところ、窒素から鉄への強い電子供与に基づき鉄の電子密度が向上していることが明らかとなった。これにより、鉄から酸素の反結合性π軌道に強いπ逆供与が生じ、その結果、酸素分子のO=O結合が活性化され、酸素還元反応が効率的に進行したと推察された。
このように、短時間熱処理で作製した触媒は前駆体の触媒活性を決定する構造的本質(この場合は鉄-窒素配位結合)を残す形で炭素構造内に導入することが可能であることが示された。これは錯体触媒の活性と炭素材料の耐久性の両立した触媒の合成が可能であることを示している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(抄録なし)

Strategy for Future Research Activity

(抄録なし)

  • Research Products

    (10 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (4 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Graphene Defects as Active Catalytic Sites that are Superior to Platinum Catalysts in Electrochemical Nitrate Reduction2014

    • Author(s)
      K. Kamiya, K. Hashimoto, S. Nakanishi
    • Journal Title

      Chem Electro Chem

      Volume: (in press)

    • DOI

      10.1002/celc.201300237

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Iron-Nitrogen Coordination in Modified Graphene Catalyzes a Four-Electron-Transfer Oxygen Reduction Reaction2014

    • Author(s)
      K. Kamiva, H. Koshikawa, H. Kiuchi, Y. Harada, M. Oshima, K. Hashimoto, S. Nakanishi
    • Journal Title

      Chem Electro Chem

      Volume: (in press)

    • DOI

      10.1002/celc.201300181

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tungsten carbonitride nano-electrocatalysts for hydrogen evolution, synthesized via in-situ formation of tungsten acid/polymer hybrid2013

    • Author(s)
      Y. Zhao, K. Kamiya, K. Hashimoto, S. Nakanishi
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 52 Pages: 13638-13641

    • DOI

      10.1002/anie.201307527

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nitrogen-doped carbon nanomaterials as non-metal electrocatalysts for water oxidation2013

    • Author(s)
      Y. Zhao, R. Nakamura, K. Kamiya, S. Nakanishi, K. Hashimoto
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 4 Pages: 2390

    • DOI

      10.1038/ncomms3390

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 複核銅錯体を前駆体に用いた銅-窒素共ドープグラフェンの酸素還元触媒能2014

    • Author(s)
      神谷 和秀、越川 裕幸、橋本 和仁、中西 周次
    • Organizer
      電気化学会第81回大会
    • Place of Presentation
      関西大学 大阪
    • Year and Date
      2014-03-31
  • [Presentation] グラフェン欠陥上での電気化学硝酸還元反応とその理論的解析2014

    • Author(s)
      神谷 和秀、橋本 和仁、中西 周次
    • Organizer
      日本化学会第94春季年会(2014)
    • Place of Presentation
      名古屋大学 愛知
    • Year and Date
      2014-03-27
  • [Presentation] One-Pot Synthesis of Fe-N-Modified Graphene as an Efficient Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction in Acidic Solutions2013

    • Author(s)
      Kazuhide Kamiya, Kazuhito Hashimoto, Shuji Nakanishi
    • Organizer
      2013 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Place of Presentation
      Boston, USA
    • Year and Date
      2013-12-03
  • [Presentation] 鉄-窒素共ドープグラフェン触媒の構造解析と酸素還元特性2013

    • Author(s)
      神谷和秀, 越川裕幸, 木内久雄, 原田慈久, 尾嶋正治, 橋本和仁, 中西周次
    • Organizer
      2013年電気化学秋季大会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 東京
    • Year and Date
      2013-09-27
  • [Book] 光合成のエネルギー利用と環境応用2014

    • Author(s)
      三宅 淳監修
    • Total Pages
      308
    • Publisher
      シーエムシー出版
  • [Remarks] 橋本研究室ホームページ

    • URL

      http://www.light.t.u-tokyo.ac.jp/

URL: 

Published: 2015-07-15  

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