2016 Fiscal Year Research-status Report
高活性・高耐久性を両立した燃料電池用カソード触媒の開発
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16K05883
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
矢野 啓 山梨大学, 総合研究部, 准教授 (70402021)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 白金合金触媒 / 耐久性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
燃料電池自動車(FCV)の普及には、高活性・高耐久性を両立した触媒開発が非常に重要な課題として位置づけられている。これまでに触媒活性の向上には、 Ptと卑金属等の第二成分金属元素との合金化が最も効果的な手段とされてきた。これは合金表面から第二成分金属元素が溶出し、電位サイクル中のPtの溶解・再析出により自発的に形成されたPtスキン層(シェル)への下地合金(コア)からの電子修飾効果によるものと考えられている。しかしながら、実作動温度領域における高活性・高耐久性を示した報告は少ない。これは、自発的に形成されたPtスキン層は不均一で、高温領域で脱合金化し、Pt単味と同等の活性に低下するためである。
そこで本研究では、粒子サイズ及び組成を均一に制御できるナノカプセル法により、PtCo/C触媒を調製し、PtCo合金ナノ粒子表面に均一にPtスキン層を被覆することで、活性と耐久性を両立した触媒の調製と最適化を検討した。Ptスキン層形成には目的のPtスキン層数相当のPt塩を含む水溶液中、水素バブリングすることにより、部分電池反応によってPtCo表面に析出させた（PtxML-PtCo/C）。Ptスキン層形成はTEM観察およびSTEM-EDX, EXAFS解析により確認した。 また、粒子サイズや組成が異なるPtxCo100-xコアを調製し、その後PtxMLを被覆した触媒の酸耐性を確認し、最適化した。粒子サイズや組成の依存度よりも、Ptスキン層を完全均一化することが、耐久性に対して最も重要な要因はであった。そこでPtスキン層の欠陥に対するPt原子の補填、Ptスキン層形成速度を制御し、飛躍的に耐食性を有する PtxML-PtCo/Cを調製することに成功した。H29年度には、実際に半電池によりORR活性および耐久性を評価し、学会、論文等で公表するとともに、Ptスキン層/３元合金触媒の開発に着手する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初予定していた部分電池法によるPtスキン層形成は、概ねコアとなるPtCo合金表面を覆っていることが分かったが、一部不均一に形成されていることも微細構造解析により明らかになった。これにより、完全に均一なスキン層を形成させる反応条件等を検討することが必要になった。例えば、スキン層のピットを補うために、その部分だけに後からPt原子を析出させたり、スキン層を形成する時の反応速度を溶液pHによって制御した。調製後の触媒の耐食性は燃料電池内を模擬した硫酸溶液中で酸耐性を調べることによって判断し、スキン層調製の最適条件の検討の必要性に迫られた。当初はPtCo以外の合金系についても調べる予定であったが、本年度はPtCo系のみにとどまった。しかしながら基礎的な条件設定を確実に終えたことから、今後の研究が加速されることが期待される。以上の理由から、研究計画はおおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究で、耐食性高い新規な合金触媒の調製することに成功した。今後は燃料電池実作動温度域において電気化学的な劣化試験による耐久性および酸素還元活性の評価を進めるとともに、新たな合金種（２元系、３元系）にPtスキン層を形成させ、より高活性な触媒開発を目指す。
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