Functional characterization and bottom-up synthesis of nitrogen-doped carbon catalysts

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17H01342
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Catalyst/Resource chemical process
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Nakamura Junji 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40227905)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70373305) ; 神原 貴樹 筑波大学, 数理物質系, 教授 (90204809)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 燃料電池 / 酸素還元反応 / 白金代替触媒 / 窒素ドープカーボン触媒 / 反応メカニズム / カーボンブラック / DFT

Outline of Final Research Achievements

Nitrogen-doped carbon catalyst is the most promising fuel cell catalyst that does not use platinum. We have previously reported that pyridinic nitrogen forms an active site in 2016 (Science). In this study, we conducted experiments using a well-defined model catalyst in which molecules containing pyridinic nitrogen were adsorbed on graphite surfaces. It was clarified that a bottom-up catalyst design using pyridine-type nitrogen-containing molecules is possible. It was also clarified that hydrophobicity in the vicinity of pyridinic nitrogen is essential for improving the catalytic activity.

Free Research Field

触媒化学、表面科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

窒素ドープカーボンは燃料電池のカソード極の白金代替触媒として注目されているが、実用触媒の開発には触媒設計指針の確立が必要である。我々は、表面科学的手法を駆使した実験によってピリジン型窒素がORR 活性点を形成していることを明らかにした。本研究では、ピリジン型窒素を含む分子をカーボン触媒担体に付着させたモデル触媒を用いて活性点の性質やメカニズムを解明する方法論を導いた。また、活性点付近の疎水性が触媒設計において極めて重要であることを明らかにした。これらの研究成果は、窒素ドープカーボンの学術的研究として意義があり、さらに燃料電池触媒の普及にも貢献するものである。