単分子層モデル電極を用いた酸素還元反応に対する活性サイトおよび活性支配因子の特定

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04834
• Research Institution: Meijo University
• Principal Investigator: 才田 隆広 名城大学, 理工学部, 准教授 (90710905)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 燃料電池用非白金系触媒 / 酸化チタン / 酸素還元反応 / Nbドープ

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，固体高分子形燃料電池用のTiO2系非白金系触媒の活性サイトおよび活性支配因子の特定を目指している．令和5年度では，Nb原子を酸化チタンナノシートにドープし，Nbドープが酸化チタンナノシートの酸素還元反応（ORR）活性に与える影響について調査した．加えて，酸素欠損サイトの導入前後におけるORR活性に与える影響も調査した．
本研究では，Nb原子とTi原子の組成比は，Nb:Ti=1:1, Nb:Ti=2:1, Nb:Ti=0:1とした．AFM像より，各モデル電極の厚みは，組成により1.0～2.6 nmまで変化した．還元処理を行うとシートサイズが増加する傾向にあった．Nbをドープすることにより，酸化チタンナノシートのORR活性が向上した．しかし，Nb:Ti=1:1とNb:Ti=2:1では，酸素還元開始電位に大きな差は観察されなかった．本研究では，単層膜からなるモデル電極を使用しているため電子伝導経路の影響は受け難いと予想される．したがって，NbドープによるORR活性の向上は，電子伝導性の向上よりも，格子歪みに起因すると思われる．還元処理を実施すると，Nb:Ti=2:1とNb:Ti=0:1のモデル電極においてORR活性が向上した．一方で，Nb:Ti=1:1のモデル電極はORR活性の再現性が他の電極よりも低かった．この要因については調査中である．
本研究の結果は，結晶構造を歪ませることで，ORR活性が向上することを示唆した．したがって，結晶構造の歪みとORR活性には関連があると思われる．

Current Status of Research Progress

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

Reason

一部，再現性が悪いモデル電極があったため，測定回数を当初の予定よりも増やした．しかし，全体としては概ね予定通りに進展した．

Strategy for Future Research Activity

一部の組成のNbをドープした酸化チタンナノシートからなる単分子層モデル電極に関する再現性をもう少し確認する．その後は，Nb以外の遷移金属を酸化チタンナノシートにドープし，そのORR活性を評価する．

Causes of Carryover

試薬購入費や一般消耗品費の購入量が予想よりも少なく済んだ．これまで得られた結果が，比較的に纏まっているため，R6年度には，国内外の報告を積極的に行う予定である．このため，次年度使用分は，主に学会発表時の旅費として使用する．