2014 Fiscal Year Annual Research Report
多核金属活性点の構築を基盤とした燃料電池用非貴金属カーボン電極触媒の開発
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25708031
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小野田 晃 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60366424)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / カーボン材料 / 電極触媒 / 多核金属中心 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エネルギー・環境問題の克服が世界的に求められる中、固体高分子型燃料電池は、高効率なエネルギー変換を実現する技術として最も期待されている。しかし、カソードでの酸素から水への４電子還元を伴う酸素還元反応の高活性な電極触媒の開発が以前としてボトルネックとなっている。本研究では、高効率に酸素還元反応を触媒している生体の金属酵素の多核金属中心を規範とし、非貴金属活性点を組み込んだ含窒素カーボン電極触媒の開発を実施した。非貴金属原料とした新たに金属サレン錯体を活用し、触媒活性点のプリカーサ-を調製後に焼成する手法により、触媒活性点デザインの技術を高め、高活性・高耐久性を実現した非貴金属カーボン電極材料の調製と酸素還元反応における触媒活性評価を行った。具体的には、Fe錯体を含む原料として作製し、バルカンX、ケッジャンブラック等の多種のカーボン担体を混合した上で、約1000 oC で焼成後、酸洗浄により触媒を調製した。調製後の触媒を元素分析、誘導結合プラズマ発光分析、光電子分光により鉄と窒素を活性部位として含むことを確認した。この触媒とナフィオン膜と混合後に回転ディスク電極、あるいは回転リングディスク電極に塗布し、酸素飽和の過塩素酸溶液中で、酸素還元反応活性の評価を行ったところ、4電子還元反応が進行していることが明らかとなった。また、本年度は、プリカーサーとなる配位子を新たに調製し、鉄を含む新たな金属カーボン触媒の改良と、構造評価と活性評価を実施した。
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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
当初の予定通りに、サレン系配位子を有する鉄、銅を含む金属錯体をプリカーサーとしてカーボン触媒調製を行い、酸性水溶液中での酸素還元反応においてオンセット電位が期待を上回る触媒を見出すことに成功しており、概ね順調に研究が進行した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の方針として、有望なサレン骨格を軸として、類似の配位子を使った金属錯体をプリカーサーの探索を進めながら、高い触媒活性を示すカーボン触媒の作製を実施する。カーボン触媒中に含まれる金属中心の同定を参考にしながら、触媒調製の改良を行い、高活性なカソード電極触媒を作製する。具体的には、サレン配位子に官能基を導入した金属錯体を合成し、非貴金属原料プリカーサーとして、カーボン担体吸着固定化した後に焼成しFe, Co, Cu を含むカーボン触媒を調製する。また、触媒の活性部位について、XPS, EXAFS 等のX線分光により、構造解析を行う。焼成条件やカーボン担体の種類を変えた触媒調製の最適化を行う。ナフィオン膜と混合後に回転電極に塗布し、酸素飽和の過塩素酸溶液中で、ORR 反応活性の評価を行う。膜/電極接合体（MEA）を作製し、燃料電池としての評価も実施する。
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| Causes of Carryover |
コバルトを含む触媒のオンセット電位が、当初の予測に反して、正側にシフトしておらず、その活性が充分でないことが判明した。研究遂行上、このオンセット電位を正側にシフトすることが不可欠であるため、新たに改良したコバルト触媒試料の調製と活性評価を行う必要が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は、プリカーサーとなる配位子を新たに調製し、鉄、コバルト、銅を含む異種金属カーボン触媒の改良と、種金属カーボン触媒触媒試料の構造評価と活性評価をおこなう。
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