ナノ構造化燃料電池電極触媒

固体高分子形燃料電池のカソード（空気極）では酸素還元反応（ORR）が進行しますが、この遅い4電子移動反応を進めるためには、現状では白金が必須です。白金は高価であり、資源量が限定されているため、低白金・高活性かつ高耐久性を有する触媒の開発が必要です。コロイド法に基づく白金合金ナノフレームや白金合金ナノワイヤなど、ナノ構造・ナノ合金に立脚した高安定性・高活性を実現する触媒を研究しています。一方、水電解の酸素発生反応(OER)では、酸性条件でIrが多用されています。こちらもナノ構造化による高活性化・高耐久化を目指しています。さらに亜酸化窒素還元反応(N₂ORR)ではマテリアルインフォマティクス(MI)に基づく多元金属ナノ構造化触媒の研究を進めています。

　白金系合金(PGM)は、優れた酸素還元反応(ORR)活性を有しており、固体高分子形燃料電池(PEFC)のカソード触媒として研究されてきました。特に最近では米国アルゴンヌ国立研究所のグループによるPtNiナノフレーム(PtNi-NF)の報告以降、ナノ構造化電極触媒の耐久性やORR活性が注目され、当研究室でもPtNiNF以外にPtNiナノワイヤ(PtNi-NW)に関する研究を進めています。

　これまで、PtNi-NFを窒素ドープしたカーボン担体に固定することでORR活性と耐久性がさらに向上すること、PtNi-NFのin situ XAFS計測、PtNi-NWが電位サイクル試験によって一旦ORR性能を向上しており、それが担体上での枝状構造の形成に依ること、などを報告してきました。最近ではPt合金NWの水素酸化反応(HOR)への応用にも着手しています。

　また、PtNi-NFにIrを加えたPtNiIr-NFは酸性条件化で高い酸素発生反応(OER)活性を示すことを明らかにしており、こちらもナノワイヤへの展開を図っています。

　亜酸化窒素還元反応(N₂ORR)はCO₂よりも温室効果係数が高く、オゾン層破壊物質である亜酸化窒素(N₂O)を還元する反応ですが、従来PtやPd、Rhが高温環境下での触媒に用いられてきました。室温で駆動可能な電極触媒としてもPt、Pdが有用ですが、多元金属により貴金属の比率を減らす高エントロピー合金(HEP)触媒の有用性をマテリアルインフォマティクスを導入することで実証しようとしています。