燃料電池電極触媒周辺環境計測・制御

  • VSFG Spectroscopy

    VSFG Spectroscopy

  • Ionomer Film

    Ionomer Film

  • Surface X-ray Scattering

    Surface X-ray Scattering

Member: 石原、金内、村松
Field: Electrochemistry Laser Spectroscopy Traditional Spectroscopy SOR Spectroscopy Surface Science
Skills: Electrochemistry FTIR VSFG SXS XAS&XES XAFS Raman Ellipsometry
アイオノマー(ionomer)とは、触媒層内でイオン伝導を担い、三相界面における反応を駆動する上で欠かせない物質です。しかし、その本質的な役割と電極触媒・担体との界面が性能に及ぼす影響は未解明です。

 電極触媒層はガス拡散電極として機能するために、多孔質構造を形成していますが、担体であるカーボンブラックはイオン伝導性がないので、そのままでは反応が進行しません。そのため、高分子電解質膜と同じような組成のアイオノマーを混練することで、イオン伝導性を付与し、水素極(アノード)で水素酸化反応(HOR)により生成したプロトン(水素イオン)を、固体電解質膜を介して、空気極(カソード)まで輸送し、電子4個とプロトン4個を用いて酸素を水にまで還元します(酸素還元反応:ORR)。従来、触媒層内のアイオノマーは分厚い層を形成していると考えられていましたが、最近のETEM観察などにより、非常に薄い2〜8 nmの厚みしかないことがわかってきました。このような極薄膜におけるイオン伝導機構にくわえて、極薄膜内のアイオノマー分子構造に対して関心が寄せられています。

 本研究では、界面に存在する分子にのみ敏感な、振動和周波発生(VSFG: Vibrational Sum Frequency Generation)分光法を用いて、典型的なアイオノマーであるナフィオン(Nafion)と電極触媒である白金(Pt)との界面構造を、原子・分子レベルで明らかにしようとしています。VSFG分光には強い光電場が必要であり、フェムト秒レーザーのような超短パルスレーザーを使用します。

 また、本研究では原子力研究開発機構の田村博士と共同で表面X線散乱(SXS)を用いた原子・分子レベルの構造評価も用いており、構造規制した単結晶電極における高分子の挙動を電位印加状態で計測しています。