Pt free fuel cell electrocatalysts composed of 3D graphene and non-precious metal nano particles

由3D石墨烯和非贵金属纳米颗粒组成的无铂燃料电池电催化剂

• 批准号: 17F17345
• 负责人: 中村 潤児
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-11-10 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17F17345/
• 关键词: 燃料電池; 酸素還元反応; グラフェン; 窒素ドープカーボン; 回転電極試験; MEA; 白金代替触媒; ３次元構造; 窒素ドープ; カーボン触媒; カソード

本研究では、固体高分子型燃料電池（PEFC）用窒素ドープカーボン触媒の酸素還元メカニズムの解明を基にした触媒の高性能化を目的として実験を行った。特に酸素還元反応（ORR）の律速過程の解明に着目して、メカニズム研究の知見を活かした触媒構造の設計を試みた。具体的には、カーボン触媒への疎水性の付与である。ピリジン型窒素が形成する活性点近傍を疎水性に保つことによって、局所 O2分圧が向上し、ORRの速度が向上するという仮説を実験によって明らかにすることに成功した。具体的には、ピリジニック窒素をドープしたグラフェンからなる疎水性の籠状構造を持つ新しい触媒 caged-NrGO (nitrogen-dopedreduced graphene) を調製した。籠状構造以外に化学的組成および構造が同じ親水性のNrGO を用いて疎水性の効果を明らかにした。主な結果を以下にまとめる。1. caged-NrGO 触媒では、空気中および酸素中で、空隙中にO2を蓄えることができるが、NrGOではことを見出した。2. NrGO 触媒ではTafel-slope が120 mV/dec であり、ORR の律速過程は O2吸着過程である。一方、caged-NrGO 触媒では、Tafel-slope が60 mV/decであり、空隙構造内での O2分圧の向上により O2吸着過程が促進し引き続く素過程が律速となったことが示された。3. ハーフセルによる電気化学測定において、NrGO 触媒がPt/C 触媒と同等の活性および 耐久性を示した。また MEA においても caged-NrGO は高い性能を示し、実用 Pt/C 触媒の 7 割に迫る活性を示した。これらの実験結果は、非白金の安価な実用燃料電池触媒の開発研究を著しく促進する意義がある。

This study で は type, solid polymer fuel cells (PEFC) using smothering element ド ー プ カ ー ボ ン catalyst の acid element also yuan メ カ ニ ズ ム の interpret を base に し た catalyst の high-performance を purpose と し て be 験 を line っ た. Has に acid element is yuan against 応 (ORR) の law speed process の interpret に with mesh し て, メ カ ニ ズ の ム research knowledge を live か し の た catalyst structure design を try み た. The specific に カ, カ ボ, ボ, <s:1> catalyst へ, 疎 water-based <s:1> are given to である. ピ リ ジ ン smothering element が formed す る active point nearly alongside を 疎 water-based に bartender つ こ と に よ っ て, bureau O2 圧 が し upward, ORR が の speed up す る と い う 仮 said を be 験 に よ っ て Ming ら か に す る こ と に successful し た. Specific に は, ピ リ ジ ニ ッ ク smothering element を ド ー プ し た グ ラ フ ェ ン か ら な る 疎 water-based の cage structure を hold つ new し い catalyst caged - NrGO (nitrogen - dopedreduced graphene) を modulation し た. Outside the cage structure に chemical composition お よ が び structure with じ hydrophilic の NrGO を with い て 疎 water-based の unseen fruit を Ming ら か に し た. The main な result is を below にまとめる. 1. Caged - NrGO catalyst で は, empty 気 お よ び in acid で, voids に O2 を え storage る こ と が で き る が, NrGO で は こ と を shows し た. 2. NrGO catalyst で で Tafel-slope が120 mV/dec であ, ORR acceleration process で O2 adsorption process である. One party, the caged - NrGO catalyst で は, Tafel slope が 60 mV/dec で あ り, space structure within the で の O2 points 圧 の upward に よ り O2 sorption process が promote し lead き 続 が く element process law of speed と な っ た こ と が shown さ れ た. 3. ハ ー フ セ ル に よ る electric chemical determination に 気 お い て, NrGO catalyst が Pt/C catalyst と equal の active お よ び durability を shown し た. ま た MEA に お い て も caged - NrGO は い high performance を し, be forced に with Pt/C catalyst の 7 を る activity in し た. The <s:1> experimental results れら and the research on the development of non-platinum <s:1> an 価な practical fuel cell catalyst <e:1> を promote する significance がある.

项目成果

窒素ドープグラフェン触媒での酸素還元反応素過程

氮掺杂石墨烯催化剂上氧还原反应的基本过程

• 发表时间: 2019
• 作者: 久保一史;SINGH;Santosh;古川萌子;武安光太郎;中村潤児
• 通讯作者: 中村潤児

反応条件下における窒素ドープグラフェン触媒表面の分光

反应条件下氮掺杂石墨烯催化剂表面的光谱

• 发表时间: 2019
• 作者: 久保一史;シンサントーシュ，古川萌子，引田悠介，武安光太郎，中村潤児
• 通讯作者: シンサントーシュ，古川萌子，引田悠介，武安光太郎，中村潤児