Development of highly active and durable electrocatalysts based on control of catalyst-electrolyte interaction

電解質中のイオン種と燃料電池触媒の相互作用を詳しく解明しながら、イオン液体を含む混合電解質の設計を通して触媒－電解質間の相互作用を制御し、100 °Cを超える中温域でも燃料電池触媒を長期に安定に利用するための材料設計学理を確立することを目的に本研究を実施した。フルオロアルキル鎖長の異なるアニオンを含むイオン液体としてdiethylmethylammonium hexafluoromethanesulfonate ([dema][HfO])とdiethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate ([dema][TfO])を合成し、これらにリン酸を添加して燃料電池用の混合電解質を得た。熱的安定性を評価したところ、リン酸は中温域で脱水縮合による重量減少を示したが、各混合電解質は200 °C程度まで重量減少がなく安定であった。また、粘度測定を行ったところ、混合電解質は単独のリン酸やイオン液体に比べて高い粘度を示した。このことからもイオン液体/リン酸間の相互作用の存在を確認した。酸素で飽和させた各混合電解質中へ燃料電池の触媒として用いられる白金担持カーボン電極を導入して酸素還元反応を行ったところ、酸素還元活性は混合したイオン液体の種類によらず同程度であったものの、フルオロアルキル鎖長が長い[HfO]-アニオンを含む[dema][HfO]を混合した系では触媒活性の低下が大幅に抑えられ、非常に優れた安定性が実現された。水溶液系と同様に白金触媒の劣化は白金へのアニオン種の吸着に大きく依存するものと考えられる。この観点に基づいてより大きなアニオン構造である[HfO]-の適用を検討した結果であり、白金触媒の安定性向上に有効な電解質設計を実証できた。

電解質中のイオン種と燃料電池触媒の相互作用を詳しく解明しながら、イオン液体を含む混合電解質の設計を通して触媒－電解質間の相互作用を制御し、100 °Cを超える中温域でも燃料電池触媒を長期に安定に利用するための材料設計学理を確立することを目的に本研究を実施した。フルオロアルキル鎖長の異なるアニオンを含むイオン液体としてdiethylmethylammonium hexafluoromethanesulfonate ([dema][HfO])とdiethylmethylammonium trifluoromethanesulfonate ([dema][TfO])を合成し、これらにリン酸を添加して燃料電池用の混合電解質を得た。熱的安定性を評価したところ、リン酸は中温域で脱水縮合による重量減少を示したが、各混合電解質は200 °C程度まで重量減少がなく安定であった。また、粘度測定を行ったところ、混合電解質は単独のリン酸やイオン液体に比べて高い粘度を示した。このことからもイオン液体/リン酸間の相互作用の存在を確認した。酸素で飽和させた各混合電解質中へ燃料電池の触媒として用いられる白金担持カーボン電極を導入して酸素還元反応を行ったところ、酸素還元活性は混合したイオン液体の種類によらず同程度であったものの、フルオロアルキル鎖長が長い[HfO]-アニオンを含む[dema][HfO]を混合した系では触媒活性の低下が大幅に抑えられ、非常に優れた安定性が実現された。水溶液系と同様に白金触媒の劣化は白金へのアニオン種の吸着に大きく依存するものと考えられる。この観点に基づいてより大きなアニオン構造である[HfO]-の適用を検討した結果であり、白金触媒の安定性向上に有効な電解質設計を実証できた。