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実験・計算化学を融合した高性能電気化学触媒の合成および新規反応経路の解明

结合实验和计算化学合成高性能电化学催化剂并阐明新的反应路线

基本信息

批准号：
22KJ2093
负责人：
周安博
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2093/
关键词：
電極触媒炭素材料酸素還元反応

项目摘要

本研究では、持続循環可能な社会の実現に向け、固体高分子型燃料電池において重要となる酸素還元反応に向けた白金代替電極触媒の高性能化を目指す。非貴金属系触媒の開発に向け、実験化学による触媒の微細構造の精密制御および計算化学による三次元細孔内の反応メカニズムの解明を目的としている。これまでに、申請者は遷移金属を含有した炭素系触媒の活性点及び細孔構造をナノレベルで制御できる手法の開発に成功している。一方、遷移金属含有触媒は枯渇性資源であるため、その希少性とコストの高さから、固体高分子型燃料電池の普及化の妨げになっている。そのため、含有遷移金属量の削減や金属を用いないメタルフリー触媒の開発が必要不可欠である。そこで、当該年度では、これまでに申請者が独自に開発してきた触媒の微細構造制御手法をメタルフリー触媒の合成へ応用することで、高性能酸素還元触媒の開発を目指した。また、実験化学と計算化学を融合することで、これまで未解明であった反応メカニズムの探索を目的とした。当該年度において、イオン液体とアニオン交換樹脂を出発物質とし、二酸化炭素賦活法を経由した申請者が独自に開発した新規合成法から、ミクロ孔を多く持つ高性能電極触媒の合成に成功した。また、申請者は金属有機構造体をテンプレートとして用いて、異種元素として窒素を含有した多孔質メタルフリー炭素材料を合成し、現行の白金触媒より優れた酸素還元性能を示す新規電極触媒の開発に成功した。このように、申請者は遷移金属含有炭素触媒及びメタルフリー触媒に対して、様々手法でアプローチし、高性能酸素還元触媒の合成に成功した。これらの研究成果を査読付き論文として発表し、内1報はACS Appl. Energy Mater.誌のSupplementary Coverに選定されたことからも、高い評価を受けたと考えている。また、これらの内容を学会で積極的に発表した。

This study is aimed at improving the performance of solid polymer fuel cells in order to realize the possibility of continuous cycling. Development of non-noble metal catalysts, precise control of microstructure of catalysts in practical chemistry and solution of reaction mechanism in three-dimensional pores in computational chemistry In this regard, the applicant has successfully developed a method for controlling the active site and pore structure of a carbon-based catalyst containing a migrating metal. One side, the migration metal contains a catalyst and a catalyst resource, and the other side has a rare property and a high temperature, and the solid polymer fuel cell is popularized. It is necessary to reduce the amount of migrating metals and to develop catalysts. In the current year, the applicant has independently developed a method for manufacturing fine structures of catalysts and a method for synthesizing catalysts. The purpose of this study is to explore the ways in which computational chemistry can be used. During the year, the applicant independently developed a new synthesis method for high-performance electrode catalysts by using liquid exchange resin and diacidified carbon activation method. The applicant has successfully developed a metal-organic structure, a heterogeneous element, a porous carbon material, and a platinum catalyst with excellent acid reduction properties. In this case, the applicant successfully synthesized a high-performance acid-reducing catalyst containing a carbon catalyst and a carbon catalyst. The results of this study were reviewed and reported in ACS Appl. Energy Mater. The content of the book is positive.