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

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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。