分子レベル触媒設計による燃料電池の高効率化

通过分子级催化剂设计提高燃料电池效率

基本信息

批准号：
15710094
负责人：
中村将志
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Chiba University (2004)Keio University (2003)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

1、水素および酸素を用いた燃料電池において酸素還元の反応速度が遅いため出力密度が小さいのが原因となっている。酸素還元反応のモデルとしてNi(111)表面に酸素と水分子の共吸着した構造について表面X線回折による構造解析および赤外分光による水分子の解離過程の観測を行った。Ni(111)表面のfcc hollow siteにp(2x2)で酸素原子が吸着し、空サイトとなるon topサイトに吸着した水分子の構造を決定した。ニッケルは水分子のOH結合を解離させやすい金属だが酸素前吸着した表面では解離しにくいことを明らかにした。一方、酸素が吸着していないNi(111)表面では、白金、ルテニウムなどの他の最密充填表面と同様に水分子は環状6量体を形成することが判明した。2、触媒を効率よく機能させるためには、電解質高分子とガス層が均一に触媒に接する三相界面が必要である。膜電解質接合体(MEA)の作成には、高分子電解質をアルコールに溶解させたものに触媒を懸濁させてカーボンペーパに塗布するが、この方法では、電解質が触媒の細孔には充填されない。そこで、この懸濁液に分子サイズの小さくプロトン伝導性のあるクロロメタンスルホン酸を混合することにより、いままで使われていなかった触媒を有効に使うことが可能となり、発電効率が10%増加した。3、無電解メッキ法による白金担持カーボン触媒の作成において、触媒の表面積を増加させるため、(1)カーボンブラックを、二酸化炭素雰囲気下で加熱することにより、高表面積化させた。(2)エチレングリコールを還元剤とした場合、高分散した白金微粒子の作成に成功した。これにより、従来の3分の1の触媒量で同等な性能の燃料電池セルの開発に成功した。

1。在使用氢和氧气的燃料电池中，降低氧气的缓慢反应速率慢，功率密度是原因。作为氧还原反应的模型，通过表面X射线衍射分析了在Ni（111）表面共同吸附的氧和水分子的结构，并通过红外光谱观察到水分子的分离过程。氧原子吸附在Ni（111）表面上的FCC空心位点上的氧原子，并确定水分子的结构在顶部位点吸附的水分子的结构，确定了一个空位。镍是一种容易分离水分子OH键的金属，但已经发现很难在已预吸收的表面上解离。另一方面，发现在不吸附氧气的Ni（111）的表面上，水分子形成环状六聚体，类似于其他封闭式表面，例如铂和扁桃体。 2。为了有效发挥作用，需要一个三相界面，其中电解质聚合物和气体层与催化剂均匀接触。为了制备膜电解质组件（MEA），将催化剂悬浮在溶解在酒精中并涂在碳纸上的聚合物电解质中，但是在这种方法中，电解质没有填充到催化剂的孔中。因此，通过将这种悬浮液与较小的分子大小和质子传统的氯甲磺酸混合，可以有效地使用迄今为止尚未使用的催化剂，从而提高发电效率10％。 3。在通过电镀铂制备铂支持的碳催化剂时，（1）在二氧化碳大气下加热碳黑色，以增加催化剂的表面积。（2）当将乙二醇用作还原剂时，成功产生了高度分散的铂细颗粒。这导致了开发一个燃料电池的成功，其性能相当于传统催化剂量的三分之一。