固体高分子形燃料電池正極用カーボンアロイ触媒のその場電子状態解析

聚合物电解质燃料电池正极碳合金催化剂的原位电子态分析

• 批准号: 10J03320
• 负责人: 丹羽 秀治
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2010
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2010 至 2012
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10J03320/
• 关键词: 燃料電池; 触媒; 酸素還元反応; 軟X線発光分光; 放射光; その場測定; 電気化学反応; 酸素権限反応; 分子吸着

白金系触媒の性能を凌駕するカーボン系正極触媒開発のため、PEFC動作条件下において触媒の電子状態を直接観測し、酸素還元反応(ORR)活性点や劣化メカニズムを明らかにし、触媒合成の指針を得る必要がある。本年度の研究では、ORRメカニズムを解明するため、燃料電池動作条件下における多段焼成FePc由来触媒の電子状態変化をXESにより直接観測出来るoperando測定システムを開発し、電位制御下での電子状態測定を行うことを目的とした。FePcとフェノール樹脂を原料として、不活性ガス雰囲気下での焼成、酸洗浄を繰り返して多段焼成FePc由来触媒を合成した。カソード触媒層に多段焼成FePc由来触媒を、アノード触媒層にPtRu/C触媒を塗布して膜電極接合体(MEA)を作製した。触媒層へのガス供給、両電極間の電位制御が可能で、高真空環境と大気圧下のMEAをSiC窓材により隔てたMEAセルを新たに開発した。Operando XES測定は、SPring-8 BL07LSUの超高分解能発光分光装置を用いて行った。MEAセルのアノードに水素を、カソードに窒素または窒素と酸素の混合ガスを導入し、両電極間の電位を開放端電圧相当の1.0Vと発電条件である0.4Vに制御してMEAカソード触媒層中のFe 2p operando XES測定を行った。'1.0VでのFe 2p operando XESにより、酸素導入に伴う鉄のdd励起強度の変化を見出した。このことは、多段焼成FePc由来触媒のFeサイトにO2が吸着することを示唆している。続いて0.4Vに保持してXES測定を行ったが、発電に伴う電子状態変化は窒素導入時と酸素導入時でほとんど見られなかった。以上の結果から、この多段焼成FePc由来触媒の鉄サイトが酸素還元反応活性点である場合は、生成物及び反応中間体の脱離律速であることが示唆された。

为了开发超过铂基催化剂性能的碳阳性电极催化剂，有必要在PEFC工作条件下直接观察催化剂的电子状态，阐明氧还原反应（ORR）的活性点和恶化机制，并获得催化剂合成的指南。在今年的研究中，为了阐明ORR机制，我们开发了一个操作数测量系统，该系统可以直接观察使用XES在燃料电池工作条件下使用XES的多级钙化FEPC衍生的催化剂的电子状态变化，并旨在测量潜在控制下的电子状态。使用FEPC和酚醛树脂作为原材料，通过在惰性气气大气和酸洗涤下反复钙化，通过反复钙化来合成多阶段FEPC衍生的催化剂。将多阶段的FEPC衍生催化剂应用于阴极催化剂层，并将PTRU/C催化剂应用于阳极催化剂层以制备膜电极组件（MEA）。已经开发了一个新的MEA电池，该细胞允许将气体供应到催化剂层和两个电极之间的潜在控制，并通过SIC窗户材料在高真空环境和大气压下分离衡量。使用Spring-8 BL07LSU的超高分辨率发射光谱进行操作XES测量。 Hydrogen was introduced into the anode of the MEA cell, and nitrogen or a mixed gas of nitrogen and oxygen was introduced into the cathode, and the potential between the electrodes was controlled to be 1.0V, which corresponds to the open end voltage, and 0.4V, which is the power generation condition, and Fe 2p operando XES measurements were performed in the MEA cathode catalyst layer. ``我们发现铁在1.0 V时通过Fe 2p Operando XES引入铁的DD激发强度发生了变化。这表明O2吸附了多级钙化FEPC衍生的催化剂的Fe位点。接下来，在保持温度为0.4V时进行了XES测量，但是当引入氮和氧时，由于发电而导致电子状态几乎没有变化。以上结果表明，当该多阶段FEPC衍生的催化剂的铁位点是用于还原反应的活性位点时，会控制产物的解吸速率和反应中间体。

项目成果

軟X線発光分光による鉄フタロシアニン由来PEFC正極触媒のoperando解析

使用软 X 射线发射光谱对源自铁酞菁的 PEFC 阴极催化剂进行操作分析

• 发表时间: 2013
• 作者: Yoshimura T.;Tanimizu M.;Inoue M.;Suzuki A.;Iwasaki N.;Kawahata H.;丹羽秀治
• 通讯作者: 丹羽秀治

金属フタロシアニン由来酸素還元触媒のin situ軟X線発光分光

金属酞菁衍生氧还原催化剂的原位软X射线发射光谱

• 发表时间: 2013
• 作者: Yoshimura;T.;Izumida;H.;Suzuki;A.;Ishimura;T.;Nakashima;R.;Kawahata;H;丹羽秀治
• 通讯作者: 丹羽秀治

軟X線発光分光による固体高分子形燃料電池正極用カーボンアロイ触媒のin situ電子状態観測

软X射线发射光谱原位观察聚合物电解质燃料电池正极碳合金催化剂的电子态

• 发表时间: 2011
• 作者: Yoshimura;T.;Izumida;H.;Suzuki;A.;Ishimura;T.;Nakashima;R.;Kawahata;H;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治
• 通讯作者: 丹羽秀治

超高分解能軟X線発光分光によるナノ空間の水及びカフェインの電子状態解析の検討

使用超高分辨率软 X 射线发射光谱研究纳米空间中水和咖啡因的电子态分析

• 发表时间: 2011
• 作者: Yoshimura;T.;Izumida;H.;Suzuki;A.;Ishimura;T.;Nakashima;R.;Kawahata;H;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治
• 通讯作者: 丹羽秀治

固体高分子形燃料電池正極用コバルトフタロシアニン由来カーボンアロイ触媒の表面とバルクの化学状態分析:軟X線及び硬X線光電子分光

用于聚合物电解质燃料电池正极的钴酞菁衍生碳合金催化剂的表面和本体化学态分析：软X射线和硬X射线光电子能谱

• 发表时间: 2010
• 作者: Yoshimura;T.;Izumida;H.;Suzuki;A.;Ishimura;T.;Nakashima;R.;Kawahata;H;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;丹羽秀治;H.Niwa;丹羽秀治
• 通讯作者: 丹羽秀治