非貴金属材料を用いた燃料電池用カソード触媒の開発と高性能化に関する研究

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本研究はTi、Nb、TaといったIV、V族化合物を用いた新規非白金ORR触媒の開発を目指し、主にナノ粒子窒化物を調製し、これら材料のORR触媒の活性を評価した。また、これら材料の酸化や窒化、粒径の変化等が触媒活性にどのように影響するのかを評価することでORRの活性発現条件の解明を試みた。この他、IV、V族化合物のORR触媒活性点と相関関係がある測定法として、ORRの反応物である触媒表面上の分子状吸着酸素を評価した。手法としては低温に置ける酸素の昇温脱離法(02-TPD)を用いた。酸素の吸着エネルギーや触媒表面の吸着サイト密度を計算し、これらとORR活性との相関関係を評価した。ナノ粒子調製法として知られる、C_3N_4をテンプレートとして用いる方法によってTi、Nb、Taの窒化物ナノ粒子を調製した。これらナノ粒子を電極触媒として用いたところ、いずれの窒化物もORR触媒活性を示し、その中でもTiNが最も高い活性を示した。これら材料を用いて行ったO_2-TPDの測定から求めた酸素吸着エネルギーの大小とORR触媒活性の大小には相関があることが示唆された。また脱離ピーク面積から算出した非白金触媒のO_2吸着サイト密度は、白金触媒に比べて1/4～1/3程度と低いことがわかった。その一方でTiNは、粒径の減少とともに単位表面積あたりのO_2吸着サイト密度が飛躍的に向上しており、ナノ粒子化により新しい吸着サイトが形成されていることが分かった。これらの結果から、非白金触媒開発において、O_2吸着エネルギーの強い材料を用いるとともに、酸素吸着サイト密度を上昇させるという二つの指標が得られた。また窒化チタンナノ粒子の新たな利用方法としてアルカリ雰囲気中での酸素還元特性を評価し、窒化物ナノ粒子の幅広い利用の可能性を示した。