高次構造を制御した新規繊維状炭素を用いる固体高分子形燃料電池用触媒に関する研究

本年度の研究では，マリモカーボンを用いた固体高分子形燃料電池用触媒の高性能化に主眼をおいた。マリモカーボンを構造という観点からその物性を詳細に評価したところ，従来広く使われてきたカーボンブラックには多く含まれているメソポア，マイクロポアといった構造が見られなかった。より詳しく見ると，カーボンブラックには直径100nm程度の微小な細孔が大量に含まれていたのに対し，マリモカーボンには80nm程度の隙間がわずかに含まれているのみであったことが分かった。これは，マリモカーボンに存在する空間が繊維の間の隙間のみしか存在していないためであり，液体の水が浸入あるいは脱出できなくなるだけの小さな細孔が含まれていないことを示している。そのため，単位重量辺りの比表面積がマリモカーボンは小さいにも関わらず，これを触媒として用いた燃料電池の性能は向上する，ということが明らかとなった。また，触媒金属となる白金の担持方法についても検討し，マリモカーボンに対して最も適したPtの担持条件を見出した。その結果，液体の水の中という最も簡便かつ均一化の容易な環境下において，触媒金属源となる塩化白金酸と還元剤となる水素化ホウ素ナトリウムの組み合わせのみでカーボン上に担持する金属粒子のサイズ，分布のコントロールがある程度可能となった。本研究では，金属粒子のサイズが2-4nm程度，かつカーボン上へ最も均一に分布する条件で最も高い発電性能を示した。先の構造的物性と合わせて考えると，マリモカーボンの使用によって担持されている白金粒子はほぼ無駄なく発電に寄与しており，性能の向上と貴金属使用料の削減を同時に期待できる触媒が作製可能であることが分かった。

本年度の研究では，マリモカーボンを用いた固体高分子形燃料電池用触媒の高性能化に主眼をおいた。マリモカーボンを構造という観点からその物性を詳細に評価したところ，従来広く使われてきたカーボンブラックには多く含まれているメソポア，マイクロポアといった構造が見られなかった。より詳しく見ると，カーボンブラックには直径100nm程度の微小な細孔が大量に含まれていたのに対し，マリモカーボンには80nm程度の隙間がわずかに含まれているのみであったことが分かった。これは，マリモカーボンに存在する空間が繊維の間の隙間のみしか存在していないためであり，液体の水が浸入あるいは脱出できなくなるだけの小さな細孔が含まれていないことを示している。そのため，単位重量辺りの比表面積がマリモカーボンは小さいにも関わらず，これを触媒として用いた燃料電池の性能は向上する，ということが明らかとなった。また，触媒金属となる白金の担持方法についても検討し，マリモカーボンに対して最も適したPtの担持条件を見出した。その結果，液体の水の中という最も簡便かつ均一化の容易な環境下において，触媒金属源となる塩化白金酸と還元剤となる水素化ホウ素ナトリウムの組み合わせのみでカーボン上に担持する金属粒子のサイズ，分布のコントロールがある程度可能となった。本研究では，金属粒子のサイズが2-4nm程度，かつカーボン上へ最も均一に分布する条件で最も高い発電性能を示した。先の構造的物性と合わせて考えると，マリモカーボンの使用によって担持されている白金粒子はほぼ無駄なく発電に寄与しており，性能の向上と貴金属使用料の削減を同時に期待できる触媒が作製可能であることが分かった。