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白金触媒代替のための非貴金属系合金ナノクラスター触媒の設計と合成

替代铂催化剂的非贵金属合金纳米团簇催化剂的设计与合成

基本信息

批准号：
14J10649
负责人：
森下哲典
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

固体高分子形燃料電池はエネルギー効率が高く、有害物質を排出しないことから、自動車の動力源やコジェネレーションシステムとして注目されている。しかし、正極の酸素還元反応の触媒として、現在稀少金属である白金が使われているため、代替触媒の開発が求められている。これまで実験を中心に触媒開発が広く行われてきたが、未だ代替触媒は見つかっておらず、白金の触媒性の起源にさかのぼって、理論に基づいた触媒開発をする必要がある。昨年度まで行っていた、金属ナノクラスター上への酸素吸着の計算結果について、新たな解釈で結果を考察した。さらに、その解析結果に基づいて新たな触媒の設計を行った。まず、13量体の金属ナノクラスターへ酸素が吸着した状態の分子軌道を詳しく解析した。触媒性がある白金の場合と、触媒性がない金と銅の場合を比較した結果、金属のd軌道と酸素の2pπ軌道で形成するMetal-O π*軌道が、非占有軌道中のフェルミエネルギー付近に存在することが触媒性に重要であると分かった。この軌道がフェルミエネルギー付近に存在することで、電極から触媒への電子流入が引き金となり、酸素の解離と脱離の両方が進行していくと考えられる。さらに、触媒性を判断する基準として、このMetal-O π*軌道に注目すると、シェルにNbを、コアにZnを配置したcore-single shell Nb42Zn13では、Nb55に比べ、このMetal-O π*軌道のエネルギー準位が低下し、フェルミエネルギーに近づくことが明らかになった。つまり、ZnをNbの背後に配置することで、酸素吸着時の電子状態が白金の場合に近づくということを示している。これらの元素の組み合わせによる触媒はこれまで提案されておらず、Metal-O π*軌道に注目することで導かれた新規触媒である。

Solid polymer fuel cells have high efficiency, harmful substance emission, and automotive power supply. The catalyst for the reduction of the acid element in the electrode is now rare metal, platinum, and the development of a substitute catalyst. The catalyst development in the center of platinum is necessary for the development of platinum catalyst. The results of calculation of acid adsorption on metal and metal were investigated in the past year. The results of the analysis are based on the design of new catalysts. The molecular orbitals of 13-volume metals are analyzed in detail. The catalytic properties of platinum and copper are compared. The results show that the d orbitals of metals and the 2pπ orbitals of acids form Metal-O π* orbitals, and the existence of non-occupied orbitals is important for catalytic properties. The orbit of the catalyst is closely related to the existence of electrons, the electrode, the catalyst, the electron inflow, the dissociation and the dissociation of the acid. The criteria for determining the catalytic properties of the metal-O π* orbitals are as follows: Nb and Zn are arranged in the core-single shell Nb42Zn13 and Nb55, and the production level of the metal-O π* orbitals is low. In the case of platinum, the electronic state of Zn and Nb is close to that of Pb. The composition of the elements is a new catalyst.