窒素ドープ炭素材料の酸素還元反応メカニズムの解明

燃料電池用の実用触媒はPtを代替する材料開発が急務である。窒素ドープ炭素材料は燃料電池での酸素還元反応(ORR)を促進する低コスト代替触媒として注目されており、その触媒活性点を特定することが重要である。本研究の目的は、in situ 軟 X 線吸収・発光システムを開発し、酸素還元反応中における実触媒および窒素ドープグラファイトモデル試料の軽元素の電子状態変化を比較することで、ORR 活性発現メカニズムを解明することである。今年度は、窒素ドープ炭素還元触媒のモデル触媒である窒素ドープグラファイト (N-HOPG)に対して、X線光電子分光 (XPS)、X線吸収分光 (XAS)、ラマン分光、電気化学測定を用いてCO2吸着前後の電子状態変化から電子供与性を明らかにする実験を行った。作製した窒素ドープグラファイトモデル触媒(N-HOPG)へのCO2吸着を行い、N-HOPGの電子供与性を論じた。室温でのN-HOPGへのCO2吸着量は10000 L程度で飽和し、窒素ドープにより室温でもCO2が吸着することが分かった。CO2吸着前後のO 1s XPSから、吸着したCO2は基板からの電荷移動により安定し、物理吸着のCO2分子より約2 eV低結合エネルギー側にピークをもつことが分かった。また、CO2吸着前後のO 1s XASから、N-HOPG表面に対してCO2分子軸を平行にして吸着することが示唆された。CO2吸着前後でN 1s XASの変化はほとんど観測されなかったことから、グラファイト面内に配向したpyridinic N及びgraphitic Nの周辺炭素がLewis塩基点を形成することが明らかになった。

燃料電池用の実用触媒はPtを代替する材料開発が急務である。窒素ドープ炭素材料は燃料電池での酸素還元反応(ORR)を促進する低コスト代替触媒として注目されており、その触媒活性点を特定することが重要である。本研究の目的は、in situ 軟 X 線吸収・発光システムを開発し、酸素還元反応中における実触媒および窒素ドープグラファイトモデル試料の軽元素の電子状態変化を比較することで、ORR 活性発現メカニズムを解明することである。今年度は、窒素ドープ炭素還元触媒のモデル触媒である窒素ドープグラファイト (N-HOPG)に対して、X線光電子分光 (XPS)、X線吸収分光 (XAS)、ラマン分光、電気化学測定を用いてCO2吸着前後の電子状態変化から電子供与性を明らかにする実験を行った。作製した窒素ドープグラファイトモデル触媒(N-HOPG)へのCO2吸着を行い、N-HOPGの電子供与性を論じた。室温でのN-HOPGへのCO2吸着量は10000 L程度で飽和し、窒素ドープにより室温でもCO2が吸着することが分かった。CO2吸着前後のO 1s XPSから、吸着したCO2は基板からの電荷移動により安定し、物理吸着のCO2分子より約2 eV低結合エネルギー側にピークをもつことが分かった。また、CO2吸着前後のO 1s XASから、N-HOPG表面に対してCO2分子軸を平行にして吸着することが示唆された。CO2吸着前後でN 1s XASの変化はほとんど観測されなかったことから、グラファイト面内に配向したpyridinic N及びgraphitic Nの周辺炭素がLewis塩基点を形成することが明らかになった。