電極表界面の構造制御による燃料電池反応の高効率化

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固体高分子形燃料電池はクリーンかつ高効率なエネルギーデバイスとして、広範な利用が期待されている。しかし、空気極における酸素還元反応(ORR)の過電圧が高く、触媒として貴金属のPtを大量に使用していることが問題となっている。本研究の目的は、電気二重層内のイオンや水分子の構造がORR活性に与える影響を解明することである。昨年度の研究で、アルカリ溶液中におけるPtのORR活性が電解質カチオンに依存することがわかった。Pt上のORRは表面酸化物などの吸着種によって阻害されることが知られている。そこで本年度は、表面増強ラマン分光法および放射光表面X線回折を用い、アルカリ溶液中におけるPt(111)の表面酸化物形成過程を詳細に検討することとした。電解液にはKOHおよび水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAOH)水溶液を用いた。その結果、1.2 V(RHE)において、KOH中では不可逆的な三次元構造の酸化物が形成するのに対し、TMAOH中では可逆的な二次元構造の酸化物が形成することがわかった。カチオンはその水和水を介して電極表面と静電的に相互作用し、Pt表面酸化物の安定性に影響を与えていると考えられる。近年、非Pt系ORR触媒として、窒素ドープカーボンが注目されている。アルカリ溶液中において高いORR活性が報告されているが、電気二重層構造がORR活性に与える影響については解明されていない。、そこで、市販の窒素ドープグラフェン触媒を用い、アルカリ溶液中の電解質カチオンがORR活性に与える影響を調査した。アルカリ金属カチオンおよびTMAを用いたところ、Ptとは異なりカチオン種による活性の顕著な差異は確認されなかった。これは、PtとカーボンではORR機構が異なるためであると考えられる。今後は、カーボン系触媒における詳細なORR機構を解明したうえで、最適な電気二重層構造を模索する必要がある。