燃料電池の高性能・長寿命化に向けたイリジウム合金アノードの表面設計と反応解析

用于高性能和长寿命燃料电池的铱合金阳极的表面设计和反应分析

• 批准号: 21H01645
• 负责人: 和田山 智正
• 金额: $ 10.98万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01645/
• 关键词: 固体高分子形燃料電池; アノード触媒; 過酸化水素生成; 水素酸化反応; 酸素還元反応; イリジウム; 白金; イリジウム合金; 過酸化水素生成反応; アノード; 触媒材料

本研究は、構造の規定された合金単結晶表面を超高真空中で物理構築し、触媒表面構造モデルとして用いて、固体高分子形燃料電池(PEFC)のアノードで進行する水素酸化反応(HOR)や過酸化水素(H2O2)の生成メカニズムを検討することを目的として行われた。さらに、アノード触媒開発に不可欠な表面構造を原子レベルで提示することを目標とした。より具体的には、PEFCアノード触媒材料としてIrとその合金系を選択し、分子線エピタキシ(MBE)法やアークプラズマ堆積(APD)法を用いて、Ir単結晶表面合金のような構造規制された表面をアノード触媒モデルとしてドライプロセス合成し、走査型電気化学顕微鏡(SECM)を用いてそのHOR活性とH2O2生成特性を評価して、反応メカニズムを明らかにすることを狙った者である。R3年度の単味Irの基本低指数面（111),(110),(100)表面の示すHOR活性とH2O2生成特性の評価結果に基づいて、R4年度にはIr(111)単結晶基板に対して、基板温度を制御してRuを真空堆積して作製したIr-Ru(111)モデル触媒表面系のアノード触媒特性を検討した。その結果、低速イオン散乱分光分析結果から試料最表面のRu / Ir原子組成は、試料作製熱処理温度に依存し、1 : 1 (673 K), 1 : 2 (773 K), 1 : 4 (873 K)であることを見いだした。HORは、最表面のIr2 や Ir3アンサンブルサイトが担うことがわかった。一方H2O2生成特性に関しては、Ru単結晶(0001)面では活発に生成するのに対して、Ir-Ru(111)ではSECMの検出限界以下であり、最表面IrサイトがH2O2生成抑制に寄与することを明らかにした。

在这项研究中，我们在超高真空中物理构建了具有确定结构的单晶合金表面，并将其用作催化剂表面结构（H2O2）和过氧化氢（H2O2）的模型。此外，我们的目的是在原子水平上呈现阳极催化剂开发所必需的表面结构。更具体地说，我们选择Ir及其合金作为PEFC阳极催化剂材料，并使用分子束外延（MBE）和电弧等离子体沉积（APD）来制造Ir单晶表面合金等结构调控材料。 -过程合成阳极催化剂表面作为阳极催化剂模型，利用扫描电化学显微镜（SECM）评估其HOR活性和H2O2生成特性，并阐明反应机理。基于R3年单Ir基本低折射率面(111)、(110)、(100)面所表现出的HOR活性和H2O2生成特性的评价结果​​，开发了Ir(111)单晶衬底。另一方面，我们研究了通过真空沉积Ru同时控制基底温度制备的Ir-Ru(111)模型催化剂表面系统的阳极催化性能。结果发现样品最外表面的Ru/Ir原子组成为1:1(673K)、1:2(773K)、1:4(873K)和1:1( 673 K）。结果发现，HOR 由最外表面的 Ir2 和 Ir3 系综位点发挥作用。另一方面，关于 H2O2 生成特性，H2O2 在 Ru 单晶（0001）表面上活跃生成，而它低于 Ir-Ru（111）上 SECM 的检测限，表明最外层 Ir 位点有助于抑制 H2O2 的产生表明。

项目成果

Hydrogen Peroxide Generation and Hydrogen Oxidation Reaction Properties of Ir(111)-, (100)-, and (110)-Low-Index Single-Crystal Surfaces

• DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c07322
• 发表时间: 2021-09
• 期刊: The Journal of Physical Chemistry C
• 作者: K. Hayashi;Takeru Tomimori;Yoshihiro Chida;Naoto Todoroki;T. Wadayama

Hydrogen Oxidation Reaction Activity for Vacuum-prepared Ru/Ir(111) Bimetallic Alloy Surfaces

真空制备Ru/Ir(111)双金属合金表面的氢氧化反应活性

• 发表时间: 2021
• 作者: K. Hayashi;K. Kusunoki;T. Tomimori;N. Todoroki and T. Wadayama
• 通讯作者: N. Todoroki and T. Wadayama

Pt/遷移金属高エントロピー合金/Pt(111)表面系の過酸化水素生成および水素酸化反応特性

Pt/过渡金属高熵合金/Pt(111)表面体系过氧化氢生成及氢氧化反应特性

• 发表时间: 2022
• 作者: 富森 雄;林 謙汰;千田 祥大;轟 直人;和田山 智正
• 通讯作者: 和田山 智正

Pt-Cr-Mn-Fe-Co-Niハイエントロピー合金単結晶表面の過酸化水素生成および水素酸化反応特性

Pt-Cr-Mn-Fe-Co-Ni高熵合金单晶表面过氧化氢生成及氢氧化反应特性

• 发表时间: 2022
• 作者: 富森 雄;林 謙汰;千田 祥大;轟 直人;和田山 智正
• 通讯作者: 和田山 智正

走査型電気化学顕微鏡により評価した白金族元素最稠密表面上の過酸化水素生成挙動

通过扫描电化学显微镜评估铂族元素最致密表面上的过氧化氢生成行为

• 发表时间: 2022
• 作者: 林 謙汰;富森 雄;轟 直人;和田山 智正
• 通讯作者: 和田山 智正