Pt free fuel cell electrocatalysts composed of 3D graphene and non-precious metal nano particles

由3D石墨烯和非贵金属纳米颗粒组成的无铂燃料电池电催化剂

基本信息

批准号：
17F17345
负责人：
中村潤児
金额：
$ 1.41万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-11-10 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、固体高分子型燃料電池（PEFC）用窒素ドープカーボン触媒の酸素還元メカニズムの解明を基にした触媒の高性能化を目的として実験を行った。特に酸素還元反応（ORR）の律速過程の解明に着目して、メカニズム研究の知見を活かした触媒構造の設計を試みた。具体的には、カーボン触媒への疎水性の付与である。ピリジン型窒素が形成する活性点近傍を疎水性に保つことによって、局所 O2分圧が向上し、ORRの速度が向上するという仮説を実験によって明らかにすることに成功した。具体的には、ピリジニック窒素をドープしたグラフェンからなる疎水性の籠状構造を持つ新しい触媒 caged-NrGO (nitrogen-dopedreduced graphene) を調製した。籠状構造以外に化学的組成および構造が同じ親水性のNrGO を用いて疎水性の効果を明らかにした。主な結果を以下にまとめる。1. caged-NrGO 触媒では、空気中および酸素中で、空隙中にO2を蓄えることができるが、NrGOではことを見出した。2. NrGO 触媒ではTafel-slope が120 mV/dec であり、ORR の律速過程は O2吸着過程である。一方、caged-NrGO 触媒では、Tafel-slope が60 mV/decであり、空隙構造内での O2分圧の向上により O2吸着過程が促進し引き続く素過程が律速となったことが示された。3. ハーフセルによる電気化学測定において、NrGO 触媒がPt/C 触媒と同等の活性および耐久性を示した。また MEA においても caged-NrGO は高い性能を示し、実用 Pt/C 触媒の 7 割に迫る活性を示した。これらの実験結果は、非白金の安価な実用燃料電池触媒の開発研究を著しく促進する意義がある。

在这项研究中，我们在阐明氧还原机制的基础上进行了实验，以提高聚合物电解质燃料电池（PEFC）中氮掺杂碳催化剂的性能。特别是，我们专注于阐明氧还原反应（ORR）的速率决定过程，并尝试利用机理研究的知识设计催化剂结构。具体来说，它赋予碳催化剂疏水性。通过实验，我们成功阐明了这样的假设：通过保持吡啶型氮形成的活性位点附近的疏水性，局部O2分压增加，ORR速度增加。具体来说，我们制备了一种新型催化剂，笼状-NrGO（氮掺杂还原石墨烯），它具有由掺杂吡啶氮的石墨烯组成的疏水性笼状结构。我们使用除笼状结构外具有相同化学组成和结构的亲水性 NrGO 阐明了疏水性的影响。主要结果总结如下。 1.我们发现，在笼状-NrGO催化剂中，O2可以储存在空气和氧气的空隙中，但不能储存在NrGO中。 2. NrGO催化剂的Tafel斜率为120 mV/dec，ORR的决速过程是O2吸附过程。另一方面，对于笼状-NrGO催化剂，塔菲尔斜率为60 mV/dec，表明通过增加孔结构内的O2分压来促进O2吸附过程，并且随后的基本过程成为速率决定过程。。 3.在半电池电化学测量中，NrGO催化剂表现出与Pt/C催化剂相当的活性和耐久性。笼状-NrGO 在 MEA 中也表现出高性能，其活性接近实用 Pt/C 催化剂的 70%。这些实验结果对于显着促进非铂、廉价、实用的燃料电池催化剂的开发和研究具有重要意义。