規則性マクロポーラス酸化物担体を用いた固体高分子形燃料電池の高耐久・高性能化

使用规则大孔氧化物载体的聚合物电解质燃料电池的高耐久性和高性能

基本信息

批准号：
22K20482
负责人：
平野知之
金额：
$ 1.83万
依托单位：
Hiroshima University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

研究初年度である2022年度は，高活性かつ高耐久性を有する次世代型の固体高分子形燃料電池（PEFC）用電極触媒の開発に向けて，火炎法を用いた酸化物触媒担体の（1）高比表面積化と（2）マクロポーラス化の検討を行った。（1）酸化物触媒担体の高比表面積化：酸化物ナノ粒子をPEFC用触媒担体に使用するためには，ネットワーク構造を維持しながら高比表面積を有することが求められる。本研究では，燃焼条件（燃料種，酸化剤割合，発熱量など）を調整することにより，酸化物ナノ粒子の凝集度と比表面積の制御を行った。火炎合成における燃焼エンタルピー密度を4.87 kJ/g-gasとすることにより，ネットワーク構造を有しつつ高比表面積を有する酸化物ナノ粒子が得られた。また，得られた酸化物ナノ粒子を触媒担体に用いて，単セルにより発電性能評価を実施し，既存のカーボンとの比較を実施した。発電性能はカーボンに及ばないものの，酸化物への触媒担持量を調整することで活性を示すことを明らかにした。（2）酸化物触媒担体のマクロポーラス化：市販のTiO2ナノ粒子をモデル材料として，火炎法を用いたマクロポーラス粒子の合成を試みた。造孔剤にはポリメタクリル酸メチル（PMMA; 400 nm）を使用した。また，PMMAの急速な反応を防ぎ，十分な自己組織化を誘発するために，火炎の発熱量を減少させて合成実験を行った。また独自に開発した火炎合成プロセスにより，火炎と粒子との直接接触を防いだ。PMMA濃度，粒子捕集位置，火炎内滞留時間を調整することで，粒子内に規則的にマクロ孔を有するマクロポーラスTiO2粒子が得られた。マクロポーラス粒子を構成するTiO2ナノ粒子は焼結しており，強固な骨格を形成していた。

2022 年，即研究的第一年，我们的目标是开发一种用于聚合物电解质燃料电池 (PEFC) 的高活性和高耐用性的下一代电催化剂。我们研究了 1) 增加比表面积和 (2) 使其具有大孔。。 (1)增加氧化物催化剂载体的比表面积：为了使用氧化物纳米粒子作为PEFC的催化剂载体，要求它们具有高的比表面积，同时保持网络结构。在这项研究中，我们通过调节燃烧条件（燃料类型、氧化剂比例、热值等）来控制氧化物纳米粒子的聚集程度和比表面积。通过将火焰合成中的燃烧热函密度设定为4.87 kJ/g-gas，获得了具有网络结构和高比表面积的氧化物纳米颗粒。我们还使用所获得的氧化物纳米粒子作为催化剂载体评估了单电池的发电性能，并将其与现有的碳进行了比较。虽然其发电性能不如碳，但研究表明，可以通过调节氧化物上负载的催化剂的量来将其活化。 (2)氧化物催化剂载体大孔化：以市售的TiO2纳米颗粒为模型材料，我们尝试采用火焰法合成大孔颗粒。使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA；400 nm）作为造孔剂。此外，为了防止PMMA的快速反应并诱导充分的自组装，在减少火焰发热的情况下进行合成实验。此外，独特开发的火焰合成工艺可防止火焰与颗粒之间的直接接触。通过调节PMMA浓度、颗粒收集位置和在火焰中的停留时间，获得了具有规则大孔的大孔TiO2颗粒。构成大孔颗粒的TiO2纳米颗粒被烧结并形成坚固的骨架。