非貴金属材料を用いた燃料電池用カソード触媒の開発と高性能化に関する研究

非贵金属材料燃料电池阴极催化剂的开发及性能改进研究

基本信息

批准号：
11J00284
负责人：
大西良治
金额：
$ 0.83万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2012
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究はTi、Nb、TaといったIV、V族化合物を用いた新規非白金ORR触媒の開発を目指し、主にナノ粒子窒化物を調製し、これら材料のORR触媒の活性を評価した。また、これら材料の酸化や窒化、粒径の変化等が触媒活性にどのように影響するのかを評価することでORRの活性発現条件の解明を試みた。この他、IV、V族化合物のORR触媒活性点と相関関係がある測定法として、ORRの反応物である触媒表面上の分子状吸着酸素を評価した。手法としては低温に置ける酸素の昇温脱離法(02-TPD)を用いた。酸素の吸着エネルギーや触媒表面の吸着サイト密度を計算し、これらとORR活性との相関関係を評価した。ナノ粒子調製法として知られる、C_3N_4をテンプレートとして用いる方法によってTi、Nb、Taの窒化物ナノ粒子を調製した。これらナノ粒子を電極触媒として用いたところ、いずれの窒化物もORR触媒活性を示し、その中でもTiNが最も高い活性を示した。これら材料を用いて行ったO_2-TPDの測定から求めた酸素吸着エネルギーの大小とORR触媒活性の大小には相関があることが示唆された。また脱離ピーク面積から算出した非白金触媒のO_2吸着サイト密度は、白金触媒に比べて1/4～1/3程度と低いことがわかった。その一方でTiNは、粒径の減少とともに単位表面積あたりのO_2吸着サイト密度が飛躍的に向上しており、ナノ粒子化により新しい吸着サイトが形成されていることが分かった。これらの結果から、非白金触媒開発において、O_2吸着エネルギーの強い材料を用いるとともに、酸素吸着サイト密度を上昇させるという二つの指標が得られた。また窒化チタンナノ粒子の新たな利用方法としてアルカリ雰囲気中での酸素還元特性を評価し、窒化物ナノ粒子の幅広い利用の可能性を示した。

在本研究中，我们旨在利用Ti、Nb和Ta等IV族和V族化合物开发一种新型非铂ORR催化剂。我们主要制备纳米颗粒氮化物并评估这些材料的ORR催化剂活性。我们还尝试通过评估这些材料的氧化、氮化和粒径变化如何影响催化活性来阐明 ORR 活性发生的条件。此外，作为与IV组和V组化合物的ORR催化剂活性位点相关的测量方法，我们评估了作为ORR反应物的催化剂表面上氧的分子吸附。所使用的方法是低温下的程序升温氧解吸(O 2 -TPD)。计算催化剂表面的氧吸附能和吸附位点密度，并评价它们与ORR活性之间的相关性。使用C_3N_4作为模板，通过已知的纳米颗粒制备方法制备Ti、Nb和Ta氮化物纳米颗粒。当这些纳米粒子用作电极催化剂时，所有氮化物都表现出ORR催化活性，其中TiN表现出最高的活性。有人建议，通过使用这些材料进行的 O_2-TPD 测量确定的氧吸附能的大小与 ORR 催化剂活性的大小之间存在相关性。此外，由脱附峰面积计算得出的非铂催化剂的O_2吸附位点密度比铂催化剂低约1/4至1/3。另一方面，在TiN中，随着粒径的减小，每单位表面积的O_2吸附位点密度急剧增加，这表明纳米颗粒的形成形成了新的吸附位点。由此得出开发非铂催化剂的两个指标：使用O_2吸附能强的材料和提高氧吸附位点的密度。此外，作为使用氮化钛纳米颗粒的新方法，评估了碱性气氛中的氧还原性能，并证明了氮化物纳米颗粒广泛使用的可能性。