窒素ドープ炭素材料の酸素還元反応メカニズムの解明

氮掺杂碳材料氧还原反应机理的阐明

基本信息

批准号：
14J11134
负责人：
木内久雄
金额：
$ 1.22万
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：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

燃料電池用の実用触媒はPtを代替する材料開発が急務である。窒素ドープ炭素材料は燃料電池での酸素還元反応(ORR)を促進する低コスト代替触媒として注目されており、その触媒活性点を特定することが重要である。本研究の目的は、in situ 軟 X 線吸収・発光システムを開発し、酸素還元反応中における実触媒および窒素ドープグラファイトモデル試料の軽元素の電子状態変化を比較することで、ORR 活性発現メカニズムを解明することである。今年度は、窒素ドープ炭素還元触媒のモデル触媒である窒素ドープグラファイト (N-HOPG)に対して、X線光電子分光 (XPS)、X線吸収分光 (XAS)、ラマン分光、電気化学測定を用いてCO2吸着前後の電子状態変化から電子供与性を明らかにする実験を行った。作製した窒素ドープグラファイトモデル触媒(N-HOPG)へのCO2吸着を行い、N-HOPGの電子供与性を論じた。室温でのN-HOPGへのCO2吸着量は10000 L程度で飽和し、窒素ドープにより室温でもCO2が吸着することが分かった。CO2吸着前後のO 1s XPSから、吸着したCO2は基板からの電荷移動により安定し、物理吸着のCO2分子より約2 eV低結合エネルギー側にピークをもつことが分かった。また、CO2吸着前後のO 1s XASから、N-HOPG表面に対してCO2分子軸を平行にして吸着することが示唆された。CO2吸着前後でN 1s XASの変化はほとんど観測されなかったことから、グラファイト面内に配向したpyridinic N及びgraphitic Nの周辺炭素がLewis塩基点を形成することが明らかになった。

迫切需要开发可以替代 Pt 作为燃料电池实用催化剂的材料。氮掺杂碳材料作为促进燃料电池中氧还原反应（ORR）的低成本替代催化剂而受到关注，识别其催化活性位点非常重要。本研究的目的是开发原位软X射线吸收/发射系统，并比较氧还原反应过程中真实催化剂和氮掺杂石墨模型样品中轻元素的电子态变化，以了解氧还原反应的机理。 ORR 活动就是为了找出答案。今年，我们将使用 X 射线光电子能谱 (XPS)、X 射线吸收光谱 (XAS)、拉曼光谱和氮掺杂石墨 (N-HOPG) 的电化学测量，氮掺杂石墨是氮掺杂的模型催化剂。我们进行了一项实验，通过CO2吸附前后电子状态的变化来阐明给电子特性。我们对制备的氮掺杂石墨模型催化剂（N-HOPG）进行了CO2吸附，并讨论了N-HOPG的给电子性能。结果发现，室温下N-HOPG上的CO2吸附量在约10,000L时达到饱和，并且通过掺杂氮，即使在室温下也可以吸附CO2。 CO2 吸附前后的 O 1s XPS 表明，吸附的 CO2 通过底物的电荷转移而稳定，并且在比物理吸附的 CO2 分子结合能低约 2 eV 处有一个峰值。此外，CO2吸附前后的O 1s XAS表明CO2的吸附分子轴平行于N-HOPG表面。由于在CO2吸附前后N 1s XAS几乎没有观察到变化，因此可以清楚地看出，在石墨平面内取向的吡啶N和石墨N的周围碳形成了路易斯基点。

项目成果

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X線光電子・吸収分光による窒素ドープグラファイトに化学吸着したCO2の観測

使用 X 射线光电子/吸收光谱观察氮掺杂石墨上化学吸附的 CO2

DOI：
发表时间：
2015
期刊：
影响因子：
0
作者：
Daichi Yamashita;Masahisa Wada;Keiji Takabe;木内久雄;木内久雄;木内久雄;木内久雄
通讯作者：
木内久雄

Multi-Phonon Excitations in Fe 2p RIXS on Mg2FeH6

Mg2FeH6 上 Fe 2p RIXS 的多声子激发

DOI：
发表时间：
2015
期刊：
Journal of The Physical Society of Japan
影响因子：
1.7
作者：
Keisuke Kurita;Daiichiro Sekiba;Isao Harayama;Kenta Chito;Yoshihisa Harada;Hisao Kiuchi;Masaharu Oshima;Shigeyuki Takagi;Motoaki Matsuo;Ryutaro Sato;Katsutoshi Aoki;and Shin-ichi Orimo
通讯作者：
and Shin-ichi Orimo

X線光電子・吸収分光法による窒素ドープグラファイトに配向吸着したCO2の観測

使用 X 射线光电子/吸收光谱观察氮掺杂石墨上吸附的定向 CO2