酸素還元電極触媒としての銅イオン担持共有結合性有機構造体の開発

负载铜离子的共价有机骨架作为氧还原电催化剂的开发

基本信息

批准号：
16J09552
负责人：
岩瀬和至
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Osaka University (2018)The University of Tokyo (2016-2017)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度で行った研究は、(1)金属担持共有結合性有機構造体からなる高活性な酸素還元反応(ORR)電極触媒の設計指針の提唱、と(2)これまで得られた知見の新規二酸化炭素還元反応(CRR)電極触媒への展開、の二点である。まず、上記(1)について述べる。ORRは、種々の燃料電池のカソード反応として重要であり、安価な非貴金属のみからなる触媒の開発が強く望まれる。近年の第一原理計算による研究からORR中間体の吸着エネルギーの適切な制御がORRの高活性化に重要であることが提唱されている。そこで本研究では、種々の構造、及び金属種を有する金属担持共有結合性有機構造体のモデル構造を設計し、第一原理計算により種々のORR中間体の吸着エネルギーを見積もった。その結果、金属活性中心の配位環境及びその金属種の適切な選択が、ORR中間体の吸着エネルギー、ひいてはORR活性の高活性化に重要であることが明らかになった。次に、(2)に関して述べる。これまで本研究課題遂行者の岩瀬は、金属担持共有結合性有機構造体を用いて、金属中心の配位環境がCRR活性の反応選択性を決める重要な要素であることを実験的に見出してきた。そこで本研究ではこの研究を更に発展させ、この知見を無機炭素材料に展開した。様々な合成条件で金属ドープ炭素材料を合成し、その二酸化炭素還元活性を測定したところ、合成条件の選択による金属活性中心の配位環境及び形態の制御が、CRR活性の制御に重要であることがわかった。この研究は日本学術振興会の若手研究者交流事業(スイス枠)の採用期間中に、スイスのポール・シェラー研究所にて行った。現在合成した触媒のより詳細な構造解析、及び合成した触媒のCRRのメカニズムについての検討を行っている。現在、上述の2つの研究はそれぞれ結果を取りまとめ、学術論文として投稿準備中である。

今年进行的研究包括（1）提出由金属负载共价有机结构制成的高活性氧还原反应（ORR）电催化剂的设计指南，以及（2）将迄今为止获得的知识应用于新型二氧化碳。有两个要点：碳还原反应（CRR）电催化剂的开发。首先，我们讨论上面的（1）。 ORR作为各种燃料电池中的阴极反应很重要，并且强烈希望开发仅由非贵金属制成的廉价催化剂。最近使用第一性原理计算的研究提出，适当控制 ORR 中间体的吸附能对于 ORR 的高活化非常重要。因此，在本研究中，我们设计了具有不同结构和金属种类的金属负载共价有机结构的模型结构，并使用第一原理计算估计了各种ORR中间体的吸附能。结果表明，金属活性中心的配位环境和金属种类的适当选择对于ORR中间体的吸附能以及最终提高ORR活性非常重要。接下来，我们将讨论（2）。迄今为止，开展该研究项目的岩濑通过实验发现，金属中心的配位环境是决定使用金属负载的共价有机结构的CRR活性的反应选择性的重要因素。因此，在本研究中，我们进一步发展了这项研究并将这些知识应用于无机碳材料。我们在不同的合成条件下合成了金属掺杂碳材料，并测量了它们的二氧化碳还原活性，我发现通过选择合成条件来控制金属活性中心的配位环境和形态对于控制CRR活性非常重要。这项研究是在日本学术振兴会青年研究人员交流计划（瑞士框架）期间在瑞士保罗谢勒研究所进行的。我们目前正在对合成催化剂进行更详细的结构分析，并研究合成催化剂的CRR机理。我们目前正在整理上述两项研究的结果，并准备将其作为学术论文提交。