電極表界面の構造制御による燃料電池反応の高効率化

通过控制电极表面界面结构提高燃料电池反应效率

基本信息

批准号：
18J11901
负责人：
久米田友明
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

固体高分子形燃料電池はクリーンかつ高効率なエネルギーデバイスとして、広範な利用が期待されている。しかし、空気極における酸素還元反応(ORR)の過電圧が高く、触媒として貴金属のPtを大量に使用していることが問題となっている。本研究の目的は、電気二重層内のイオンや水分子の構造がORR活性に与える影響を解明することである。昨年度の研究で、アルカリ溶液中におけるPtのORR活性が電解質カチオンに依存することがわかった。Pt上のORRは表面酸化物などの吸着種によって阻害されることが知られている。そこで本年度は、表面増強ラマン分光法および放射光表面X線回折を用い、アルカリ溶液中におけるPt(111)の表面酸化物形成過程を詳細に検討することとした。電解液にはKOHおよび水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAOH)水溶液を用いた。その結果、1.2 V(RHE)において、KOH中では不可逆的な三次元構造の酸化物が形成するのに対し、TMAOH中では可逆的な二次元構造の酸化物が形成することがわかった。カチオンはその水和水を介して電極表面と静電的に相互作用し、Pt表面酸化物の安定性に影響を与えていると考えられる。近年、非Pt系ORR触媒として、窒素ドープカーボンが注目されている。アルカリ溶液中において高いORR活性が報告されているが、電気二重層構造がORR活性に与える影響については解明されていない。、そこで、市販の窒素ドープグラフェン触媒を用い、アルカリ溶液中の電解質カチオンがORR活性に与える影響を調査した。アルカリ金属カチオンおよびTMAを用いたところ、Ptとは異なりカチオン種による活性の顕著な差異は確認されなかった。これは、PtとカーボンではORR機構が異なるためであると考えられる。今後は、カーボン系触媒における詳細なORR機構を解明したうえで、最適な電気二重層構造を模索する必要がある。

聚合物电解质燃料电池作为清洁、高效的能源装置有望得到广泛应用。然而，空气电极处的氧还原反应(ORR)的过电压较高，并且使用大量的贵金属Pt作为催化剂已成为问题。本研究的目的是阐明双电层内离子和水分子结构对 ORR 活性的影响。去年的研究表明，Pt 在碱性溶液中的 ORR 活性取决于电解质阳离子。众所周知，Pt 上的 ORR 会受到表面氧化物等吸附物质的抑制。因此，今年，我们决定利用表面增强拉曼光谱和同步加速器表面X射线衍射来详细研究Pt(111)在碱性溶液中表面氧化物形成的过程。 KOH 和氢氧化四甲铵 (TMAOH) 水溶液用作电解质。结果发现，在1.2V(RHE)下，在KOH中形成具有不可逆三维结构的氧化物，而在TMAOH中形成具有可逆二维结构的氧化物。据认为，阳离子通过其水合水与电极表面发生静电相互作用，影响 Pt 表面氧化物的稳定性。近年来，氮掺杂碳作为非Pt基ORR催化剂引起了人们的关注。尽管已有报道在碱性溶液中具有高ORR活性，但双电层结构对ORR活性的影响尚未阐明。因此，我们使用市售的氮掺杂石墨烯催化剂研究了碱性溶液中电解质阳离子对 ORR 活性的影响。当使用碱金属阳离子和TMA时，与Pt不同，没有观察到取决于阳离子种类的活性的显着差异。这被认为是因为Pt和碳之间的ORR机制不同。未来有必要阐明碳基催化剂的详细ORR机理，进而寻找最佳的双电层结构。