単分子層モデル電極を用いた酸素還元反応に対する活性サイトおよび活性支配因子の特定

使用单层模型电极识别氧还原反应的活性位点和活性控制因素

基本信息

批准号：
22K04834
负责人：
才田隆広
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Meijo University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では，固体高分子形燃料電池用のTiO2系非白金系触媒の活性サイトおよび活性支配因子の特定を目指している．令和4年度では，活性サイトの特定を目的とした酸化チタンナノシートにおける結晶構造の歪みおよび酸素欠損サイトが酸素還元反応（ORR）活性に与える影響に関する検討を行った．一般に，結晶構造を構成する六配位八面体は，頂点共有により連結した方が，陵共有により連結する場合よりも歪みが生じやすい．このため，頂点共有が支配的な構造と，陵共有が支配的な構造を比較することで，チタン原子を中心とする六配位八面体の歪みが触媒活性に与える影響を確認することが可能となる．具体的には，陵共有が支配的な単分子層モデル電極と，頂点共有が支配的な単分子層モデル電極をそれぞれ作製し，酸素欠損サイト導入前後でのORR活性を評価した．両モデル電極を比較した結果，偏差も考慮するとORR開始電位に有意な差を観察することが出来なかった．したがって，現時点では結晶構造（六配位八面体）の歪みは，ORR自体に大きな影響を与えないと思われる．一方で，酸素欠損サイトを導入することで，明かなORR活性向上が認められた．本研究では，モデル電極として集電体上にチタン原子を中心とした六配位八面体を二次元的に並べた電極を使用している．このため，電子伝導経路としてトンネル効果を利用することが出来る．したがって，酸素欠損サイトの導入による電子伝導性の向上がORR活性向上の要因とは成り得ない．上記の結果は，結晶構造が歪んだサイトではなく，酸素欠損サイトがORRに対する活性サイトとして機能している可能性を示唆している．本研究の結果は，酸化物上のORR機構の解明に対して一翼を担うと思われる．

在本研究中，我们的目的是确定用于聚合物电解质燃料电池的二氧化钛基非铂催化剂的活性位点和活性控制因素。在 2020 财年，我们研究了晶体结构畸变和氧空位位点对氧化钛纳米片中氧还原反应 (ORR) 活性的影响，旨在确定活性位点。通常，当构成晶体结构的六配位八面体通过共享顶点连接时，比它们通过共享顶点连接时更容易发生畸变。因此，通过比较共用顶点的结构和共用脊的结构，可以确认以钛原子为中心的六配位八面体的畸变对催化活性的影响。具体来说，我们创建了具有主导脊共享的单层模型电极和具有主导顶点共享的单层模型电极，并评估了引入缺氧位点之前和之后的 ORR 活性。比较两个模型电极的结果是，当也考虑偏差时，我们无法观察到 ORR 起始电位有任何显着差异。因此，目前晶体结构（六配位八面体）的畸变似乎对ORR本身没有显着影响。另一方面，通过引入缺氧位点观察到 ORR 活性的明显改善。在本研究中，我们使用以钛原子为中心的六配位八面体在集流体上二维排列的电极作为模型电极。因此，隧道效应可以作为电子传导路径。因此，由于引入氧空位而导致的电子电导率的提高不能成为提高ORR活性的因素。上述结果表明，氧空位位点，而不是晶体结构扭曲的位点，可能充当 ORR 的活性位点。这项研究的结果有望在阐明氧化物的 ORR 机制方面发挥作用。