世界最高レベルの活性を持つ燃料電池用メタルフリー正極触媒の開発に成功

　カーボンニュートラルを実現する上で、水素と酸素からエネルギーを作り出す水素燃料電池（固体高分子型燃料電池）は極めて重要な技術の一つです。しかしながら、現在実用化されている水素燃料電池の正極に用いられる白金系触媒は、高性能である一方、希少金属であるため埋蔵量が限られており、水素燃料電池の価格上昇をもたらしています。従って、水素燃料電池を広く社会へ普及させるためには、白金を使わない触媒の開発が不可欠です。その有力候補として、安価で豊富な炭素材料をベースとし、耐久性も高い窒素ドープカーボン触媒が注目されていますが、燃料電池セル内の酸性環境下では活性が著しく低下するという問題があり、実用上の壁となっていました。
　本研究チームはこれまでに、窒素ドープカーボン触媒の活性が酸性環境下で低下するメカニズムを調べ、反応進行時の活性点の水和がその主要因であることを明らかにしてきました。今回、このメカニズムに基づいて触媒設計を行い、酸性環境下でも白金系触媒に迫る電圧特性と、高い電流特性を示す窒素ドープカーボン触媒を開発することに成功しました。これにより得られる正極触媒活性は、メタルフリー触媒としては世界最高レベルのものです。また耐久性も考慮すると、長時間使用時の特性は非白金系触媒の中でも最高レベルといえます。この正極触媒活性を燃料電池セルにおいて引き出すことができれば、商用化につながると期待されます。

注１） 水和
水溶液中のイオン等の周囲に、水分子が静電的な引力によって引き付けられ、安定化すること
注２） プレスリリース「窒素ドープカーボン触媒の反応メカニズムを解明」
https://www.tsukuba.ac.jp/journal/technology-materials/20210108140000.html
注３） 疎水性
水分子が弾かれて近づきにくくなる効果
注４） ロータス効果
ロータス（蓮の葉）の表面等で、数十μmスケールの凹凸構造があることによって、表面張力によって水分子が凹凸の隙間に入り込めずに高い疎水性を発揮する効果。
注５） 過電圧
電極反応を基準とした際の印加電圧。正確には、各反応の平衡電極電位と印加電位の差。

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タイトル：Activating Nitrogen-doped Graphene Oxygen Reduction Electrocatalysts in Acidic Electrolytes using Hydrophobic Cavities and Proton-conductive Particles.
（疎水性キャビティとプロトン伝導粒子を用いた窒素ドープグラフェン酸素還元電極触媒の活性化）
著者： Santosh K. Singh+, Kotaro Takeyasu+*, Kaito Homma, Shigeharu Ito, Takashi Morinaga, Yuto Endo, Moeko Furukawa, Toshiyuki Mori, Hirohito Ogasawara, Junji Nakamura* (+: Equal contribution)
掲載誌：Angewandte Chemie International Edition
掲載日： 2022年10月14日
DOI： 10.1002/anie.202212506

カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所 三井化学カーボンニュートラル研究センター　中村 潤児　教授