原子レベル分散金属触媒の開発

▼水素エネルギー関連材料の省貴金属化と長寿命化の実現

　現在，燃料電池電極触媒として埋蔵量の少なく高価な白金が用いられています．白金(Pt)の使用量を低減する方法の一つに，白金触媒粒子の微細化があります．微細化した触媒粒子の担体候補材料として，ハチの巣状の六角形格子構造を持つ厚さ1原子の炭素系材料であるグラフェンがあります．グラフェンは大きな比表面積，高い電気伝導性や化学的・機械的強度という担体材料として優れた性質を有しています．

　しかし，燃料電池動作中にグラフェン上の白金触媒粒子が脱落・凝集し触媒性能が低下することが知られています．そこで本研究では右図に示すように，グラフェン格子中に不純物元素を置換導入し，白金原子のトラップサイトを形成することで白金の脱落と凝集の抑制を実現し，原子レベル分散白金触媒の開発を目指しています．

　また，水素吸蔵材料である鉄クラスターや，有機ハイドライドの(脱)水素化触媒である銅についても，同様に軽元素置換グラフェン担体を利用した新規材料を開発しています．

　軽元素置換グラフェン上での白金・鉄原子の吸着・拡散特性と白金サブナノクラスタ―の酸素還元反応(ORR)触媒活性に関する結果は日本表面真空学会誌「表面と真空」に日本語論文が掲載されています．

▼軽元素置換グラフェン上での鉄原子の吸着・拡散特性の解明

　詳細はS. Hasegawa et al., e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, Vol.16, pp. 193-200 (2018).をご覧ください．

　第一原理電子状態計算を用い，グラフェン中に置換導入された軽元素が鉄原子の吸着・拡散特性に与える影響を解明しました．6種類の軽元素について系統的に研究を行い，以下の点を明らかにしました．

置換グラフェン-鉄原子間の結合に用いられる電子は，置換元素に依存する．

置換グラフェン-鉄原子間には電子移動に伴う静電相互作用による結合が形成される．

ホウ素，酸素，ケイ素，リンが特に凝集や脱離を抑制する効果が大きい．