クリーンなエネルギー源として水素燃料電池の利用が始まっています。しかし現行の技術では、高価で希少な白金が触媒として使用されており、今後、長期に渡って幅広く普及するには、白金を使用しない触媒の開発が欠かせません。近年、白金代替触媒として、炭素と窒素のみから構成される窒素ドープカーボン触媒が注目を集めていますが、実用条件である酸性環境下では、活性を著しく低下させてしまうことが重大な課題です。ところが、触媒反応のプロセスが複雑であることから、活性低下が生じるメカニズムは明らかになっていませんでした。

本研究チームは、均一な構造を持つモデル触媒を用いることにより、窒素ドープカーボン触媒の反応の初期過程および酸性環境下で活性が低下するメカニズムを明らかにしました。

窒素ドープカーボン触媒では、窒素原子に2つの炭素原子が結合したピリジン型窒素と呼ばれる部位が活性点となります。このピリジン型窒素は、酸性溶液中では、プロトンが吸着したピリジニウムとして存在しており、電圧をかけて反応を進行させると、熱反応である酸素分子の吸着と、電気化学反応であるピリジニウムの還元反応が同時に起こり、触媒反応が進行することを見いだしました。触媒活性を高めるためには、この反応をより高い電位で起こすことが必要です。そのためには活性点近傍の疎水性を高めることが有効であることも分かりました。

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プレスリリース

研究代表者

筑波大学数理物質系
中村　潤児　教授
武安　光太郎　助教

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数理物質系