波打つ窒化炭素との接合により不活性条件下での金触媒の活性化に成功
~界面のナノ構造化が鍵、複雑な電極過程の理解と高効率な触媒開発につながると期待~
国立研究開発法人 物質・材料研究機構 (NIMS)
国立大学法人 北海道大学
NIMSと北海道大学の研究チームは、燃料電池の電極で起こる酸素から水を作り出す反応をモデルに、もともと特定条件では触媒として不活性な金が他の物質と接合することで表面がナノ構造化し、不活性な条件下でも触媒として活性化することを見出しました。
概要
- 国立研究開発法人物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点ナノ界面エネルギー変換グループの坂牛健研究員と魚崎浩平フェロー、同機構ナノ材料科学環境拠点のAndrey Lyalin NIMS特別研究員、同機構MANAの冨中悟史MANA研究者、北海道大学大学院理学研究院の武次徹也教授からなる研究チームは、燃料電池の電極で起こる酸素から水を作り出す反応をモデルに、もともと特定条件では触媒として不活性な金が他の物質と接合することで表面がナノ構造化し、不活性な条件下でも触媒として活性化することを見出しました。未解明な部分が多い燃料電池の電極上の反応過程解明に向けた一歩であり、高効率な触媒の開発につながると期待されます。
- 酸素から水を合成する、あるいは水から水素を生成する反応は、燃料電池などエネルギー変換・貯蔵デバイスに利用されています。たとえば燃料電池の電極の一方では、酸素に水素イオンと電子が反応して水に変換されますが、その反応では、白金や一部の酸化物が触媒として有効であることが分かっています。しかし、酸素、水素、電子というシンプルな組み合わせにも関わらず、反応経路が複雑なため、電極上での反応過程や触媒の働きについて、その詳細はいまだに解明されていません。そこで本研究では、もともと触媒として不活性な物質が、別の物質と接合することで活性化する系に着目し、その物質の化学的・構造的な変化と触媒活性との関係を調べることで、電極上の反応過程の解析を試みました。
- 今回、グラファイト状窒化炭素1) と、それと接合させる物質として金を用いました。グラファイト状窒化炭素は、窒素と炭素原子で構成される幾何構造と化学構造が精密に制御された物質です。グラファイト状窒化炭素の構造を詳しく調べたところ、単純に平坦な層が重なっているのではなく、波打った層状物質であることが分かりました。これを原子数層分に剥離して金と接合し、触媒として利用したところ、酸素から水を高効率に合成できるようになりました。解析の結果、波打った構造を持つグラファイト状窒化炭素と金が接合することで、金の表面構造がナノスケールで変化し、その界面に反応の鍵となる中間体を安定に吸着できる部位が形成されたため、高い触媒活性を持つことが示唆されました。
- 今回の成果は、燃料電池に用いるための高効率かつ高選択性な触媒を設計できる技術に結びつくことが期待されます。今後、様々な物質との組み合わせにおいて、界面のナノ構造の変化と触媒活性との関係を検討し、電極上での反応過程の理解を目指します。
- 本研究は 、科学研究費補助金・研究スタート支援「異原子含有炭素の持つ電極触媒能の起源解明とその知見に基づく新規炭素系触媒の創製」と文部科学省の委託事業「ナノテクノロジーを活用した環境技術開発プログラム」の支援を受けて行われました。また研究の一部は、文部科学省フラグシップ2020 (ポスト「京」) 重点課題5「エネルギーの高効率な創出,変換・貯蔵,利用の新規基盤技術の開発」の支援を受け行われたものです。
- 本研究成果は、ACS Nano誌のオンライン速報版にて2017年1月30日に掲載されました。
プレスリリースの図1: (左) 水の生成率。金 (青線) では水がほとんど合成できないが、ヘテロ接合型 (赤線) では合成可能となる。 (右) 金表面 (黒) とヘテロ接合型触媒 (赤) の反応経路。
