理論と実験により、窒化ホウ素薄膜の酸素還元触媒としての可能性を実証

燃料電池用酸素還元非貴金属触媒探索への新しいアプローチ

2014.05.19

独立行政法人物質・材料研究機構
国立大学法人北海道大学

独立行政法人物質・材料研究機構 (NIMS) 国際ナノアーキテクトニクス拠点およびナノ材料科学環境拠点の魚崎浩平フェローのグループは北海道大学大学院理学研究院の武次徹也教授のグループと共同で、元々絶縁体である窒化ホウ素 (Boron Nitride: BN) が金電極表面に担持されると、燃料電池の重要な反応である酸素還元反応の電極触媒として機能することを理論的に提唱し、実験的に証明することに成功しました。

概要

  1. NIMS (理事長 : 潮田 資勝) 国際ナノアーキテクトニクス拠点およびナノ材料科学環境拠点の魚崎浩平フェローのグループは北海道大学 (総長 : 山口 佳三) 大学院理学研究院の武次徹也教授のグループと共同で、元々絶縁体である窒化ホウ素 (Boron Nitride: BN) が金電極表面に担持されると、燃料電池の重要な反応である酸素還元反応の電極触媒として機能することを理論的に提唱し、実験的に証明することに成功しました。
  2. 水素 - 酸素燃料電池は、水素と酸素から高効率で電力を取り出し、廃棄物は水だけという究極のクリーンな発電装置です。しかし、普及には解決しなければならない課題がまだ残されています。その一つは酸素極での酸素還元反応の速度が遅く、反応効率が低いという問題です。この反応を促進するための触媒として、白金が広く使用されています。しかし、白金は高価で資源量も少なく、安定性にも問題があることから、白金などの貴金属を使用せずに上記問題を解決する新規触媒の開発が全世界的に進められています。しかし満足できる触媒は未だに得られておらず、理論と実験の融合により、これまで触媒として検討されてこなかった材料を対象とする全く新しい触媒の探索が求められていました。
  3. 本研究グループは、これまで元素戦略的観点から理論と実験の融合による貴金属フリー触媒の開発に取り組んできましたが、本研究では理論的研究により、本来絶縁体であるBNを金表面に担持すると、その電子状態が変化し導電性が付与されること、またBNに酸素分子が安定に吸着することを見いだし、さらに、この表面での酸素還元反応の各過程におけるエネルギー変化の計算を行い、酸素還元触媒として機能する可能性が示されました。そこで、実際に金表面に種々のBN (ナノシート、ナノチューブなど) を担持した試料を作成し、回転電極法により酸素還元反応を調べたところ、金電極の酸素還元電流がBNの担持により、最大約270 mVも正電位側で観測され、触媒活性が確認されました。一方、炭素電極を基板に使用した場合は、このような触媒活性が観測されなかったことから、BNが酸素還元反応の触媒として働く上で金基板との相互作用が重要な鍵となっていることが実証されました。
  4. 今回の触媒は白金に比べてまだ活性は低いものですが、以上のように理論計算と実験の融合により新規触媒材料の探索・設計に対して、極めて有効な指針を提供できることを示すことが出来ました。このようなアプローチが白金を使用しない燃料電池用電極材料の今後の開発に結びつくものと期待されます。
  5. 本研究は文部科学省の委託事業「元素戦略プロジェクト<産学官連携型> : 貴金属フリー・ナノハイブリッド触媒の創製」および「ナノテクノロジーを活用した環境技術開発プログラム」の一環として行われ、米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」に速報として平成26年4月28日 (アメリカ時間) に、また、種々の窒化ホウ素を用いた実験結果の詳細については英国化学会「Physical Chemistry Chemical Physics」誌に平成26年5月6日にオンラインで公開されました。
「プレスリリースの図3 : 　回転電極法によって観測された酸素の還元反応にともなう電流応答曲線酸素飽和の硫酸水溶液中で電極電位　 (i) 金電極、(ii) 金-BNナノチューブ電極、(iii) 金-BNナノシート電極、 (iv)炭素電極、(v) 炭素-BNナノシート電極」の画像

プレスリリースの図3 : 　回転電極法によって観測された酸素の還元反応にともなう電流応答曲線酸素飽和の硫酸水溶液中で電極電位　 (i) 金電極、(ii) 金-BNナノチューブ電極、(iii) 金-BNナノシート電極、 (iv)炭素電極、(v) 炭素-BNナノシート電極