金属酵素に学ぶ電極触媒の設計と開発

摘要

固体高分子形燃料電池（PEFC)のアノードでは水素酸化反応（HOR，H2→2H~++2e~-)が、力ソードでは酸素還元反応(ORR，O2+4H~++4e~-→2H2O)が電極触媒により触媒されている。PEFCの電極触媒としては、アノードと力ソード共にPtが用いられている。特にORRはHORに比べて遅いことが知られているため、Ptの更なる高活性化、高耐久化、使用量の低減を目指し、カーボン担持Pt合金ナノ粒子やナノフレーム1レ3)やナノワイヤー等のPt合金ナノ構造体触媒の開発が進められている。PEFCのORRおよびHOR電極触媒にはPtが用いられているが、Ptは希少であるため、非白金電極触媒の開発が過去30年以上に渡り世界中で精力的に進められている。 特に非白金ORR電極触媒に関しては研究例が多く、FeやCoポルフイリン錯体、金属酸化物や窒化物、最近では、カーボンに異種元素をドープした窒素ドープカーボンや金属、窒素共ドープカーボン（M-N-C，Mはドープされている金属を表し、3d遷移金属であるFe，Co，Cuなどがドープされることが多い）など多種多様な電極触媒が報告されている。そのため様々な触媒材料の中からどれを選び、どのような触媒開発指針に従って、電極触媒活性および耐久性を向上させるのかが今後の研究開発において重要である。