「燃料電池車」普及拡大のカギ握る材料、性能を倍増させた量研機構の新手法

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水素エネルギーはカーボンニュートラル実現の切り札の一つだ。水素を使う燃料電池車(FCV)の普及拡大には、搭載する固体高分子形燃料電池(PEFC)のコスト低減が不可欠であり、そのカギを握るのがPEFC酸素極の酸素還元反応(ORR)触媒という材料だ。量子科学技術研究開発機構(QST)では、量子ビームの一つであるイオンビームを照射した炭素材料に貴金属である白金(Pt)を保持させる新手法を開発し、その性能を2倍以上向上させることに成功した。

現在のORR触媒には、Pt微粒子を炭素材料に保持させた「Pt微粒子/炭素材料」が大量に必要なため、PEFCのコストは依然として高く、FCVの市場普及がなかなか進まない。Pt使用量を削減してコストを低減するには、ORR活性と耐久性の向上が技術課題と言われている。

私たちは、Pt微粒子と炭素材料との界面で発現するPt-炭素間の相互作用に着目し、炭素材料側からPt微粒子の電子構造を制御すれば、この課題を克服できると考えた。そこでQSTのイオン照射研究施設(TIARA)を用いて炭素材料に欠陥構造を導入し、その上にPt微粒子を形成させるという新しい触媒作製法を試みた。欠陥構造がPt-炭素相互作用を強めるのならば、その量を増やすことでORR活性は向上するかもしれない。長年の蓄積がある照射効果の知見を基に、照射するイオン数を調整し、欠陥構造の量を変化させた。

この予想は的中した。照射イオン数、すなわち欠陥構造の増加に伴い、ORR活性は向上し、欠陥構造を導入していない従来触媒と比較して約2・2倍にまで高めることができた。放射光実験と理論計算により、高活性化のメカニズムがPt微粒子から炭素材料への電荷移動に伴う界面相互作用に起因したPtの酸化抑制にあることも突き止めた。

現在、並行して耐久性に関する研究も行っており、ORR活性×耐久性の指標で10倍の性能向上を目指している。

同じ炭素からなるダイヤモンドでは、原子空孔のような欠陥構造が量子センサーに応用されている。欠陥構造の持つ局在性の効果は、Ptを全く含まないORR触媒の開発にも活用できるのでは、という期待を抱かせる。(木曜日に掲載)

量子科学技術研究開発機構(QST) 量子ビーム科学部門 研究企画部長(併任)高崎量子応用研究所 プロジェクト「先進触媒研究」リーダー 八巻徹也

専門分野は量子ビーム材料科学。ガンマ線、電子線、イオンビーム、中性子線、放射光X線などを用いて、電極触媒から高分子電解質膜まで広く環境・エネルギー材料の研究に従事。博士(工学)。

日刊工業新聞2022年6月23日

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