石 原 顕 光
横浜国立大学 産学連携研究員
固体高分子形燃料電池の非白金酸素還
元触媒の研究開発動向
水素エネルギー協会 第123回定例研究会 配布資料
2008.03.04
酸性電解質中での非白金酸素還元触媒
に関する論文の種類別割合.
これまでの非白金カソード触媒の研究
総件数714件(1964-2007)
非白金カソード触媒に関する研究論文数の変化
その他
遷移金属錯体
カルコゲ
ン化合物
基礎一般
65%
11%
14%
10%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1960
1970
1980
1990
2000
2010
発表
論文
数
総数 遷移金属 錯体 カルコゲ ン化合 物 新規触媒 ひ燃料電池への初めての適用
アルカリ形(1965)
初期の遷移金属錯体カソードの開発
酸性電解質中での初めての適用(1969)
遷移金属 フタロ シアニ ンの酸 素還元 特性. 25oC,4.5 N H 2SO4.H. Janke and M. Schönborn, 3es Journées Int. d’Etude
水素酸素 燃料電 池のセ ル特性 . 8 0oC,35wt%KOH, ア ノ ー ド : 白 金 黒 .
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 20 40 60 80 100 120 140 160
電流密度 / mA cm
-2セ
ル電圧
/
V
コバルトフタロシアニン
銀
白金
アセチレンブラック
0
0.5
1.0
0
10
20
30
40
50
60
Fe
Co
Cu
Metal free
セ
ル電圧
/
V
電流密度 / mA cm
-2遷移金属錯体カソード触媒研究の流れ
Jasinski, Jahnkeら M. Savy (仏) J. P. Collman (米) F. C. Anson (米) J. H. Zagal (チリ) 長 (東北大) J. A. R. van Veen (蘭) Shaojun Dong (中) 板谷 (東北大) J. P. Dodelet (加) C. Lamy (仏) D. G. Nocera (米) 槌田 (早大) 湯浅 (東理大)& 岡田(産総研) R. F. Savinell (米) D. Chu (米) 澤井 (阪府大)主な遷移金属錯体研究者
1960
1970
1980
1990
2000
2010
単核錯体
多核錯体
高分子化
熱処理
ポ ル フ ィ リ ン ・ フ タ ロ シ ア ニ ン ・ ク ロロフィ ルなど →2電子 還元 対面型2量 化金属 ポル フィリン →4電 子還元1960
1970
1980
1990
2000
2010
高活性化 及び安 定化担体効果
J. A. R. v an Veen J. F. v an Baar, and K. J. Kroese, J. Che m. Soc., Faraday
Trans. 1, 77, 2827 (1981). 熱 処 理 に よ る 触 媒 活性(a)及び安定性(b) の向上. ポルフィ リン類と 活性炭(No rit BRX)を不活性ガス 化、600~800℃で熱処理した表面修飾電極. 平均電圧損失(作動初 期から16時間後まで 1 mA cm-2) / mV h-1 is / mA mg -1 @ 0. 8 V v s . R H E 10 1.0 0.1 0.01 10 5 0 300 500 700 熱処理温度 / oC 熱処理前 熱処理後 Os TPP FeOE P H2Pc, H2OEP, H2TPP CoPc RuOEP RuTPP FeTP P RuPc RhTPP FePc RhOEP CoTPP CoOEP IrOE P IrTP P IrTP P IrOE P CoTPP, Co OEP FeTP P RuPc RhTPP RhOEP FeOE P RuOEP CoPc Os TPP FePc H2OEP H2Pc H2TPP (a) (b) RuTPP
熱処理による活性向上
TPP:tetraphenylporphyrin OEP:octaethylpotphyrin Pc :phthalocyanine MPc MTPPカルコゲン化合物カソード触媒研究の流れ
1960
1970
1980
1990
2000
2010
MoRuSe, MoReSe, MoRhS, MoOsS, MoOsSe,, AgMoS, CuMoSe, PdMoS,
MoPtTe, MoOsTe, InMoS, RuCrSe, WRuSe, RuFeSe, MoSe, RhS, CoS など
N. Alonso-Vante (フランス) R. W. Reeve (イギリス) O. Solorza-Feria (メキシコ) P. Bogdanoff (ドイツ)
主なカルコゲン化合物研究者
1960
1970
1980
1990
2000
2010
作製方法の検討
Ru など貴 金属を 含む化 合物が 多いシュブレル相化合物
RuSe, RhSeなど
日本では 少ない多核錯体~4電子還元効率の向上
対面型2量化金属
ポルフィリン
C. Ni I. Abdalmuhdi, C. K. Chang, and F. C. Anson, J . Phys. Chem., 91, 1158 (1987). Co2FTF4修 飾 系 で の 考 え ら れ ているO2の4電 子還元 機構. Co モ ノ マ ー 及 び Co2FTF4 修 飾 電極 系 の 回 転 リ ング ディスク 電極の 測定結 果.25 oC, 0.5 M CF3COOH溶液, O21 atm, 250 rpm, リング電位:1.4 V. 元の図を改変. J. P. Coll man P. Denisevich, Y.Konai, M. Marrocco, C. Koval, and F. C. Ans on, J. Am. Chem.
Soc., 102, 6027 (1980).
2量化コバルトポルフィリン
0.5 -250 μ A 50 μ A ディスク電流 リング電流 0.2 0.3 0.4 0.6 電流 EtO2C CO2Et Co Co monomer (Co C2 Dies ter porphy rin)-250 μ A 50 μ A ディスク電流 リング電流 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Eディスク/ V vs. SHE 電流 HN NH Co Co O O N N N N N NN N N N H H C O CO M’ M syn-N N N N N N N N M1 M2 CoII CoIII CoII CoII CoII CoIII O O O2 ? CoIII CoIII O O CoIII CoIII +OH O CoIII CoIII +2H2O A B 2e-3H+ or ? H+ H+ 1e -1e -+ H (a)Mo4Ru2Se8の構 造及び (b)クラス ター構 造.
初期のカルコゲン化合物カソード触媒の開発
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
-0.4
0
0.4
0.8
1.2
Pt
Mo
4.2Ru
1.8Se
8 M o3.7Ru2.3Se8 N i0.85M o6Te8電極電位 / V vs. SHE
電流密度
/
mA
cm
-2 酸素 還 元反 応 の電 流 -電 位 曲線 .0 .5 M H2SO4, 400 rpm, 5 mV/s.シュブレル(Chevrel)相化合物
M
xMo
6X
8M=Fe, Cu, Ag, Co, Pb, rare earth
X=S, Se, Te
(Mo6-xMxX8)
N. Alonso Vante and H. Tributsch, Nature, 323, 431 (1986).
図 シュブレル相 化合物 の酸素 還元反 応の電 流-電 位曲線 .
カルコゲン化合物の酸素還元触媒能
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
-3
-2
-1
0
1
log (電流密度 / mA cm
-2)
電極電位
/
V
v
s
.
R
H
E
Mo metalMo
6Se
8Mo
6Te
8Mo
4Ru
2Se
8Mo
4Ru
2Te
8-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
電極電位 / V vs. RHE
電流密度
/
mA
cm
-2Ru/Se
0 70 30 19 1411 走査回数 図 Ru/S e ナノ粒子の 酸素還 元反応 の電流 -電位曲 線 に対 する電 位 走査 回数 の影 響. Au 電極上 に固 定. 0.1 M H2SO4, O2飽和, 20 mV/s, 1600 rpm, 0.2-1.0V安定性の評価
D. Cao, A. Wiec kows ki, J. Inukai, and N. Al onso-Vant e, J. Electrochem. Soc., 153, A869 (2006)よ り改変. N. Alonso-Vante, Chevrel phases and chalcogenides, edit ed by
W. Vi elstich, A. Lamm, and H. A. Gas teiger, Handbook of Fuel
Cells Vol.2, Chap.36, J ohn Wiley & Sons ( 2003)よ り改変
横国大グループの非白金カソード触媒の開発
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Year
Carbides
Oxynitrides
Oxides
(Oxy)carbonitrides
M
a
te
ri
a
ls
TiO2-x
ZrO2-x
TaON
ZrCNO
CrCN
TaCNO
ZrON
TiON
WC+Ta
Nitrides
TaN ZrN
TiN
TiCN
Ta2O5-x
TaON: A. Ishi hara, et al., Electroc hem. Solid-St ate Lett., 8, A201 (2005). A. Ishihara et al., El ectrochi m. Acta, submitt ed. ZrO2-x: Y. Liu et al., Electroc hem. Solid-State Let t., 8, A400 (2005).
TiON: K. Yato et al., Suiso Enerugi Shisutemu, 31(1), 58 (2006). TiO2-x: J.-H. Kim et al. , Elec trochi m. Ac ta, 52, 2492 (2007). TaCN: J.-H. Kim et al., Electroc hemis try, 75, 166 (2007).
ZrON: S. Doi et al. , J. Electroc hem. Soc. , 154, B362 (2007). Y. Maekawa et al. , Elec trochem. Solid-Stat e Lett ., submitted. CrCN: J.-H. Kim et al., C hem. Let t., 36, 514 (2007)
TaCNO: Y. Shibata et al., Electroc hem. Solid-St ate Lett., 10, B43 ( 2007). A. Ishi hara et al, J. Electroc hem. Soc. , in press. ZrO2-x: Y. Liu et al., J . Elec trochem. Soc ., 154, B664 (2007).
基板加熱温度上昇
により
窒化及び結晶化が進行
主要な骨格構造に
Zr
2
ON
2
を持つ場合に
ORR高活性
Fig. XRD patterns of ZrO
xN
yfilms deposited at 50,
500, and 800
oC on glassy carbon substrate. θ=0.5
o.
In
te
n
s
it
y
(
a
.u
.)
2θ / deg
20
30
40
50
60
70
Zr
7O
8N
4Zr
2ON
270
oC
500
oC
800
oC
ZrO
2GC
薄膜X線 – 基板加熱温度依存性
イオン化ポテンシャルからみた電子状態
ZrO
2
E
/
eV
Zr
2
ON
2
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
4
3
2
1
0
-1
E
/
V
v
s
.
S
H
E
E
FE
FpH=0
2
.6
eV
Fig. Band positions of ZrO
2and Zr
2ON
2.
-2
?
0
5
10
15
20
25
30
35
4.2
4.6
5.0
5.4
5.8
6.2
(Y
ie
ld
)
0. 5/
-Energy / eV
Fig. Dependence of square root of electron
yield on electron energy.
低いイオン化ポテンシャル
表面欠陥の存在
真空パージ式チューブ炉
部分酸化したTaCN粉末の調整
部分酸化処理
Pump
Alumina tube
TaC
0.58N
0.4250mg
N
2/H
2(0.25%O
2): in
out
Starting material:
TaC
0.58N
0.42powder
Atmosphere: 2%H2 - N2
(Containing ca. 0.25% O
2)
Gas flow rate: 20 mL min
-1Holding time: 3 - 32 h
Heat treatment temp.: 1000
oC
200 nm 200 nm
(a) TaC
0 .58N
0 .42(b) 部分酸化したTaCN
SEM images
Fig. Photograph and SEM images of the
(a) TaC
0.58N
0.42and (b) Heat-treated
TaCN powder.
Fig. Relationship between the degree of oxidation of
TaC
0.58N
0.42and the ionization potential.
4.5
5.0
5.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Io
n
iz
a
ti
o
n
p
o
te
n
ti
a
l
/
eV
DOO of TaC
0.58N
0.42/
-イオン化ポテンシャル
vs. 酸素還元開始電位
Fig. Band positions of T a
2O
5, TaON, and Ta
3N
5determined by electrochemical analysis and UPS
measurements.
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
Ta
2
O
5
4
3
2
1
0
-1
E
/
V
v
s
.
S
H
E
E
/
eV
TaON
Ta
3
N
5
E
FE
FE
FE
FE
FEC
EC UPS
UPS
UPS
pH=0
W.-J. Chun et al., J . Phys. Chem. B , 107, 1798 (2003).