東北大ら、白金を使わない酸素還元触媒の作製に成功

(a)炭素材料表面に分子レベルで修飾された触媒の模式図、(b)今回見出した触媒電極による酸素還元性能の炭素・白金炭素触媒との比較

　東北大学学際科学フロンティア研究所、同材料科学高等研究所、同大学院環境科学研究科、北海道大学電子科学研究所および電気通信大学大学院情報理工学研究科からなる研究グループは、白金を用いない高活性な酸素還元触媒の作製に成功した。

　リチウムイオン電池に変わる次世代の電池として期待されている燃料電池や金属空気電池は、正極の電極上で酸素還元反応を起こして電力を生み出すが、この反応は進行しづらいため、それを促進する触媒として白金が用いられてきた。

　白金は希少で高価な金属であるため、これを用いない電極の開発も進められてきた。「カーボンアロイ」と呼ばれるものもその1つだが、製造プロセスにおいて高温での焼成や酸処理を必要とするため、コストがかかることが課題とされていた。

(a)鉄フタロシアニン、(b)鉄アザフタロシアニン、(c)炭素材料表面に分子レベルで修飾された触媒の模式図

　今回研究グループでは、顔料などに用いられる「鉄フタロシアニン系有機金属錯体」に着目。鉄原子を4つの窒素原子で囲んだ金属錯体構造を中心とした生体分子「ヘム」に類似した構造を持っており、中心の鉄原子が触媒活性点として機能する。これを炭素材料の表面に単分子状で修飾すると、非常に活性の高い酸素還元反応特性を示すことが分かった。

触媒修飾炭素の作製法

　鉄系の有機金属錯体である鉄フタロシアニン系有機金属錯体は、非白金な触媒分子として利用可能なのに加え、作製をすべてウェットプロセスで行なえるため、焼成が必要なく大幅なコストダウンにもつながる。

電気化学測定により得られた触媒活性の結果。黒点線が触媒分子を修飾していない炭素電極、黒実線が白金炭素触媒、赤実線が本研究で作製した新規触媒。

　さらに、「鉄アザフタロシアニン」を使用することで白金以上に高い触媒活性を示すことを発見。これによって得られた触媒電極は、白金を用いたものと比べて高耐久で、かつメタノール耐性を持つことも分かった。これらの高活性化については、理論的な解析にも成功している。

　研究グループでは、今回の研究で得られた高活性な触媒を白金触媒の代替として利用することで、燃料電池や金属空気電池の低コスト化が期待できるとしている。