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燃料電池普及につながる酸素還元反応電極触媒を開発 森田教授らの研究グループ

2019.05.16 TOPICS

 本学応用化学科の森田靖教授と村田剛志准教授らの研究グループは、燃料電池普及につながる可能性がある斬新な酸素還元反応電極触媒の開発に成功しました。材料に希少な白金を使わず、構造が明確かつ単一な低分子量有機分子であるという特徴を持ち、さらなる高性能化が期待されます。成果は5月15日英国ロンドン時間10時(日本時間同日19時)、科学雑誌「Nature」姉妹誌の「Communications Chemistry」のオンライン版で公開されました。16日付の中日新聞朝刊でも紹介されました。

 森田教授らの研究グループは、独自に分子設計した電荷を持たないトリオキソトリアンギュレン(TOT)と命名される開殻有機π電子系分子(有機中性ラジカル分子)を世界にさきがけて開発し、それを基盤とした基礎・応用研究に取り組んでいます。TOTと、TOTを一電子還元したTOTアニオンは空気中でともに高い安定性を有します。研究グループはその機能性について研究を進める中で、いくつかのTOTアニオンが空気(酸素)中で酸化されてTOT中性ラジカルに変化すること、そしてこの現象が燃料電池の正極における酸素還元反応(ORR)触媒に利用できることを突き止めました。

 ORR触媒活性に必須の酸素分子還元能は、TOTの酸化還元における中性ラジカル(酸化型)とアニオン(還元型)が入れ替わる電位(酸化還元電位)に強く依存していると考えました。そこで研究グループは、電子状態が異なる各種のTOT中性ラジカルとアセチレンブラックなどを混合して作製した電極インクを用いた室温酸素雰囲気下での電気化学測定を実施しました。系統的な物質探索の結果、強いORR触媒活性を発現するTOT誘導体にたどり着きました。この高い触媒能は、100回の電気化学サイクルを経ても安定的に機能しました。

 一般に、燃料電池の電極触媒には高価で有限な資源である白金が大量に用いられています。従って、燃料電池をさらに普及させるために、白金に代わる触媒の開発が最も重要な解決すべき課題であると長年言われてきました。森田教授らが開発したTOTを基盤とするORR触媒研究においては、有機合成化学の手法により触媒となるTOT分子への多様な化学修飾が可能です。また、触媒となる物質の分子構造が明確かつ単一な低分子量有機分子であるという特徴から、理論化学を用いた反応機構の解明にも大きなメリットを有しており、研究のスピードアップにつながるとみられています。森田教授らは「TOT骨格周辺部と骨格内部の化学修飾を組み合わせることで、触媒活性のさらなる向上をはかりたい」としており、有機合成化学的な観点からより高性能な燃料電池デバイスの作成を目指しています。

  • 記者発表を行う森田靖教授(右)、村田剛志准教授
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