千叶大学发现电极反应场,燃料电池活性提高8倍

新技术 2018年11月28日
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日本千叶大学和物质材料研究机构组成的研发小组,通过使铂(Pt)电极表面附近存在疎水性有机阳离子,成功将燃料电池中至关重要的氧还原反应的活性最大提高8倍。另外,通过采用高亮度同步辐射光源实施X射线衍射等测量,发现疎水性有机离子的存在使电极表面结构发生了巨大变化。以往针对电极基板对电极催化剂进行了诸多研究,但此次的发现表明,电解质侧的结构也很重要。

相关研究成果于2018年11月5日发布在英国科学杂志《自然通讯》(Nature Communications)上。

● 研究背景

汽车和家用燃料电池一般采用固体高分子型燃料电池。为在低温下促进电极反应,催化剂使用Pt等贵金属,但因资源量和成本的原因,亟需大幅削减Pt的使用量。在固体高分子型燃料电池中,空气极发生的氧还原反应比较缓慢,因此要大量使用Pt催化剂来促进反应。目前,业界在开发各种电极催化剂,此前已通过研究发现,将Pt、钴(Co)和镍(Ni)等异种金属制成合金可以提高反应活性。全球正在推进以Pt为基础的合金催化剂研究,催化剂的结构和成分等也逐渐得到优化,需要采用不同的方法进行催化剂开发。

● 研究内容和成果

电极反应的反应活性因Pt等电极基板的种类而异,不过反应生成物会移动的电解质侧的结构也影响反应选择性和活性。此次,研发小组着眼于在电解质侧的电极表面附近形成的双电层结构,利用电极表面的原子整齐排列的单晶模型电极,在原子水平展开了双电层的研究。在最近的研究中发现,双电层内的离子与作为溶剂的水分子的亲和性会影响电极反应,因此,研发小组通过在电解质中少量添加能改变疎水度的烷基铵离子,评测了氧还原反应活性。

千叶大学发现电极反应场,燃料电池活性提高8倍

图1: 采用Pt(111)单晶模型电极的氧还原反应活性,TMA+: 四甲基铵离子、TEA+: 四乙基铵离子、TBA+: 四丁基铵离子、THA+: 四己基铵离子

如图1所示,研发小组发现,烷基铵离子的烷基变长的话,氧还原反应活性会提高,在表面原子排列整齐的Pt(111)中,添加烷基碳数为n=6的四己基铵离子(THA)后,反应活性比添加前提高8倍。这个活性值与PtNi和PtCo等合金催化剂不相上下,不仅是电极基板侧,改变电解质侧的结构也有助于提高活性。

除此之外,为查明高活性双电层的结构,研发小组利用大型同步辐射设施SPring-8的BL13XU实施了X射线衍射和红外吸收光谱测量。如图2所示,疎水性离子烷基铵离子远离Pt电极表面,发生了水化反应(形成水化层),水分子环绕在离子周围。Pt表面吸附了水分子和羟基(OH),此前已通过研究发现,亲水性离子通过与这些化学物质形成氢键网络来实现稳定,从而阻碍氧还原反应。研发小组认为,通过使疎水度较高的离子存在于电极表面附近,应该可以让这种网络结构变得不稳定,从而促进氧还原反应。

千叶大学发现电极反应场,燃料电池活性提高8倍

图2:Pt电极表面的亲水性和疎水性离子的结构

文 客观日本编辑部

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