東京大学は、トヨタ自動車や豊田中央研究所、量子科学技術研究開発機構と共同で、固体高分子形燃料電池の白金ナノ粒子正極触媒上で、酸素と水の共存により酸化が促進され、燃料電池の性能が低下することを初めて実験的に明らかにした。
高効率かつクリーンな電源として開発された固体高分子形燃料電池は、その正極に触媒の白金ナノ粒子を分散させたカーボンを使用する。しかし白金触媒を使用する場合、加湿によって活性化過電圧が発生、セル電圧が低下する問題があった。その解決のため、第一原理計算が行われ、白金触媒の酸化促進は酸素と水の共吸着が原因と予測されたが、実験的には未だ解明されていなかった。
そこで共同研究グループは、大型放射光施設SPring-8のビームラインBL11XUで高分解能型の蛍光X線吸収分光法を使用。正極に用いられる平均粒径2〜3ナノメートルの白金ナノ粒子を酸素や水と反応させ、その酸化状態を解析した。
結果、酸素と水の共存によって白金の酸化が促進することを検出、理論上の予測を実験的に証明した。またこの原因として、白金上で酸素が水と共吸着することによって安定化、反応の進行が遅くなり、より過電圧が生じていると説明している。
さらに、触媒特性に優れる白金コバルト合金ナノ粒子も解析。酸素と水の共吸着による酸化促進がほとんど起こらないことを発見した。ナノ粒子触媒の粒子サイズの増大とともに、水の酸化促進効果が減衰することも見出している。
この成果から、合金化による白金の使用量低減や白金触媒表面の水を排除する手法の開発が進展し、燃料電池の高性能化とコスト低減が期待されるとしている。
論文情報：【Scientific Reports】Wetting Induced Oxidation of Pt-based Nano Catalysts Revealed by In Situ High Energy Resolution X-ray Absorption Spectroscopy
