PGM Nanostructured Catalysts: 白金系合金ナノ構造化触媒

固体高分子形燃料電池のカソード（空気極）では酸素還元反応（ORR）が進行しますが、この遅い4電子移動反応を進めるためには、現状では白金が必須です。白金は高価であり、資源量が限定されているため、低白金・高活性かつ高耐久性を有する触媒の開発が必要です。コロイド法に基づく白金合金ナノフレームや白金合金ナノワイヤなど、ナノ構造・ナノ合金に立脚した高安定性・高活性を実現する触媒を研究しています。

白金系合金(PGM)は、優れた酸素還元反応(ORR)活性を有しており、固体高分子形燃料電池(PEFC)のカソード触媒として研究されてきました。特に最近では米国アルゴンヌ国立研究所のグループによるPtNiナノフレーム(PtNiNF)の報告以降、ナノ構造化電極触媒の耐久性やORR活性が注目され、当研究室でもPtNiNF以外にPtNiナノワイヤ(PtNiNW)に関する研究を進めています。

　これまで、PtNi-NFを窒素ドープしたカーボン担体に固定することでORR活性と耐久性がさらに向上すること、PtNiNFのin situ XAFS計測、PtNi-NWが電位サイクル試験によって一旦ORR性能を向上しており、それが担体上での枝状構造の形成に依ること、などを報告してきました。最近ではPt合金NWの水素酸化反応(HOR)への応用にも着手しています。

　また、PtNiNFにIrを加えたPtNiIrNFは酸性条件化で高い酸素発生反応(OER)活性を示すことを明らかにしており、こちらもナノワイヤへの展開を図っています。

　さらに、PGM合金ナノ構造体を多元化することで、温室効果ガスである亜酸化窒素還元反応(N2ORR)に資する触媒開発もおこなっています。

Yuta Kato, Masaru Kato*, Shun Saito, Yu Zhuang, Yoshimi Iguchi, Jun Sato, Tasuku Komanoya, Kentaro Soma, Koshiro Suzuki, and Ichizo Yagi*, Co-presence of PtNi Nanowires and Ionic Liquid in Carbon Mesopores Enhances Electrocatalytic Oxygen Reduction Activity,  Nanoscale in press (2024).  [DOI: 10.1039/d4nr03286a]

Yu Zhuang, Yoshimi Iguchi, Tianchi Li, Masaru Kato*, Yasir Hutapea, Akari Hayashi, Takeshi Watanabe, and Ichizo Yagi*, Platinum-Nickel Alloy Nanowires Electrocatalysts Transform into Pt-Skin Beads-on-Nanowires Keeping Oxygen Reduction Reaction Activity during Potential Cycling, ACS Catal. 14(3), 1750-1758 (2024). [DOI: 10.1021/acscatal.3c04709]

Colin A. Tadgell*, Masaru Kato*, Keiko Miyabayashi, and Ichizo Yagi*, Improving Oxygen Evolution Reaction Performance and Durability Using Rhombic Dodecahedral PtNiIr Nanoframes with Metal Oxide Supports in Acidic Media, ACS Catal. 13 (18), 12288–12298 (2023). [DOI: 10.1021/acscatal.3c02541]

Masaru Kato*, Yoshimi Iguchi, Tianchi Li, Yuta Kato, Yu Zhuang, Kotaro Higashi, Tomoya Uruga, Takahiro Saida, Keiko Miyabayashi, and Ichizo Yagi*, Structural Transformation of Pt–Ni Nanowires as Oxygen Reduction Electrocatalysts to Branched Nanostructures during Potential Cycles, ACS Catal. 12 (1), 259–264 (2022). [DOI: 10.1021/acscatal.1c04597]

Masaru Kato*, Ryota Nakahoshiba, Kazuya Ogura, Shoichi Tokuda, Satoshi Yasuda, Kotaro Higashi, Tomoya Uruga, Yohei Uemura and Ichizo Yagi*, Electronic Effects of Nitrogen Atoms of Supports on Pt–Ni Rhombic Dodecahedral Nanoframes for Oxygen Reduction, ACS Appl. Energy Mater. 3 (7), 6768-6774 (2020). [DOI: 10.1021/acsaem.0c00903]

Masaru Kato*, Kazuya Ogura, Shogo Nakagawa, Shoichi Tokuda, Kiyonori Takahashi, Takayoshi Nakamura and Ichizo Yagi*, Enhancement of Electrocatalytic Oxygen Reduction Activity and Durability of Pt–Ni Rhombic Dodecahedral Nanoframes by Anchoring to Nitrogen-doped Carbon Support, ACS Omega 3 (8), 9052–9059 (2018).[DOI: 10.1021/acsomega.8b01373]

加藤 優，八木一三：特集 低次元ナノ構造を有する触媒材料「Pt合金ナノフレーム，ナノワイヤを触媒とした電極触媒反応」，触媒，66 (1), 34-39 (2024).

加藤 優，八木一三：特集 放射光と電気化学「3. 白金系および非白金電極触媒におけるその場X線吸収分光計測」，電気化学，90(1), 16-20 (2022). [DOI: 10.5796/denkikagaku.22-FE0005]

八木一三：特集「壁の存在感」トピックス「アイオノマー／金属界面の局所コンホメーション」，高分子，66 (2), 65-66（2017）