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、プロトン交換膜形水電解のアノード（酸素極）では酸素発生反応(OER)が、それぞれ進行しますが、それらの遅い4電子移動反応を進めるためには、現状では白金もしくはイリジウムが必須です。白金もイリジウムも高価で、資源量が限定されているため、低貴金属・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、白金イリジウムナノワイヤなど、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)や更にCoなどの金属を加えたPtNiMナノワイヤ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、二酸化炭素の300倍近い地球温暖化係数を有する温室効果ガスであるとともに今世紀最大のオゾン層破壊物質となった亜酸化窒素を還元する反応(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 16, 20505-20509 (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）