琉球大学ら、極薄の白金ナノシート触媒を開発：触媒活性、耐久性は従来比2倍に

琉球大学と信州大学による研究チームは、京都大学と日産アークの協力を得て、固体高分子形燃料電池の酸素極における触媒活性と耐久性を、それぞれ2倍に高めることができる「白金ナノシート酸素極触媒」の開発に成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

燃料電池の低コスト化や発電性能のさらなる向上に期待

　琉球大学と信州大学による研究チームは2023年1月、京都大学と日産アークの協力を得て、固体高分子形燃料電池の酸素極における触媒活性と耐久性を、それぞれ2倍に高めることができる「白金ナノシート酸素極触媒」の開発に成功したと発表した。

　琉球大学理学部の滝本大裕助教をはじめとする研究チームは、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）による「燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業」の支援を受け、燃料電池自動車（FCV）向け燃料電池の性能と耐久性をさらに向上させ、コストの大幅低減を可能にする「電極触媒」の開発に取り組んできた。

　そこで開発したのが、厚み0.5nmという極薄の白金ナノシート触媒である。白金酸化物で構成される層状物質を剥がして、還元処理を行う独自の技術によって実現した。具体的には、層状酸化白金酸塩を剥がすと、0.9nm厚の単原子層白金酸ナノシートが得られる。この白金酸ナノシートを還元処理することによって酸素原子が除去され、厚みが0.5nm程度の白金ナノシートになるという。放射光実験の結果から、この白金ナノシートは2〜3原子層で構成されていることが分かった。

上図は層状白金酸塩から0.5nm厚の白金ナノシートを得るための工程。下図は白金酸ナノシート（左）および白金ナノシート（右）の原子間力顕微鏡像と高さプロファイル 出所：琉球大学他

開発したPt NS/C触媒の透過型電子顕微鏡像の図 出所：琉球大学他

　研究チームは、白金ナノシート酸素極触媒の活性と耐久性能について調べた。白金ナノシートを高比表面積炭素に付着（担持）した触媒（Pt NS/C触媒）は、粒子サイズが約3nmの白金ナノ粒子を炭素に担持した市販の触媒（Pt NP/C触媒）に比べ、初期活性は2倍も高いことが分かった。この要因として、約120m²/gという白金ナノシートの極薄構造による大きな電気化学的活性表面積（ECSA）値を挙げた。

　また、加速劣化試験により、Pt NS/C触媒あるいはPt NP/C触媒を酸素極に用いたときの安定性を比較した。これによると、Pt NS/C触媒のECSA維持率は、Pt NP/Cより2倍も高いことを確認した。白金ナノシートの耐久性が高い要因として、白金の原子同士が結合している割合がナノ粒子より多く、白金原子の溶解・再析出が抑制される機構となっていることが分かった。

開発したPtナノシート触媒と3nm Ptナノ粒子触媒の触媒性能。左図は耐久試験前（BOL）と耐久試験後（EOL）の電気化学的活性表面積値、右図はBOLとEOLの酸素還元反応活性値 出所：琉球大学他

　研究チームは今後、FCVや定置用燃料電池への適用に向けて、活性と耐久性のさらなる向上を目指すことにしている。また、燃料電池用電極触媒以外にも、さまざまな分野へ白金ナノシートの応用を図る考えである。