燃料電池提高效率的關鍵：給碳加點氮

日本物質材料研究機構（NIMS）在與北海道大學和德國烏爾姆大學的國際聯合研究中發現，在碳材料中摻入1 at％ 以下的微量氮原子後，可變成促進氧還原反應的活性電極催化劑，並成功明確了其活性化機理。氧還原反應是燃料電池的關鍵步驟之一，目前電極催化劑使用的是稀有資源鉑族金屬。為了利用不受資源限制的可持續材料製造能源，作為鉑族元素的替代材料，碳基電極催化劑的基礎研究和應用將會愈發活躍。

燃料電池正極的氧還原反應 (ORR) 是難以激活的反應，該反應決定著燃料電池的效率。此前一直認為，只有鉑等特殊金屬才能激活 ORR，並實現高效反應。不過近年來有報告顯示，在碳中摻雜氮的材料也能激活 ORR。如果能用常見的碳和氮來替代稀有而昂貴的資源——鉑，就能以比現在更低的價格製造環境負荷較低的燃料電池，而且不受資源限制，因此，全球都在推進碳基電極催化劑的研究。但此前一直不清楚碳與氮組合後激活ORR的詳細機理。

此次，以 NIMS 為核心的研發小組製作了氮含量和化學結構不同的多種碳催化劑模型，利用這些催化劑調查了決定整體反應效率的過程和氧吸附方式。另外，還詳細觀察了催化劑表面的形態和氮分布，設計了能準確反映實驗系統的理論模型，並解析了採用碳催化劑的ORR的微觀電極過程。結果顯示，只需摻入微量的氮，碳就能激活ORR，研發小組還通過實驗和理論成功解釋了其詳細機理。

碳激活ORR的機理

今後，研究小組將以此次獲得的知識為基礎，探索具備更高特性的碳基催化劑，以便利用常見元素高效率生產電能。

相關論文已於2018年8月9日發表在美國化學會期刊《ACS Catalysis》的速報版上。

文 JST客觀日本編輯部

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