慶應ら,高活性白金サブナノクラスター触媒を開発

慶應義塾大学,トヨタ紡織,分子科学研究所,千葉大学,名古屋大学の研究グループは,白金原子6個からなるサブナノクラスターの酸素還元反応(ORR)の触媒活性が,燃料電池で用いられている現行の白金標準触媒に比べて,1.7倍程度高い質量活性となることを発見し,広域X線吸収微細構造(EXAFS)の測定と密度汎関数理論(DFT)計算により,活性の高い白金6量体の構造が双四面体であることを明らかにした(ニュースリリース)。

ナノクラスターは,触媒,電子デバイス,磁気デバイスなどへの応用が期待され,特に,貴金属元素の触媒では,構成原子のほとんどを表面原子とするナノクラスターによる高活性化とともに,希少貴金属の使用量を低減させる技術が注目されている。しかし,これまで気相合成されたナノクラスターの生成量が極めて微量であったため,その触媒活性を燃料電池に応用するという視点から評価することは極めて困難だった。

今回研究グループは,開発したパルスマグネトロンスパッタリング法を用いた気相ナノクラスター作製装置(nanojima®)によって,配位子のない清浄な金属ナノクラスターを高効率で気相合成した。

合成した白金ナノクラスターを四重極質量選別器によって,構成原子数を精密に峻別して真空中で炭素基板上にソフトランディングすることで,白金ナノクラスター担持基板を作製する。この手法によって,白金原子6個から構成されるサブナノスケールの白金サブナノクラスターを担持した基板を,電極触媒に用いることが可能になった。

次に酸素還元反応(ORR)での活性を,1気圧の酸素下の過塩素酸水溶液中において,回転ディスク電極法による対流ボルタンメトリーを用いて評価した。作成した担持白金6量体は,現行の白金標準触媒(粒子径:約2-3nm)に比べて,1.7倍程度高い質量活性(Mass Activity(MA)=520A/gPt)を示した。

また研究グループは,広域X線吸収微細構造(EXAFS:Extended X-ray Absorption Fine Structure)の測定と密度汎関数理論(DFT:Density Functional Theory)計算とから,担持白金6量体の構造が双四面体であることを明らかにした。

研究グループは,今回の研究成果により,6個の白金原子のサブナノクラスターが,従来の白金標準触媒を越える活性をもつことから,白金使用量の少ない白金ナノクラスターを燃料電池の電極触媒に応用できるとしている。

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