【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.19】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24HK0028

利用課題名 / Title

高性能ヘテロ原子ドープ炭素系触媒の開発

利用した実施機関 / Support Institute

北海道大学 / Hokkaido Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion

キーワード / Keywords

電極材料/ Electrode material,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control,電子顕微鏡/ Electronic microscope,燃料電池/ Fuel cell,電子分光/ Electron spectroscopy

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

荻野 勲

所属名 / Affiliation

北海道大学 大学院工学研究院　応用化学部門　触媒反応工学研究室

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

谷岡 隆志,原田 真吾,王 永明,鈴木 啓太,吉田 すずか

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

HK-107：量子・電子制御ナノマテリアル顕微物性測定装置
HK-201：X線光電子分光装置
HK-301：環境セル対応透過電子顕微鏡
HK-302：電界放出形走査電子顕微鏡
HK-305：ショットキー電界放出形走査電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

固体高分子形燃料電池 (PEFC)  においては、酸素還元反応（ORR: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O）を効率的に進めるために、カソードに高価で希少な白金を大量に用いる必要があり、これが大規模普及を妨げる要因となっている。これに対し、代替触媒として炭素材料に鉄原子と窒素原子をドープしたFe–N–C触媒が注目されている。この触媒は他の非白金系触媒に比べ高い活性を示し、合成技術の進歩とともにその性能も着実に向上している。特に、ZIF-8由来の触媒の中には、ハーフセルでのORR評価において市販の白金系触媒に迫る活性を示す例も報告されている。しかし、ORR中に急速な活性劣化を引き起こすことが課題である。本研究では、この課題を克服するため、マイクロ波（MW）を用いた短時間の加熱改質処理を利用し、Fe–N–C触媒の活性劣化の原因物質であるH₂O₂の生成を抑制する手法を開発している。

実験 / Experimental

酸化鉄ナノ粒子を含有したZIF-8を合成した。この試料をN₂雰囲気下で900 ℃で熱分解し、ベースとなるFe-N-C触媒を合成した。加熱手法の違いが触媒特性に与える影響を調べるため、Fe-N-C触媒に対し、異なる熱処理を施した試料を調整した。1つは、電気炉を用いて1100 ℃で処理した試料(CH品)、もう1つは、MW装置を用いて1100-1300 ℃で1秒間熱処理した試料(MW品)である。いずれの処理においても、雰囲気ガスには10%H₂/N₂を使用した。触媒のORR性能は、回転電極法により評価した。さらに、80 ℃でPEFC単セルを用いた性能評価も行った。

結果と考察 / Results and Discussion

電気炉を用いた加熱処理(CH)では、1100 ℃で収率が大幅に低下した。熱処理に使用した反応器内で水蒸気の生成が観察されたことから、供給したH₂が直接炭素のガス化反応を進めると共に、試料中の酸素原子と反応して水蒸気を生成し、さらにこの水蒸気によって炭素のガス化反応が顕著に進行したためと考えられる。一方、MW加熱ではH₂中1300 ℃でも比較的高い収率を維持出来ることがわかった。H₂O₂生成量の評価では、本実験の条件下で4%以上のH₂O₂が生成することが報告されている。合成したFe-N-Cでは約6%のH₂O₂生成が確認された。一方、MW品はCH品に比べて、加熱温度に関わらずH₂O₂生成量が減少した。特に1200 ℃でMW処理した場合、生成量は1%未満まで低減し、最も低い値を示した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 村上 尊紀・向井 紳・荻野 勲, "マイクロ波改質がMOFベース酸素還元反応用触媒特性に及ぼす影響" 化学工学会 第55回秋季大会 (札幌),令和6年9月11日
2. 本間大地・岡田明優・向井 紳・荻野 勲, "酸素還元用メタルフリー炭素触媒の活性に影響を与える主因子の考察" 化学工学会 第55回秋季大会 (札幌),令和6年9月11日
3. 岡田明優・向井 紳・荻野 勲, "ZIFの形状制御とマイクロ波改質による酸素還元反応用触媒の活性向上" 化学工学会 第55回秋季大会 (札幌),令和6年9月11日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件