日本東北大學的阿部博彌助教、藪浩副教授和末永智一教授與北海道大學的松尾保孝教授及日本電氣通訊大學的中村淳教授的研究小組，利用非常簡單的工藝成功製作了高活性氧還原催化電極。
燃料電池和金屬空氣電池等作爲取代鋰離子電池的新一代電池備受期待，這些電池的正極（空氣極）可以透過在電極上發生氧還原反應來提取能量。由於氧還原反應難以進行，作爲促進反應的觸媒，一直使用裝載了鉑的碳觸媒，爲了取代價格昂貴且資源有限的鉑，需要開發廉價的催化電極材料。
本次研究發現，透過以單分子形式在碳材料表面修飾鐵酞青素基有機金屬錯合物，能實施活性非常高的氧還原反應特性。由於這種觸媒分子是鐵基有機金屬錯合物，屬於無資源侷限的廉價非鉑觸媒。同時，研究小組還結合理論計算，從理論上成功解釋了高活性化原理。
本次研究發現的高活性氧還原反應催化電極透過使燃料電池和金屬空氣電池不再使用鉑，有望爲這些能源產品的普及做出貢獻。
圖：（a）在碳材料表面進行了分子修飾的觸媒的模式圖以及（b）此次發現的催化電極的氧還原性能與碳/鉑碳觸媒的比較
1. 研究背景
燃料電池和金屬空氣電池等的能量密度比較高，因此作爲取代鋰離子電池的新一代電池備受期待。這些電池的正極（空氣極）可以透過在電極上發生氧還原反應來提取能量。由於氧還原反應難以進行，作爲促進反應的觸媒，一直使用裝載鉑的碳觸媒。但鉑價格昂貴且資源有限，因此全球都在開發取代鉑的廉價催化電極材料。
例如，透過在鈍氣下高溫燒製包含觸媒活性位點——金屬離子和金屬奈米顆粒的碳材料，可以製作名爲碳合金的非鉑金屬碳催化電極。不過，製作碳合金需要在鈍氣下采用高溫工藝以及實施去除非觸媒活性物質的酸處理等，工藝成本存在課題。因此，需要開發一種能簡單製作高活性催化電極的新方法。
2. 内容與成果
作爲氧還原反應的觸媒活性位點，該研究小組着眼於顏料等使用的鐵酞青素基有機金屬錯合物（圖1a及1b）。這種觸媒分子的結構與自然界存在的血紅素和細胞色素c中含有的血基質類似，中心的鐵原子發揮觸媒活性位點的作用。研究小組發現，透過以單分子形式在碳材料表面修飾這種有機金屬錯合物，能獲得活性非常高的氧還原反應特性。該觸媒分子爲鐵基有機金屬錯合物，因此有望作爲廉價的非鉑觸媒使用。
圖1：本次研究使用的鐵基有機金屬錯合物（a）鐵酞青素、（b）鐵氮酞青素、（c）在碳材料表面進行分子級修飾的觸媒的模式圖
另外，修飾觸媒分子的工藝無需燒製，可以全部利用濕法工藝製作，有望大幅削減工藝成本（圖2）。此外，研究小組發現，透過採用鐵氮酞青素，能進一步提高活性，可實施高於鉑的催化活性（圖3）。不僅如此，還發現獲得的催化電極與鉑碳觸媒相比耐久性更高，而且擁有甲醇耐性。同時，研究小組還結合理論計算，對這種高活性化成功進行了理論解析。
圖2：觸媒修飾碳的製作方法
圖3：透過電化學測量獲得的觸媒活性的結果。（黑色虛線）未修飾觸媒分子的碳電極、（黑色實線）鉑碳觸媒、（紅色實線）本次研究製作的新觸媒。
本次研究獲得的高活性觸媒無需燒製工藝，能利用相對比較廉價的分子觸媒製作，因此作爲取代鉑的觸媒，有望爲燃料電池和金屬空氣電池等降低成本做出巨大貢獻。
【論文資訊】
題目 Fe Azaphthalocyanine Unimolecular Layers （Fe AzULs） on Carbon Nanotubes for Realizing Highly Active Oxygen Reduction Reaction （ORR） Catalytic Electrodes
期刊NPG Asia Materials
DOI 10.1038/s41427-019-0154-6
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
