日本量子科學技術研究開發機構量子束科學部門高崎量子應用研究所的部長兼專案組長八卷徹也、高級研究員山本春也及合作研究員木全哲也、東京大學研究生院工學系研究科的特任研究員毛偉和名譽教授寺井隆幸，日本核能研究開發機構的研究主任松村大樹和下山岩等人組成的研究團隊，透過在照射離子束的碳材料中持有鉑的新方法，將固體聚合物燃料電池（PEFC）的催化性能成功地提高了2倍以上。另外研究團隊還發現，提高催化性能的機制與在碳材料中的缺陷結構與鉑（Pt）微粒之間的相輔作用有關。
圖1：（a）向GC基底層照射380keV氬離子並堆積Pt微粒。透過旋轉電極法獲得的ik與電位之間的關係。虛線表示Pt/未照射GC，3條實線表示Pt/照射GC的結果（樣本名稱後面的括弧中的數位是每平方釐米照射的離子數量）。（b）在Pt/未照射GC和3個Pt/照射GC之間比較0.85V電位下的ik。（供圖：量子科學技術研究開發機構）
按照過去的理論預測，在照射離子束的碳材料上吸附Pt微粒可以提高材料的氧化還原反應（ORR的活性。八卷部長介紹說：「最初半信半疑，但對於Pt微粒的尺寸和分散性未發現變化，所以我們估計可能是因爲碳材料中導入的缺陷結構導致了電子結構的變化。在研究如何進行驗證時，我們認爲，透過同步輻射實驗明確活性提高的原理是一條捷徑。」
爲此，研究團隊利用隨着碳材料的缺陷結構而強化的Pt-碳相輔作用來操控Pt微粒的電子結構，嘗試製作了高活性的ORR觸媒。缺陷結構的數量在每平方釐米1.0×1014個至1016個之間，透過照射的氬離子數量進行控制。含缺陷結構的玻碳（GC：玻璃狀碳）基底層上堆積的Pt微粒（Pt/照射GC）的ORR活性透過電化學法——旋轉電極法進行了評估。
結果顯示，在表示活性的Pt單位面積的電流與電位的關係中，以相同電位進行比較時的電流會隨着GC基底層的照射而增加。例如，以電位爲0.85V時的電流來比較，隨着照射的離子數量、即缺陷結構增加，電流會逐漸增加，與未照射基底層上的Pt微粒（Pt/未照射GC）相比，最大提高至2.2倍左右。
研究團隊目前還在開展耐久性相關的研究，目標是將ORR活性×耐久性的性能提高10倍以上。
八卷部長表示：「在同樣由碳構成的金剛石中，原子空艙等缺陷結構已被應用於量子感測器，作爲量子技術的組成部分也備受關注。我們對利用缺陷結構的定位效果還有望應用於完全不含Pt的ORR觸媒開發。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Physical Review Materials
題目：Activity enhancement of platinum oxygen-reduction electrocatalysts using ion-beam induced defects
DOI：10.1103/PhysRevMaterials.00.005800
