固體氧化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：SOFC）作爲可永續利用的家用電源備受關注。含鈷氧化物作爲電極材料，可使SOFC的發電特性能顯著提高，但此前一直不清楚鈷氧化物爲何具備如此優異的電極特性。
日本東北大學研究生院工學研究科博士三年級的戶村勇登與高村仁教授等人組成的研究團隊，開發出了可簡單快速測量氧化物表面的催化活性的新型脈衝同位素交换法，發現鈷氧化物表面形成的巨大鈷離子簇會促進氧氣的吸附和解離反應。這項成果爲SOFC的空氣側電極提供了新的材料設計指南，氧氣吸附和解離反應至關重要的空氣二次電池的開發也有望取得新進展。
圖1：鈷氧化物表面的氧氣吸附和解離反應的模式圖
【研究内容】
目前，固體氧化物型燃料電池已作爲ENE-FARM type S實施實用化，爲實施氫能源社會貢獻了力量。要想進一步推進SOFC的普及，需要提高電極材料的性能和可靠性，並降低工作溫度（目前約爲750℃）。其關鍵在於吸附和解離空氣中的氧並使其實施離子化的正極（陰極）材料。作爲正極材料，已經知道含有鈷的氧化物、比如La-Sr-Co基氧化物和Ba-Sr-Co-Fe基氧化物等具備優異的特性。
另外，最近有研究顯示，在這些氧化物中結合Co3O4能進一步提高發電特性，鈷作爲能提高正極材料特性的「魔法元素」備受關注。不過，在SOFC工作的高溫區域，關於鈷氧化物的氧氣吸附和解離催化活性還有很多不明之處，相關知識比較少。
該研究團隊開發了能簡單快速測量氧化物表面的催化活性的新型脈衝同位素交换法，成功測量了含有鈷的各種氧化物表面的氧氣吸附和解離反應速度。由此應答，含有鈷的氧化物無論其晶體結構如何，反應速度都會以一定的鈷濃度爲閾值急劇增加（圖 2）。
這種現象可以理解爲鈷離子在氧化物表面的滲透現象，蒙地卡羅模擬顯示，鈷濃度達到具有較高的氧氣吸附和解離反應速度的水平以上時，會形成巨大的鈷離子簇（圖2的紅色部分）。
圖2：鈷氧化物的氧氣吸附和解離反應速度對鈷含量的依賴性。ρ達到0.55左右時，氧氣吸附和解離反應速度急劇增加，與滲流理論完全一致。圖中用紅色表示了ρ爲0.5和0.594時存在的最大鈷離子簇。
【未來展望】
形成巨大的鈷離子簇會顯著促進氧化物表面的氧氣吸附和解離反應，這種效應爲SOFC正極材料的開發提供了新的材料設計指南。也就是說，對於含有高濃度的鈷、氧氣吸附和解離催化活性比較高的氧化物，使其與負責離子化和吸收的氧化物分別承擔不同的功能，進行合理配置，便有望開發出充分利用二者優點的高性能電極。
此外，氧氣的吸附和解離反應在空氣二次電池的電極材料中也是重要課題，此次的成果對該領域也可能產生波及效應。另外，此次開發的新型脈衝同位素交换法可以利用數10mg的粉末樣本快速評估其催化活性，因此還能用來調查奈米顆粒等微量且具有特殊形態的材料的氧氣吸附和解離反應速度。
論文資訊
題目：Catalytic activity for dissociative oxygen adsorption of Co-based oxides at high temperatureevaluated by a modified pulse isotopic exchange technique
期刊：Journal of Materials Chemistry A
DOI：10.1039/D0TA04747C
URL：pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TA/D0TA04747C
文：JST客觀日本編輯部
