東京工業大學物質理工學院材料系的難波江裕太助教和早川晃鏡教授等人組成的研究團隊，與熊本大學的大山順也副教授、靜岡大學的守谷誠講師和旭化成公司共同開發出了有助於燃料電池實施脫鉑的新物質。
(a)Schematic image of 14-membered macrocyclic Fe complex inspired from FeN4 center in graphene and (b) the developed catalyst powder（供圖：東京工業大學）
燃料電池車配備透過使氫和氧發生化學反應生成電力的燃料電池，發電時不排放溫室氣體。不過，目前的市售車每輛車的燃料電池要採用20～30克昂貴的稀有金屬鉑作爲觸媒，阻礙了燃料電池車的普及。作爲替代觸媒，此前研究過在廉價的鐵周圍結合配體酞青素的環狀化合物——鐵酞青素等多種金屬錯合物，但在燃料電池工作的酸性電解質中，金屬錯合物的穩定性無法達到實用水平。
研究團隊研究了是否有辦法在提高穩定性的同時，利用合成化學大量形成與鐵基熱處理型觸媒的活性位高度相似的結構。鐵酞青素等大環狀錯合物無需高溫熱處理即可大量合成。已知的大環狀錯合物大部分都是透過周圍環繞着十六元環的16個原子固定鐵原子的。
此次，研究團隊的目標是製作由14個原子固定鐵原子、結構比十六元環錯合物小一圈的芳香族十四元環鐵錯合物。從製備十四元環鐵錯合物及驗證催化活性和穩定性的思路出發，研究了新的十四元環鐵錯合物合成法，由此首次以高純度獲得了這種錯合物。
研究團隊利用電位掃描試驗評估新制備的觸媒的氧還原催化活性發現，與鐵酞青素相比具有更優異的催化活性和耐久性。爲應答其在酸性電解質中的耐久性，實施了追蹤鐵離子的洗脫行為的即時分析，發現十四元環結構可以像預期那樣穩定鐵原子。
難波江助教表示：「爲全面普及固體聚合物燃料電池，鐵基觸媒作爲鉑替代觸媒備受關注，但無論是催化活性還是耐久性一直都沒有達到實用水平。今後的目標是，透過最適化十四元環的周邊結構，將催化活性提高至目前的30倍左右，以使鉑替代觸媒實施實用化」。
【名詞解釋】
鐵酞青素：在顏料等使用的環狀化合物酞青素的中心導入鐵原子的化合物。
大環狀錯合物：金屬錯合物中配體部分呈環狀結構且相對比較大的錯合物。以酞青素和卟啉爲配體的錯合物是典型的大環狀錯合物。
【論文資訊】
Junya Ohyama, Makoto Moriya, Ryo Takahama, Kazuki Kamoi, Shin Kawashima, Ryoichi Kojima, Teruaki Hayakawa, and Yuta Nabae: High Durability of a 14-Membered Hexaaza Macrocyclic Fe Complex for an Acidic Oxygen Reduction Reaction Revealed by In Situ XAS Analysis, JACS Au 2021, 1, 10, 1798–1804
URL：pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.1c00309
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
