Ion beam modification of Pt electrocatalyst nanoparticles for polymer electrolyte membrane fuel cells

固体高分子形燃料電池向けPt触媒ナノ微粒子のイオンビーム改質

八巻 徹也; 山本 春也; 箱田 照幸; 越川 博

Yamaki, Tetsuya; Yamamoto, Shunya; Hakoda, Teruyuki; Koshikawa, Hiroshi

本研究では、電子線や線,X線などの放射線にはない高エネルギーイオンビームによる高密度な電子励起効果を利用して、ナノ微粒子の表面を改質・制御し、固体高分子形燃料電池に応用可能な酸素還元触媒を作製することを試みた。実験ではまず、グラッシーカーボン上にスパッタ法により作製したPt系金属のナノ微粒子を試料として、380keV, 10MeVのプロトンビームを照射した。サイクリックボルタモグラフィーによって電気化学的特性を評価した結果、より低エネルギービームの照射により触媒活性の表面積が増大することが見いだされた。この結果に対しては、電子顕微鏡などの結果から粒径変化による活性向上ではないことが明らかになり、高LETイオンビーム励起と量子化されたナノ微粒子の表面電子系とが結合したことによる局所的な構造変化が原因と考えられる。

This study concerns our attempt to improve catalytic properties of nanoparticles of Pt and Pt-group metals by modification with ion beams. We expected that a completely high electronic excitation induced by high-energy ion beams could achieve new atomic arrangement and electronic states at the nanoparticle surface. Pt nanoparticles were prepared on a glassy carbon plate by a sputtering method and then irradiated with proton beams at energies of 0.38 and 10 MeV at room temperature. Cyclic voltammetry in a 0.5 M sulfonic acid aqueous solution suggested that the lower-energy beam irradiation enhanced the active surface area of the Pt nanoparticles, calculated from the coulombic charge for hydrogen adsorption. Thus, the nanoparticles will be modified by the proton-beam excitation so that they have higher surface reactivity. The mechanism determining this irradiation effect is still unclear at present, but we may discuss it in relation to a change in the interfacial crystal structure induced by the irradiation.