Oxygen reduction activity of N-doped carbon-based films prepared by pulsed laser deposition

パルスレーザー蒸着法を用いて作製した窒素ドープカーボンフィルムの酸素還元活性

箱田 照幸; 山本 春也; 川口 和弘; 八巻 徹也; 小林 知洋*; 吉川 正人

Hakoda, Teruyuki; Yamamoto, Shunya; Kawaguchi, Kazuhiro; Yamaki, Tetsuya; Kobayashi, Tomohiro*; Yoshikawa, Masahito

固体高分子形燃料電池の実用化にあたって克服しなければならない問題の一つに白金触媒の使用量の低減があり、特にカソードにおける酸素還元反応を促進する白金代替触媒の開発が重要課題の一つとなっている。これまでに、コバルトフタロシアニンを含む熱硬化性樹脂を焼成することにより調製した炭素材料が白金と同等の酸素還元活性を発現することが報告されていることから、本研究では、焼成過程を必要としない、パルスレーザー蒸着法を用いて窒素ドープ炭素材料を作製するとともに、その酸素還元活性を調べた。その結果、蒸着中の基板温度の上昇に伴い酸素還元活性が向上して、最大の600Cで0.66V(vs. NHV)の酸還元電位を有する試料の作製に成功した。また、作製試料の構造評価の結果、この酸素還元活性がグラファイト構造内のピリジン結合などに起因することを明らかにした。

Carbon-based films having nitrogen species on their surface were prepared on a glassy-carbon (GC) substrate as a non-platinum cathode catalyst for polymer electrolyte fuel cells by depositing cobalt and carbon in the presence of N gas using a pulse laser deposition method and then removing metal Co by HCl-washing treatment. The oxygen reduction reaction (ORR) activity was electrochemically determined using a rotating disk electrode system where the film samples on the GC substrate were replaceable. The ORR activity increased with elevating temperature of the GC substrate during the deposition. A carbon-based film prepared at 600C in the presence of 66.7 Pa N showed the highest ORR activity among the tested samples; its ORR potential was 0.66 V (vs. NHE). This film was composed of amorphous carbons doped with pyridine-type nitrogen atoms on its surface.