Role of residual transition-metal atoms in oxygen reduction reaction in cobalt phthalocyanine-based carbon cathode catalysts for polymer electrolyte fuel cell

固体高分子形燃料電池用コバルトフタロシアニン由来炭素カソード触媒に残存する遷移金属の酸素還元反応における役割

小林 正起*; 丹羽 秀治*; 原田 慈久*; 堀場 弘司*; 尾嶋 正治*; 大渕 博宣*; 寺倉 清之*; 池田 隆司; 腰越 悠香*; 尾崎 純一*; 宮田 清蔵*; 上田 茂典*; 山下 良之*; 吉川 英樹*; 小林 啓介*

Kobayashi, Masaki*; Niwa, Hideharu*; Harada, Yoshihisa*; Horiba, Koji*; Oshima, Masaharu*; Ofuchi, Hironori*; Terakura, Kiyoyuki*; Ikeda, Takashi; Koshigoe, Yuka*; Ozaki, Junichi*; Miyata, Seizo*; Ueda, Shigenori*; Yamashita, Yoshiyuki*; Yoshikawa, Hideki*; Kobayashi, Keisuke*

コバルトフタロシアニンとフェノール樹脂の混合物の熱分解によって合成したコバルトフタロシアニン由来の炭素触媒中の炭素原子の電子構造をX線吸収微細構造分析と硬X線光電子分光を用いて調べた。Co K端XAFSスペクトルからほとんどのコバルト原子は金属状態であるが酸洗い後でも少量の酸化コバルト成分があることがわかった。また、XAFSとHXPESのプローブ長の違いから酸洗い後においてCoクラスタ凝集体の表面領域はおもに金属Coから構成されていることがわかった。酸洗い前後で電気化学的性質がほとんど変化しなかったことから、残存金属Co又は酸化Co自体は炭素カソード触媒の酸素還元反応活性にほとんど寄与しておらず、炭素や窒素等の軽元素がコバルトフタロシアニン由来炭素触媒の活性点を構成していると考えられる。

The electronic structure of Co atoms in CoPc-based carbon catalysts, which were prepared by pyrolyzing a mixture of CoPc and phenol resin polymer up to 1000C, has been investigated using XAFS analysis and HXPES. The Co K XAFS spectra show that most of the Co atoms are in the metallic state and small quantities of oxidized Co components are present in the samples even after acid washing to remove Co atoms. Based on the difference in probing depth between XAFS and HXPES, it was found that after acid washing, the surface region with the aggregated Co clusters is primarily composed of metallic Co. Since the electrochemical properties remain almost unchanged even after the acid washing process, the residual metallic and oxidized Co atoms themselves will hardly contribute to the ORR activity of the CoPc-based carbon cathode catalysts, implying that the active sites of the CoPc-based catalysts primarily consist of light elements such as C and N.