Indirect contribution of transition metal towards oxygen reduction reaction activity in iron phthalocyanine-based carbon catalysts for polymer electrolyte fuel cells

固体高分子形燃料電池用鉄フタロシアニン由来カーボン触媒での酸素還元活性への鉄の間接的寄与

小林 正起*; 丹羽 秀治*; 斎藤 信*; 原田 慈久*; 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*

Kobayashi, Masaki*; Niwa, Hideharu*; Saito, Makoto*; Harada, Yoshihisa*; Oshima, Masaharu*; Ofuchi, Hironori*; Terakura, Kiyoyuki*; Ikeda, Takashi; Koshigoe, Yuka*; Ozaki, Junichi*; Miyata, Seizo*

鉄フタロシアニンとフェノール樹脂の混合物を800Cで焼成して得た炭素触媒における酸素還元活性に対する鉄の役割を明らかにすることを目的に残存鉄の電子構造をXAFS実験により酸洗いの前後で調べた。鉄のK端X線発光強度から酸洗いにより炭素触媒の残存鉄が36%減少することがわかった。XAFSスペクトルから鉄の成分が酸洗いにより変化しないことが明らかになった。これは鉄の化学状態によらず酸洗いにより残存鉄が取り除かれることを示唆する。酸洗いにより酸素還元能がほぼ不変であることから残存鉄は炭素触媒の酸素還元活性に直接寄与しておらず、おもに熱分解時にsp炭素のネットワーク構造を成長させる触媒として働くと考えられる。本研究の結果は鉄フタロシアニン由来の炭素触媒における酸素還元活点は炭素や窒素といった軽元素であることを示唆している。

The electronic structure of the residual metal atoms in FePc-based carbon catalysts, prepared by pyrolyzing a mixture of FePc and phenolic resin polymer at 800C, before and after acid washing have been investigated using XAFS spectroscopy to clarify the role of Fe in the ORR activity. The decomposition analyses for the XAFS spectra reveal that the composition ratio of each Fe component is unaltered by the acid washing, indicating that the residual Fe components were removed by the acid washing irrespective of their chemical states. Because the oxygen reduction potential was approximately unchanged by the acid washing, the residual Fe itself does not seem to contribute directly to the ORR activity. The residual Fe can act as a catalyst to accelerate the growth of the sp carbon network during pyrolysis. The results imply that light elements are components of the ORR active sites in the FePc-based carbon catalysts.