Possibilities of nitrogen-doped defects in graphene as catalytic sites of oxygen reduction reactions

グラフェンにおける窒素ドープ欠陥の酸素還元活性点としての可能性

池田 隆司; Chai, G.*; Hou, Z.*; 寺倉 清之*

Ikeda, Takashi; Chai, G.*; Hou, Z.*; Terakura, Kiyoyuki*

固体高分子形燃料電池は最も有望なエネルギー源の一つであるが、80度程度の動作温度で電極反応を促進するのに必要な白金触媒のコストが普及を妨げている。近年、sp炭素をベースに窒素,ホウ素,硫黄等の軽元素をドープした材料が高い酸素還元活性を示すことが数多くのグループから報告されており、酸素還元活性における軽元素の役割が議論されている。本研究では、第一原理分子動力学シミュレーションにより窒素がドープされた欠陥を含むグラフェンの種々のモデルでの酸素吸着及び吸着酸素の還元過程を調べた。カソードの環境を模擬した水和された酸素のダイナミクスと自由エネルギーに基づいた考察から、欠陥を含むグラフェンへの窒素ドープは窒素のドープ位置と欠陥の構造によっては触媒活性が向上する可能性があることが示唆された。

Polymer electrolyte fuel cells are one of the most promising power sources. However, their practical use continues to be hindered by the prohibitive cost of Pt-based catalysts required to facilitate electrode reactions at operating temperatures of 80C. Recently, a large number of groups have reported significantly high ORR activities of sp carbon-based materials doped with light elements such as N, B, S, etc., thus leading to much debate on the role of the doped light elements in the ORR activity. In this computational study, we inspect possible oxygen adsorption and reduction processes on various models of N-doped defective graphene using FPMD simulations. The dynamics of an O molecule solvated in water along with energetic considerations, indicates that the N doping in defective graphenes can enhance efficiently their catalytic activity depending on the detailed structure of defects as well as the position of N dopants.