Oxygen reduction activity of iron and nitrogen doped carbon films

鉄・窒素添加炭素膜の酸素還元活性

山本 春也; 箱田 照幸; 八巻 徹也; 島田 明彦; 吉川 正人

Yamamoto, Shunya; Hakoda, Teruyuki; Yamaki, Tetsuya; Shimada, Akihiko; Yoshikawa, Masahito

高分子形燃料電池の普及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、特にカソード正極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。本研究は、白金代替触媒として期待される炭素系触媒の開発を目指し、パルスレーザ蒸着法による鉄(Fe)及び窒素(N)を添加した炭素(Fe-N-C)薄膜の作製を行った。窒素分圧をパラメータに雰囲気中で等方性黒鉛と鉄をガラス状炭素基板(基板温度: 800C)に交互に堆積させ、電気化学測定により酸素還元電位を評価した。その結果、成膜中の窒素分圧を高くすることにより、その酸素還元電位が高くなる傾向を示し、窒素分圧: 5Torrで作製したFe-N-C膜では、白金の酸化還元電位(0.85V vs. NHE)に迫る、0.75V vs. NHEの酸素還元電位を示した。さらにX線光電子分光法によりFe-N-C薄膜の窒素の化学結合状態を調べた結果、酸素還元活性の発現にグラファイト型の窒素-炭素結合が関係していることが示唆された。

Developments of low Pt loading catalysts and non-Pt catalysts for an oxygen reduction reaction have been required for practical use of polymer electrode membrane fuel cells. One promising non-Pt catalyst is based on the transition metal(TM)-nitrogen (N)-carbon(C) systems (TM: Fe, Co, Ni, etc.). In the present study, we prepared Fe and N doped carbon film on a glassy carbon (GC) substrate under the different presence of N gas during the pulsed laser deposition (PLD). The ORR activity of the films was electrochemically determined using a rotating disk electrode system. The ORR activity of Fe-N-C films increased with increasing N gas pressure during the deposition. The Fe-N-C film prepared at 800C under the 5 torr of N gas pressure showed high ORR activity; its ORR potential was 0.75 V (vs. NHE). Furthermore, XPS results suggest that the ORR activity of Fe-N-C relates to the N atoms which were connected to three C atoms (graphitic-N).