アンモニア中電子線照射による炭素系触媒材料への窒素導入効果

Effect of nitrogen doping in carbon-based catalyst materials by electron-beam irradiation in ammonia

太田 智紀*; 八巻 徹也; 杉本 雅樹; 山本 春也; 越川 博; 萩原 時男*

Ota, Tomonori*; Yamaki, Tetsuya; Sugimoto, Masaki; Yamamoto, Shunya; Koshikawa, Hiroshi; Hagiwara, Tokio*

燃料電池カソードに用いられる白金触媒の代替材料として、炭素系触媒が期待されている。炭素系触媒の酸素還元反応(ORR)活性は、グラフェン状炭素の一部が窒素原子に置換した構造に起因すると考えられている。そこで本研究では、窒素導入量の制御を目指し、アンモニア(NH)下での電子線照射によって炭素系触媒への窒素の導入を試みるとともに、そのORR活性を評価した。実験ではフェノール樹脂に塩化コバルト(II)を最大10wt%で添加した試料を炭素源とした。1vol% NH/N雰囲気下で400Cまで加熱しながら2MeVの電子線を6MGyまで照射し、その後でN中、800C焼成して炭化した。粉砕した試料から塩酸で残留コバルトを除去した後、回転電極法でORR活性を評価した結果、酸素還元電位は0.72V(vs. Ag/AgCl)であった。この値は白金の0.78Vに匹敵する高い値であることから、NH下での電子線照射により、ORR活性を有する含窒素炭素系触媒を作製できた。

Nitrogen-doped carbon-based catalysts are expected as Pt alternatives, and however there have been so far no established methods to introduce N atoms into graphene structures. Thus, we report N doping in carbon-based catalysts by electron beam (EB) irradiation in ammonia (NH). A precursor was phenolic resin or its mixture with 5 or 10 wt% cobalt(II) chloride (CoCl); it was then irradiated with 2 MeV electron beam up to a dose of 6 MGy in 1 vol% NH at 400C. This irradiated powder was carbonized in an Ar atmosphere at 800C for 1 h. An N-doping level reached an atomic concentration of ca. 0.5% when 5 wt% CoCl was mixed in the precursor.