The Interface between platinum nanoparticle catalysts and an Ar-irradiated carbon support

アルゴンイオン照射した炭素担体と白金ナノ粒子触媒の界面

垣谷 健太*; 木全 哲也*; 八巻 徹也*; 山本 春也*; 田口 富嗣*; 下山 巖   ; 松村 大樹   ; 岩瀬 彰宏*; 小林 知洋*; 寺井 隆幸*; Mao, W.*

Kakitani, Kenta*; Kimata, Tetsuya*; Yamaki, Tetsuya*; Yamamoto, Shunya*; Taguchi, Tomitsugu*; Shimoyama, Iwao; Matsumura, Daiju; Iwase, Akihiro*; Kobayashi, Tomohiro*; Terai, Takayuki*; Mao, W.*

これまでに、予めArを照射した炭素担体上の白金ナノ粒子(Pt NPs)触媒が高い酸素還元反応(ORR)活性を示すことを見出している。この結果は担体に形成した照射欠陥がPt NPsに影響を及ぼしていることを示唆するが、その詳細は明らかになっていない。そこで本研究では、照射欠陥がPt NPsの形状、化学状態に及ぼす影響をそれぞれ透過型電子顕微鏡観察、X線吸収端近傍構造(XANES)測定により調べることで、Pt NPs高活性化をもたらす界面効果の解明を目指した。380keV Ar照射のグラッシーカーボン基板にスパッタ蒸着によりPt NPsを作製したところ、その平均粒径は5.1nmで非照射の場合よりも1.3nm大きかった。一方、Pt M端およびL端におけるXANESスペクトルでは、ピーク強度が非照射の場合に比べて低く、Pt NPsの酸化抑制傾向が見出された。したがって、照射による高活性化は、Pt NPsの粒径変化では説明できないが、酸化抑制効果によるORR律速段階(酸素種のPtからの脱離)の促進と関連していることがわかった。

Pt nanoparticles (NPs) on the Ar-irradiated carbon support were found highly active for the oxygen reduction reaction (ORR). This suggests that irradiation defects of the support would affect Pt NPs, but the mechanism of the activity improvement has not been clear. We performed here transmission electron microscopy and X-ray absorption near edge structure (XANES) measurements to investigate the effect of the Pt NP-support interface in terms of the size and chemical states of the Pt NPs. The Pt NPs were prepared on the glassy carbon substrate by sputter deposition; their sizes were 5.1 and 3.8 nm on the 380 keV Ar-irradiated and pristine substrates, respectively. In XANES spectra at Pt M and L edges, the peak intensity was lower for the irradiated sample, indicating the suppression of Pt oxidation by the irradiation defects. Accordingly, fast kinetics originating from this interfacial chemical-state change, not an increase in the particle size, can explain the high ORR activity.