Impact of heterometallic cooperativity of iron and copper active sites on electrocatalytic oxygen reduction kinetics

加藤 優*; 藤林 那月*; 阿部 大輝*; 松原 直啓*; 保田 諭   ; 八木 一三*

Kato, Masaru*; Fujibayashi, Natsuki*; Abe, Daiki*; Matsubara, Naohiro*; Yasuda, Satoshi; Yagi, Ichizo*

Fe-N-C酸素還元反応触媒は高分子電解質燃料電池のキーマテリアルである。しかしながら、多くのFe-N-C電極触媒は、副生成物としてHOが生成されるため、生成物の選択性に問題がある。本研究では、Cu, Fe、およびNをドープしたカーボンナノチューブのORR電極触媒を合成した。このヘテロバイメタル触媒は、OからHOへの高い選択性を有する4電子還元を示した。酸性中での酸素還元および過酸化水素還元反応の速度論的分析を行った結果、Cu, Fe-Nドープ触媒は、OからHOへの直接4電子還元の速度定数が、電子還元の速度定数よりも桁も高いことが明らかになった。一方、OからHOへの変化に対して、Fe-Nドープ触媒は同程度の大きさを示し、異種金属の協同性がORRキネティックに劇的な影響を与えたことを示す結果が得られた。

Fe-N-C oxygen reduction reaction catalyst is a key materials in polymer electrolyte fuel cell. However, the many Fe-N-C electrocatalysts still suffer from product selectivity due to the production of HO as the byproduct. In this work, we synthesized an ORR electrocatalyst of Cu, Fe, and N-doped carbon nanotubes. This heterobimetallic catalyst showed the selective four electron reduction of O to HO. Kinetic analysis of the electrocatalytic ORR and hydrogen peroxide reduction reaction in acidic media revealed that Cu, Fe-N-doped catalyst showed two orders of magnitude higher rate constants for the direct four electron reduction of O to HO than those for the two electron reduction of O to HO, whereas a monometallic Fe-N-doped catalyst showed the same order of magnitude, indicating that the heterometallic cooperativity had a drastic impact on the ORR kinetics.