Electronic effects of nitrogen atoms of supports on Pt-Ni rhombic dodecahedral nanoframes for oxygen reduction

酸素還元のためのPt-Ni菱形十二面体ナノフレームに対する担体の窒素原子の電子効果

加藤 優*; 中干場 亮太*; 小倉 和也*; 徳田 翔一*; 保田 諭   ; 東 晃太朗*; 宇留賀 朋哉*; 上村 洋平*; 八木 一三*

Kato, Masaru*; Nakahoshiba, Ryota*; Ogura, Kazuya*; Tokuda, Shoichi*; Yasuda, Satoshi; Higashi, Kotaro*; Uruga, Tomoya*; Uemura, Yohei*; Yagi, Ichizo*

Ptベースのナノ構造触媒の触媒活性に対する窒素ドープおよびポリマーコーティングされたカーボン担体の電子効果を理解するために、酸素還元反応(ORR)にポリベンゾイミダゾール(PBI)コーティングおよびコーティングされていないカーボンナノチューブ上に担持されたPtNiナノフレーム(NF)を調製した。それらの触媒活性および電子特性を、窒素ドープおよびドープされていないカーボン担体に固定化されたNFの触媒活性および電子特性を評価し比較検証した。PBIコーティングと窒素ドーピングは、共にNFの触媒活性を向上させることが分かったが、 X線光電子分光法と X線吸収分光法により、窒素ドーピングがNFに電子効果を示すのに対し、PBIコーティングはNFの電子状態にほとんど影響を与えないが、電気化学的条件下でPt(OH)種を安定化することが分かった。我々の研究は、触媒/担体界面における窒素原子の微視的環境の違いが、Ptベースの電極触媒に対する担体の電子効果に敏感であることを示したものである。

To understand electronic effects of nitrogen-doped and polymer-coated carbon supports on the catalytic activity of Pt-based nanostructured catalysts, we prepared PtNi nanoframes (NFs) supported on polybenzimidazole (PBI)-coated and uncoated carbon nanotubes for the oxygen reduction reaction (ORR), and then compared their catalytic activities and electronic properties with those of NFs immobilized on nitrogen-doped and undoped carbon supports. Although both PBI-coating and nitrogen-doping approaches improved the catalytic activity of NFs, X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy revealed that nitrogen doping showed electronic effects on NFs, whereas PBI-coating showed almost no impact on the electronic state of NFs but stabilized Pt(OH) species under electrochemical conditions. Our studies demonstrate that difference in microscopic environments of nitrogen atoms at the catalyst/support interface is highly sensitive to the electronic effects of supports on Pt-based electrocatalysts.