本研究では、固体高分子型燃料電池（PEFC）用窒素ドープカーボン触媒の酸素還元メカニズムの解明を基にした触媒の高性能化を目的として実験を行った。特に酸素還元反応（ORR）の律速過程の解明に着目して、メカニズム研究の知見を活かした触媒構造の設計を試みた。具体的には、カーボン触媒への疎水性の付与である。ピリジン型窒素が形成する活性点近傍を疎水性に保つことによって、局所 O2分圧が向上し、ORRの速度が向上するという仮説を実験によって明らかにすることに成功した。具体的には、ピリジニック窒素をドープしたグラフェンからなる疎水性の籠状構造を持つ新しい触媒 caged-NrGO (nitrogen-dopedreduced graphene) を調製した。籠状構造以外に化学的組成および構造が同じ親水性のNrGO を用いて疎水性の効果を明らかにした。主な結果を以下にまとめる。
1. caged-NrGO 触媒では、空気中および酸素中で、空隙中にO2を蓄えることができるが、NrGOではことを見出した。
2. NrGO 触媒ではTafel-slope が120 mV/dec であり、ORR の律速過程は O2吸着過程である。一方、caged-NrGO 触媒では、Tafel-slope が60 mV/decであり、空隙構造内での O2分圧の向上により O2吸着過程が促進し引き続く素過程が律速となったことが示された。
3. ハーフセルによる電気化学測定において、NrGO 触媒がPt/C 触媒と同等の活性および 耐久性を示した。また MEA においても caged-NrGO は高い性能を示し、実用 Pt/C 触媒の 7 割に迫る活性を示した。
これらの実験結果は、非白金の安価な実用燃料電池触媒の開発研究を著しく促進する意義がある。