第一原理分子動力学法によるカーボンアロイ触媒

表面科学 Vol. 36, No. 7, pp. 345-350, 2015
研究紹介
第一原理分子動力学法によるカーボンアロイ触媒における
酸素還元反応機構
池田隆司 1・Zhufeng HOU 2・Guo-Liang CHAI 2・寺倉清之 2
日本原子力研究開発機構〠 679-5148 兵庫県佐用郡佐用町光都 1-1-1
2
東京工業大学〠 152-8552 東京都目黒区大岡山 2-12-1
1
（2015 年 1 月 28 日受付；2015 年 2 月 26 日掲載決定）
Mechanisms of Oxygen Reduction Reactions for Carbon Alloy Catalysts via First Principles
Molecular Dynamics
Takashi IKEDA 1, Zhufeng HOU 2, Guo-Liang CHAI 2 and Kiyoyuki TERAKURA 2
1
Japan Atomic Energy Agency, 1-1-1 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5148
2
Tokyo Institute of Technology, 2-12-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8552
(Received January 28, 2015 ; Accepted February 26, 2015)
Carbon alloy catalysts (CACs) are one of promising candidates for platinum-substitute cathode catalysts for polymer
electrolyte fuel cells. We have investigated possible mechanisms of oxygen reduction reactions (ORRs) for CACs via
first-principles-based molecular dynamics simulations. In this contribution, we review possible ORRs at likely catalytic
sites of CACs suggested from our simulations.
KEYWORDS : carbon alloy catalysts, fuel cells, oxygen reduction reactions, first principles molecular dynamics
1．は
じ
め
空気から取りこんだ酸素を正極で還元することで，化学
に
エネルギーを電気エネルギーに変換する。固体高分子膜
カーボンアロイ触媒（carbon alloy catalyst, CAC）は，
（電解質）を用いる PEFC の動作温度は 80℃程度であ
グラファイト状炭素に窒素やホウ素などのヘテロ原子を
り，正極での酸素還元反応（oxygen reduction reaction,
ドープすることによって触媒活性を付与したもので，近
ORR）が極めて遅いため反応を促進する触媒が必要と
年，白金触媒に代わる燃料電池の正極触媒として国内外
なる。ORR に限らず多くの反応の促進に触媒が使用さ
において活発に研究開発が行われている。現状の CAC
れているが，白金やパラジウム等の遷移金属が専ら用い
は，水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（polymer
られており，その触媒作用に d 軌道が重要な役割を担っ
electrolyte fuel cell, PEFC）の動作環境である酸性条件で
ていることが知られている。一方，CAC では，微量の
は白金触媒より性能が劣るが，独立行政法人新エネルギ
鉄を添加することで ORR 活性が向上するが，鉄を添加
ー・産業技術総合開発機構（New Energy and Industrial
しなくても触媒作用を示すことが確認されており，sp
Technology Development Organization, NEDO）の策定し
軌道しかもたない炭素を骨格にもつ CAC での触媒作用
た PEFC ロードマップで本格普及期と位置付けられて
の発現機構に興味がもたれている。
1)
いる 2020 年代には実用化されることが期待されている。
我々は 2007 年から NEDO プロジェクトにおいて第一
水素を燃料とする PEFC では，水素を負極で酸化し，
原理分子動力学（first principles molecular dynamics,
第
回表面科学学術講演会（
にて発表
年
月
日∼ 日）
FPMD）に基づいたシミュレーションにより CAC にお
ける酸素還元反応機構の解明を目指した研究開発を行っ
てきた。本稿ではその成果の一部を紹介する 2)。なお，

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