単一原子触媒における近接基摂動因子による中間溶媒和殻の破壊と酸素還元能の向上

科学分野:

• 電気触媒
• 材料科学
• エネルギー変換

背景:

• 電気触媒性能は、活性部位の微小環境、特に水素結合ネットワークに大きく依存します。
• プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）では、カチオンの利用可能性（プロトンのみ）が限られているため、このネットワークの調整は困難です。
• 現在の戦略は、触媒の局所環境を無視して、活性部位の最適化に焦点を当てることがよくあります。

研究 の 目的:

• 単一原子触媒の微小環境を調整するための一般的な戦略を開発すること。
• 酸素還元反応（ORR）に対する触媒の電気触媒性能を向上させること。
• エンジニアリングされた触媒を使用して、PEMFCにおける安定性と効率を向上させること。

主な方法:

• Fe-N-C単原子触媒に近接するP-O基を組み込むことにより、「固定化分子摂動」を導入しました。
• 分光法と計算手法を用いて、エンジニアリングされた微小環境が^*OH中間体に及ぼす影響を確認しました。
• 0.5 m H2SO4中およびH2/O2 PEMFCセットアップ内で触媒性能をテストしました。

主要な成果:

• エンジニアリングされた微小環境は、^*OH中間体の溶媒和殻を選択的に弱め、脱離を促進しました。
• H2SO4中で0.861 Vという高い半波電位を達成し、PEMFC中で1024 mW cm⁻²というピーク電力密度を達成しました。
• 0.65 Vで253時間後の電流保持率72%という優れた安定性を示しました。

結論:

• 「固定化分子摂動」は、触媒の第二配位球をエンジニアリングすることにより、電気触媒を強化するための効果的な戦略です。
• このアプローチは、多くの非貴金属触媒を上回る、PEMFCにおけるORR性能と安定性を大幅に向上させます。
• 高度な電気触媒作用のために、活性中心の最適化から、意図的な局所微小環境エンジニアリングへと焦点を移行させます。