セリウム強化型ハイエントロピー合金触媒の酸性媒体中酸素還元反応における安定性向上

ACS Publications (Chemistry of Materials) アメリカ

概要

プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）の酸素還元反応（ORR）触媒として期待される低白金高エントロピー合金（HEA）は、酸性条件下での安定性に課題がありました。この研究では、セリウム（Ce）をHEA格子内に組み込むことで、遷移金属の溶出と構造劣化を抑制する「内因性合金化戦略」を提案しています。セリウムの可逆的なCe3+/Ce4+レドックスペアが有害なラジカル種を除去し、触媒の安定性を大幅に向上させることを実証しました。この成果は、超低白金触媒の実現に向けた重要な一歩であり、燃料電池技術のコスト削減と性能向上に貢献します。

詳細

背景

プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）は、クリーンエネルギー技術として非常に有望ですが、その商用化には、カソードにおける酸素還元反応（ORR）の触媒の性能とコストが大きな課題となっています。特に、白金（Pt）ベースの触媒は高価であり、その使用量を削減しつつ性能を維持する研究が不可欠です。近年、複数の金属元素を同程度に含む高エントロピー合金（HEA）が、そのユニークな「カクテル効果」や「格子歪み効果」により、優れた触媒特性を示すことが報告されています。低白金HEA触媒は、白金の使用量を大幅に削減できる可能性を秘めていますが、強酸性環境下での遷移金属の溶出や構造の劣化が安定性の課題として浮上していました。

主要内容

本研究では、低白金HEA触媒の安定性向上に向け、セリウム（Ce）をHEA格子内に「内因性合金化元素」として組み込む革新的な戦略を提案し、その効果を詳細に分析しました。セリウムは通常、酸化物として添加されることが多いですが、HEAマトリックス内に直接合金化することで、従来の課題を克服しました。このCeを内包したHEAは、以下の二重のメカニズムにより触媒の安定性を強化します。

• Ce原子がHEAマトリックス内で安定化され、遷移金属原子の溶出を効果的に抑制します。これにより、触媒の構造的完全性が長期間にわたって維持されます。
• セリウムの可逆的なCe³⁺/Ce⁴⁺レドックスペアが、ORR反応中に発生する過酸化水素などの有害な活性酸素種（ラジカル）を効率的に捕捉し、除去します。これにより、触媒表面や近傍でのラジカルによる劣化が大幅に軽減されます。

このデュアル機能により、白金負荷が非常に低いにもかかわらず、従来のPt/C触媒と同等以上のORR活性と、酸性条件下での顕著な安定性向上を示しました。これにより、燃料電池の耐久性向上と貴金属使用量削減の両立が期待されます。

影響と展望

このセリウムを内因性合金化元素として利用する戦略は、超低白金HEA触媒の設計において画期的な進歩をもたらします。燃料電池のコスト削減に直結し、PEMFCの商用化と普及を加速する上で極めて重要です。将来的には、このコンセプトを他の電極触媒反応や、異なる高エントロピー材料系へと応用することで、クリーンエネルギー変換技術全体の進歩に貢献する可能性があります。ただし、この技術の実用化には、合成プロセスのスケールアップ、長期的な実環境下での耐久性評価、および最適な組成と構造のさらなる最適化が不可欠です。