量子科学技術でつくる未来 未来のクルマ
第２回 ＦＣＶ普及、コストがカギ
水素エネルギーはカーボンニュートラル実現の切り札の一つだ。水素を使う燃料電池車（ＦＣＶ）の普及拡大には、搭載する固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）のコスト低減が不可欠であり、そのカギを握るのがＰＥＦＣ酸素極の酸素還元反応（ＯＲＲ）触媒という材料だ。量子科学技術研究開発機構（ＱＳＴ）では、量子ビームの一つであるイオンビームを照射した炭素材料に貴金属である白金（Ｐｔ）を保持させる新手法を開発し、その性能を2倍以上向上させることに成功した。
現在のＯＲＲ触媒には、Ｐｔ微粒子を炭素材料に保持させた「Ｐｔ微粒子／炭素材料」が大量に必要なため、ＰＥＦＣのコストは依然として高く、ＦＣＶの市場普及がなかなか進まない。Ｐｔ使用量を削減してコストを低減するには、ＯＲＲ活性と耐久性の向上が技術課題と言われている。
私たちは、Ｐｔ微粒子と炭素材料との界面で発現するＰｔ－炭素間の相互作用に着目し、炭素材料側からＰt微粒子の電子構造を制御すれば、この課題を克服できると考えた。そこでＱＳＴのイオン照射研究施設（ＴＩＡＲＡ）を用いて炭素材料に欠陥構造を導入し、その上にＰｔ微粒子を形成させるという新しい触媒作製法を試みた。欠陥構造がＰｔ－炭素相互作用を強めるのならば、その量を増やすことでＯＲＲ活性は向上するかもしれない。長年の蓄積がある照射効果の知見を基に、照射するイオン数を調整し、欠陥構造の量を変化させた。
この予想は的中した。照射イオン数、すなわち欠陥構造の増加に伴い、ＯＲＲ活性は向上し、欠陥構造を導入していない従来触媒と比較して約２・２倍にまで高めることができた。放射光実験と理論計算により、高活性化のメカニズムがＰｔ微粒子から炭素材料への電荷移動に伴う界面相互作用に起因したＰｔの酸化抑制にあることも突き止めた。
現在、並行して耐久性に関する研究も行っており、ＯＲＲ活性×耐久性の指標で１０倍の性能向上を目指している。
同じ炭素からなるダイヤモンドでは、原子空孔のような欠陥構造が量子センサーに応用されている。欠陥構造の持つ局在性の効果は、Ｐｔを全く含まないＯＲＲ触媒の開発にも活用できるのでは、という期待を抱かせる。（木曜日に掲載）
執筆者略歴
量子科学技術研究開発機構（QST）
量子ビーム科学部門 研究企画部長
（併任）高崎量子応用研究所
プロジェクト「先進触媒研究」リーダー
八巻 徹也（やまき・てつや）
専門分野は量子ビーム材料科学。ガンマ線、電子線、イオンビーム、中性子線、放射光Ｘ線などを用いて、電極触媒から高分子電解質膜まで広く環境・エネルギー材料の研究に従事。博士（工学）。
本記事は、日刊工業新聞 2022年6月23日号に掲載されました。
■日刊工業新聞 量子科学技術でつくる未来（50）未来のクルマ ＦＣＶ普及、コストがカギ（2022/6/23 科学技術・大学）