氏    名  韋   萍 潔 (ウェイ ピンジー)

学位論文題目  Development of Non-precious Metal/Conductive Polymer/Carbon
        Nanotube Composite Catalysts for the Oxygen Reduction
        Reaction of Fuel Cell
        (燃料電池用非白金系酸素カソード極触媒の開発と高性能化に関する
        研究)

論文内容の要旨

 燃料電池は,高効率でクリーンなエネルギー変換システムであり,次世代電源として注目されている。中でも,現状で最も利用度の高い固体高分子形燃料電池(PEFC)においては,その心臓部を構成する酸素還元カソード極/電解質界面特性の向上のために,多量の白金触媒が用いられており,資源・経済性の両面よりその実用化を阻む大きな障壁となっている。そのため,PEFCの実用化に向けて高い酸素還元触媒性能と安定性を備えた非白金系電極触媒の開発が必須課題となる。
 カーボンナノチューブ(CNT)は,炭素材料の中でも化学的安定性・耐腐食性,機械的強度等に優れており,現状の白金系触媒の使用環境で生起する様々な性能劣化の問題点を克服できる可能性をもつ有望な素材である。
 本研究では,高純度化されたCNTに触媒活性を賦与し,CNT自身の酸素還元に対する特性を向上させ,これを用いたより高活性な非白金系カソードの開発を目的とした。具体的には,高純度化,化学修飾した単層CNTと金属ナノ粒子/導電性高分子とのコンポジット化を図り,化学的に構造制御された燃料電池用酸素カソード極の開発と高性能化を目指した。
 第1章は,本論文の緒言であり,研究の背景と目的および本論文の概要について述べた。
 第2章では,高純度化し,化学修飾した単層CNTの酸素還元反応特性を調べた。CNTを用いた電極の特性は,高純度化方法,分散液の調製法,化学修飾による化学的状態に大きく依存した。
 第3章では,ポリピロール(PPy)/CNTコンポジット電極を調製し,複素インピーダンス法による反応機構の等価回路解析を行い,回転電極法により酸素還元反応動特性を決定した。この時,このコンポジット電極は,PPyあるいはCNT単体のみでは得られない酸素還元特性を示し,PPy/CNT間のsynergy effect存在の影響が示唆された。ラマン,XRD,DRC-TG,FE-SEMを駆使しsynergy effectを発現機構を詳細に検討し,その反応特性への効果について解明した。
 第4章では,より高性能な酸素カソード触媒設計のための金属ナノ粒子(Me)/導電性高分子(PPy,PANi (ポリアニリン))/CNTナノコンポジットを合成した。金属ナノ粒子をPPy/CNTにコンポジット化した電極系は,高性能な酸素還元の触媒を示し,反応過電圧の減少,特性に悪影響を与える過酸化水素の分解能力をも向上させることができた。活性サイトの電気化学的有効面積,反応活性化電流,反応電子数を決定することにも成功し,C-N-Me間で誘起されたsynergy effectを持つカーボンアロイ活性サイトの形成によるコンポジットは,電極の高性能化と高電流密度化に有効で,電極設計に有効な一指針を与えるものである。
 第5章では,高機能化されたCNTナノコンポジット電極触媒を新規に合成したポリベンズイミダゾール(PBI)電解質膜に適用し,中温域で作動する固体高分子形H2-O2燃料電池への応用を行った。
 第6章では,本論文で得られた結論の総括を行った。

論文審査結果の要旨

 燃料電池は,高効率でクリーンな次世代電源として注目されている。しかし,応用性・利用度の最も高い固体高分子形燃料電池(PEFC)は,その心臓部を構成する酸素還元カソード極の特性向上のために多量の白金系触媒が用いられており,資源・経済性の両面よりその実用化を阻む大きな障壁となっている。そのため,PEFCの高性能化,実用化に向けて高い酸素還元触媒性能と安定性を備えた非白金系電極触媒の開発が必須となる。
 本論文は,PEFCの電極触媒に生起する様々な問題点を克服できる可能性をもつカーボンナノチューブ(CNT)を高純度化・化学修飾することによりCNT自身に酸素還元に対する触媒活性を賦与し,これと金属ナノ粒子(Me)/導電性高分子とのコンポジット化による化学的に構造制御された燃料電池用酸素カソード極の開発と高性能化を目的として研究を実施している。
 最初に,CNTの高純度化法,分散液の調製法および化学修飾による化学的状態の制御法を確立し,最適処理されたCNTを導電性高分子(ポリピロール(PPy))とのコンポジット電極調製に供している。複素インピーダンス法による反応機構の等価回路解析を行い,回転電極法により酸素還元反応動特性を決定した。このとき,試験コンポジット電極は,PPyあるいはCNTのみでは得られない酸素還元特性を示し,PPy/CNT間のsynergy effectの存在を示唆した。その発現機構と触媒反応活性への影響について,ラマン,XRD,DRC-TG,FE-SEMを駆使して詳細に検討しこれを解明した。次に,これらの結果に基づき,より安定で高性能な酸素カソード触媒設計のため,電解質イオノマーを活用した新規なMe/導電性高分子(PPy,PAN(ポリアニリン))/CNTナノコンポジット電極系に着手し研究を発展させている。反応過電圧の減少,特性に悪影響を与える過酸化水素の分解能力の向上および直接4電子還元反応をもたらす高性能な電解質イオノマー支援Me/PPy/CNTコンポジット電極触媒を開発した。活性サイトの電気化学的有効面積,反応活性化電流,反応電子数を決定し,C-N-Me間で形成された活性サイトに誘起されるsynergy effectを持つコンポジット電極は,電極の高性能化と高電流密度化をもたらし,電極設計に有効な一指針を与えることを実証している。最後に,現状のパーフルオロ酸系電解質膜FCでは不可欠な加湿システムを不要にし非白金系触媒の積極的な利用を可能にするポリベンズイミダゾール(PBI)系電解質膜を調製し,これと開発した高性能化Me/PPy/CNTナノコンポジット電極触媒で電解質膜/電極接合体(MEA)を構築し,中温域で作動する固体高分子形H2-O2燃料電池への適用・評価を行っている。
 以上,本論文は,高性能な燃料電池開発において必須となる有効な非白金系酸素カソード極触媒を開発し,その作用機構を解明したものであり,学術的,実用的に電気化学,燃料電池開発の分野に寄与するところ大で高く評価されるものである。よって,本論文は博士(工学)の学位を授与される資格があるものと認める。