日本东北大学的阿部博弥助教、薮浩副教授和末永智一教授与北海道大学的松尾保孝教授及日本电气通信大学的中村淳教授的研究小组，利用非常简单的工艺成功制作了高活性氧还原催化电极。
燃料电池和金属空气电池等作为取代锂离子电池的新一代电池备受期待，这些电池的正极（空气极）可以通过在电极上发生氧还原反应来提取能量。由于氧还原反应难以进行，作为促进反应的催化剂，一直使用加载了铂的碳催化剂，为了取代价格昂贵且资源有限的铂，需要开发廉价的催化电极材料。
本次研究发现，通过以单分子形式在碳材料表面修饰铁酞菁基有机金属络合物，能实现活性非常高的氧还原反应特性。由于这种催化剂分子是铁基有机金属络合物，属于无资源限制的廉价非铂催化剂。同时，研究小组还结合理论计算，从理论上成功解释了高活性化原理。
本次研究发现的高活性氧还原反应催化电极通过使燃料电池和金属空气电池不再使用铂，有望为这些能源产品的普及做出贡献。
图：（a）在碳材料表面进行了分子修饰的催化剂的模式图以及（b）此次发现的催化电极的氧还原性能与碳/铂碳催化剂的比较
1. 研究背景
燃料电池和金属空气电池等的能量密度比较高，因此作为取代锂离子电池的新一代电池备受期待。这些电池的正极（空气极）可以通过在电极上发生氧还原反应来提取能量。由于氧还原反应难以进行，作为促进反应的催化剂，一直使用加载铂的碳催化剂。但铂价格昂贵且资源有限，因此全球都在开发取代铂的廉价催化电极材料。
例如，通过在惰性气体下高温烧制包含催化剂活性位点——金属离子和金属纳米颗粒的碳材料，可以制作名为碳合金的非铂金属碳催化电极。不过，制作碳合金需要在惰性气体下采用高温工艺以及实施去除非催化剂活性物质的酸处理等，工艺成本存在课题。因此，需要开发一种能简单制作高活性催化电极的新方法。
2. 内容与成果
作为氧还原反应的催化剂活性位点，该研究小组着眼于颜料等使用的铁酞菁基有机金属络合物（图1a及1b）。这种催化剂分子的结构与自然界存在的血红蛋白和细胞色素c中含有的血红素类似，中心的铁原子发挥催化剂活性位点的作用。研究小组发现，通过以单分子形式在碳材料表面修饰这种有机金属络合物，能获得活性非常高的氧还原反应特性。该催化剂分子为铁基有机金属络合物，因此有望作为廉价的非铂催化剂使用。
图1：本次研究使用的铁基有机金属络合物（a）铁酞菁、（b）铁氮酞菁、（c）在碳材料表面进行分子级修饰的催化剂的模式图
另外，修饰催化剂分子的工艺无需烧制，可以全部利用湿法工艺制作，有望大幅削减工艺成本（图2）。此外，研究小组发现，通过采用铁氮酞菁，能进一步提高活性，可实现高于铂的催化活性（图3）。不仅如此，还发现获得的催化电极与铂碳催化剂相比耐久性更高，而且拥有甲醇耐性。同时，研究小组还结合理论计算，对这种高活性化成功进行了理论解析。
图2：催化剂修饰碳的制作方法
图3：通过电化学测量获得的催化剂活性的结果。（黑色虚线）未修饰催化剂分子的碳电极、（黑色实线）铂碳催化剂、（红色实线）本次研究制作的新催化剂。
本次研究获得的高活性催化剂无需烧制工艺，能利用相对比较廉价的分子催化剂制作，因此作为取代铂的催化剂，有望为燃料电池和金属空气电池等降低成本做出巨大贡献。
【论文信息】
题目 Fe Azaphthalocyanine Unimolecular Layers （Fe AzULs） on Carbon Nanotubes for Realizing Highly Active Oxygen Reduction Reaction （ORR） Catalytic Electrodes
期刊NPG Asia Materials
DOI 10.1038/s41427-019-0154-6
文：JST客观日本编辑部翻译整理
