日本量子科学技术研究开发机构量子束科学部门高崎量子应用研究所的部长兼项目组长八卷彻也、高级研究员山本春也及合作研究员木全哲也、东京大学研究生院工学系研究科的特任研究员毛伟和名誉教授寺井隆幸，日本原子能研究开发机构的研究主任松村大树和下山岩等人组成的研究团队，通过在照射离子束的碳材料中持有铂的新方法，将固体高分子燃料电池（PEFC）的催化性能成功地提高了2倍以上。另外研究团队还发现，提高催化性能的机制与在碳材料中的缺陷结构与铂（Pt）微粒之间的相互作用有关。
图1：（a）向GC基板照射380keV氩离子并堆积Pt微粒。通过旋转电极法获得的ik与电位之间的关系。虚线表示Pt/未照射GC，3条实线表示Pt/照射GC的结果（样本名称后面的括号中的数字是每平方厘米照射的离子数量）。（b）在Pt/未照射GC和3个Pt/照射GC之间比较0.85V电位下的ik。（供图：量子科学技术研究开发机构）
按照过去的理论预测，在照射离子束的碳材料上吸附Pt微粒可以提高材料的氧化还原反应（ORR的活性。八卷部长介绍说：“最初半信半疑，但对于Pt微粒的尺寸和分散性未发现变化，所以我们估计可能是因为碳材料中导入的缺陷结构导致了电子结构的变化。在研究如何进行验证时，我们认为，通过同步辐射实验明确活性提高的原理是一条捷径。”
为此，研究团队利用随着碳材料的缺陷结构而增强的Pt-碳相互作用来操控Pt微粒的电子结构，尝试制作了高活性的ORR催化剂。缺陷结构的数量在每平方厘米1.0×1014个至1016个之间，通过照射的氩离子数量进行控制。含缺陷结构的玻碳（GC：玻璃状碳）基板上堆积的Pt微粒（Pt/照射GC）的ORR活性通过电化学法——旋转电极法进行了评估。
结果显示，在表示活性的Pt单位面积的电流与电位的关系中，以相同电位进行比较时的电流会随着GC基板的照射而增加。例如，以电位为0.85V时的电流来比较，随着照射的离子数量、即缺陷结构增加，电流会逐渐增加，与未照射基板上的Pt微粒（Pt/未照射GC）相比，最大提高至2.2倍左右。
研究团队目前还在开展耐久性相关的研究，目标是将ORR活性×耐久性的性能提高10倍以上。
八卷部长表示：“在同样由碳构成的金刚石中，原子空位等缺陷结构已被应用于量子传感器，作为量子技术的组成部分也备受关注。我们对利用缺陷结构的定位效果还有望应用于完全不含Pt的ORR催化剂开发。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review Materials
题目：Activity enhancement of platinum oxygen-reduction electrocatalysts using ion-beam induced defects
DOI：10.1103/PhysRevMaterials.00.005800
