固体氧化物型燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell：SOFC）作为可持续利用的家用电源备受关注。含钴氧化物作为电极材料，可使SOFC的发电特性能显著提高，但此前一直不清楚钴氧化物为何具备如此优异的电极特性。
日本东北大学研究生院工学研究科博士三年级的户村勇登与高村仁教授等人组成的研究团队，开发出了可简单快速测量氧化物表面的催化活性的新型脉冲同位素交换法，发现钴氧化物表面形成的巨大钴离子簇会促进氧气的吸附和解离反应。这项成果为SOFC的空气侧电极提供了新的材料设计指南，氧气吸附和解离反应至关重要的空气二次电池的开发也有望取得新进展。
图1：钴氧化物表面的氧气吸附和解离反应的模式图
【研究内容】
目前，固体氧化物型燃料电池已作为ENE-FARM type S实现实用化，为实现氢能源社会贡献了力量。要想进一步推进SOFC的普及，需要提高电极材料的性能和可靠性，并降低工作温度（目前约为750℃）。其关键在于吸附和解离空气中的氧并使其实现离子化的正极（阴极）材料。作为正极材料，已经知道含有钴的氧化物、比如La-Sr-Co基氧化物和Ba-Sr-Co-Fe基氧化物等具备优异的特性。
另外，最近有研究显示，在这些氧化物中结合Co3O4能进一步提高发电特性，钴作为能提高正极材料特性的“魔法元素”备受关注。不过，在SOFC工作的高温区域，关于钴氧化物的氧气吸附和解离催化活性还有很多不明之处，相关知识比较少。
该研究团队开发了能简单快速测量氧化物表面的催化活性的新型脉冲同位素交换法，成功测量了含有钴的各种氧化物表面的氧气吸附和解离反应速度。由此确认，含有钴的氧化物无论其晶体结构如何，反应速度都会以一定的钴浓度为阈值急剧增加（图 2）。
这种现象可以理解为钴离子在氧化物表面的渗透现象，蒙特卡罗模拟显示，钴浓度达到具有较高的氧气吸附和解离反应速度的水平以上时，会形成巨大的钴离子簇（图2的红色部分）。
图2：钴氧化物的氧气吸附和解离反应速度对钴含量的依赖性。ρ达到0.55左右时，氧气吸附和解离反应速度急剧增加，与渗流理论完全一致。图中用红色表示了ρ为0.5和0.594时存在的最大钴离子簇。
【未来展望】
形成巨大的钴离子簇会显著促进氧化物表面的氧气吸附和解离反应，这种效应为SOFC正极材料的开发提供了新的材料设计指南。也就是说，对于含有高浓度的钴、氧气吸附和解离催化活性比较高的氧化物，使其与负责离子化和吸收的氧化物分别承担不同的功能，进行合理配置，便有望开发出充分利用二者优点的高性能电极。
此外，氧气的吸附和解离反应在空气二次电池的电极材料中也是重要课题，此次的成果对该领域也可能产生波及效应。另外，此次开发的新型脉冲同位素交换法可以利用数10mg的粉末样本快速评估其催化活性，因此还能用来调查纳米颗粒等微量且具有特殊形态的材料的氧气吸附和解离反应速度。
论文信息
题目：Catalytic activity for dissociative oxygen adsorption of Co-based oxides at high temperatureevaluated by a modified pulse isotopic exchange technique
期刊：Journal of Materials Chemistry A
DOI：10.1039/D0TA04747C
URL：pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TA/D0TA04747C
文：JST客观日本编辑部
