东京工业大学物质理工学院材料系的难波江裕太助教和早川晃镜教授等人组成的研究团队，与熊本大学的大山顺也副教授、静冈大学的守谷诚讲师和旭化成公司共同开发出了有助于燃料电池实现脱铂的新物质。
(a)Schematic image of 14-membered macrocyclic Fe complex inspired from FeN4 center in graphene and (b) the developed catalyst powder（供图：东京工业大学）
燃料电池车配备通过使氢和氧发生化学反应生成电力的燃料电池，发电时不排放温室气体。不过，目前的市售车每辆车的燃料电池要采用20～30克昂贵的稀有金属铂作为催化剂，阻碍了燃料电池车的普及。作为替代催化剂，此前研究过在廉价的铁周围结合配体酞菁的环状化合物——铁酞菁等多种金属络合物，但在燃料电池工作的酸性电解质中，金属络合物的稳定性无法达到实用水平。
研究团队研究了是否有办法在提高稳定性的同时，利用合成化学大量形成与铁基热处理型催化剂的活性位点高度相似的结构。铁酞菁等大环状络合物无需高温热处理即可大量合成。已知的大环状络合物大部分都是通过周围环绕着十六元环的16个原子固定铁原子的。
此次，研究团队的目标是制作由14个原子固定铁原子、结构比十六元环络合物小一圈的芳香族十四元环铁络合物。从制备十四元环铁络合物及验证催化活性和稳定性的思路出发，研究了新的十四元环铁络合物合成法，由此首次以高纯度获得了这种络合物。
研究团队利用电位扫描试验评估新制备的催化剂的氧还原催化活性发现，与铁酞菁相比具有更优异的催化活性和耐久性。为确认其在酸性电解质中的耐久性，实施了追踪铁离子的洗脱行为的实时分析，发现十四元环结构可以像预期那样稳定铁原子。
难波江助教表示：“为全面普及固体高分子燃料电池，铁基催化剂作为铂替代催化剂备受关注，但无论是催化活性还是耐久性一直都没有达到实用水平。今后的目标是，通过优化十四元环的周边结构，将催化活性提高至目前的30倍左右，以使铂替代催化剂实现实用化”。
【名词解释】
铁酞菁：在颜料等使用的环状化合物酞菁的中心导入铁原子的化合物。
大环状络合物：金属络合物中配体部分呈环状结构且相对比较大的络合物。以酞菁和卟啉为配体的络合物是典型的大环状络合物。
【论文信息】
Junya Ohyama, Makoto Moriya, Ryo Takahama, Kazuki Kamoi, Shin Kawashima, Ryoichi Kojima, Teruaki Hayakawa, and Yuta Nabae: High Durability of a 14-Membered Hexaaza Macrocyclic Fe Complex for an Acidic Oxygen Reduction Reaction Revealed by In Situ XAS Analysis, JACS Au 2021, 1, 10, 1798–1804
URL：pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.1c00309
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
