燃料電池用の高性能鉄系触媒を中国の研究チームが開発(Chinese Scientists Develop High-Performance Iron Catalyst for Fuel Cells)

2025-08-26 中国科学院(CAS)

中国科学院プロセス工学研究所の王丹教授(現・深圳大学)と張鎖江教授らは、プラチナを使わない燃料電池用鉄系触媒「CS Fe/N-C」を開発した。従来のFe/N-C触媒は酸素反応中間体との結合が強すぎ反応性が低く、さらに過酸化水素による劣化が問題だった。研究チームは「内側活性化・外側保護」設計を持つホロ多層ナノ構造(HoMS)を構築し、内側に高密度の単原子FeN₄C₁₀活性点を配置、外側を窒素炭素層で保護した。これにより中間体の酸素との結合を弱め、副反応を抑制しつつ安定性を高めた。分光分析では活性の高い低スピン状態Feが多く存在することを確認し、計算でも外層による静電反発が性能向上に寄与することが示された。実際の燃料電池試験で過電位は0.34Vに低減し、最大出力密度0.75W/cm²を達成、303時間後も活性の86%を維持した。プラチナ代替触媒として高性能を実証し、今後の燃料電池材料開発に新指針を与える成果である。

燃料電池用の高性能鉄系触媒を中国の研究チームが開発(Chinese Scientists Develop High-Performance Iron Catalyst for Fuel Cells)
Construction of CS Fe/N-C (Image by ZHAO Yasong)

<関連情報>

曲面担体上の単原子Fe触媒による酸性酸素還元反応 Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports

Yasong Zhao,Jiawei Wan,Chongyi Ling,Yanlei Wang,Hongyan He,Nailiang Yang,Rui Wen,Qinghua Zhang,Lin Gu,Bolong Yang,Zhonghua Xiang,Chen Chen,Jinlan Wang,Xin Wang,Yucheng Wang,Huabing Tao,Xuning Li,Bin Liu,Suojiang Zhang & Dan Wang
Nature  Published:13 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6

Abstract

Developing highly active and durable electrocatalysts for cost-effective proton-exchange membrane fuel cells is challenging1,2,3. Fe/N–C catalysts are among the most promising alternatives to the platinum group metal catalysts, but their activity and durability still cannot meet the performance criteria due to the strong adsorption of oxygenated reaction intermediates and the demetallization of Fe species caused by the Fenton reaction4,5,6,7,8. Here we design and develop a new type of Fe/N–C catalyst that is composed of numerous nanoprotrusions dispersed on two-dimensional carbon layers with single Fe-atom sites primarily embedded within the inner curved surface of the nanoprotrusions. The graphitized outer carbon layer of the nanoprotrusions can not only effectively weaken the binding strength of the oxygenated reaction intermediates, but also reduce the hydroxyl radical production rate. As a result, the Fe/N–C catalyst delivers one of the best-performing platinum group metal-free proton-exchange membrane fuel cell performances, achieving a record high power density of 0.75 W cm−2 under 1.0 bar H2–air with 86% activity retention after more than 300 hours of continuous operation.

0402電気応用
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