炭素触媒：活性部位が見つかった

プロトン交換膜燃料電池の核心である酸素還元反応（ORR）を含む、さまざまな重要な化学反応の有望な電極触媒として、窒素をドープしたナノ構造体が浮上してきている。しかし、こうしたORR触媒の活性部位の正確な性質がよく分かっていないため、高性能材料の設計が制限されている。特に、ピリジン型窒素（窒素が炭素原子2つと結合している）とグラファイト型窒素（窒素が炭素原子3つと結合している）のどちらが活性部位になっているかが論争になっている。筑波大学の中村潤児と近藤剛弘たちは今回、グラファイトベースの一連のモデル触媒を用いて、ピリジン型窒素が重要な窒素種であることを見いだしている。

中村と近藤たちは、さまざまなピリジン型窒素濃度とグラファイト型窒素濃度のグラファイト触媒のORR性能を調べ、X線光電子分光法（XPS）を用いて化学組成を調べた。その結果、触媒のORR活性がピリジン型窒素の濃度に依存することが分かった。反応後のXPS実験と、二酸化炭素の吸着測定を組み合わせて、ピリジン型窒素の隣にある炭素原子が活性部位であることが、最終的に示された。この活性部位には、ルイス塩基性があり、ORRの最初の段階である酸素吸着ができる。窒素をドープしたグラフェンナノシート触媒では、触媒活性とピリジン型窒素濃度の関係が保たれることも分かった。