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動物の心臓由来のN-セルフドープ多孔質炭素を酸素の効率的還元のための電極触媒として利用した
N-self-doped porous carbon derived from animal-heart as an electrocatalyst for efficient reduction of oxygen.
PMID: 32679380 DOI: 10.1016/j.jcis.2020.06.113.
抄録
バイオマス由来の窒素セルフドープカーボンは、KOHを活性化試薬として用いた豚心臓の直接熱分解をベースとしたシンプルでグリーンなアプローチにより、700〜900℃に制御された温度で調製された。得られたサンプルは、比表面積が1718.84mgと高く、窒素含有率が3.03%と高く、相互に連結した多孔質構造を有しており、豊富な活性部位を露出させ、物質移動を促進することができた。電気化学的測定の結果、本触媒はアルカリ溶液中での酸素還元反応において、市販のPt/Cと同等の高い電気触媒活性を有していることが確認された。オンセット電位0.92V、半波電位0.80Vで700℃で炭化させた試料（PC-APHs-700）は、黒鉛とピリジン窒素の濃度が最も高く、PC-APHs-T試料の中で最も優れた性能を示しました。また、PC-APHs-700は、市販のPt/Cに比べて長期安定性が高く、メタノール耐性が高いことがわかった。本研究は、経済的で環境に優しい再生可能なバイオマスをベースとしたアルカリ性燃料電池用の有効なメタルフリー正極触媒として、付加価値のある炭素材料を開発し、利用するための有望なアプローチであることを示している。
Biomass-derived nitrogen-self-doped carbon was prepared by a simple and green approach based on the direct pyrolysis of pork heart using KOH as an activation reagent at controlled temperatures (700-900 °C). The obtained samples displayed a specific surface area up to 1718.84 m g, high content of nitrogen (3.03%) and interconnected porous structure, which is able to expose abundant active sites and promote mass transfer. Electrochemical measurements showed that our catalyst possessed a high electrocatalytic activity for oxygen reduction reaction in alkaline solution that is equivalent to that of commercial Pt/C. The sample carbonized at 700 °C (PC-APHs-700) with the onset potential of 0.92 V and half-wave potential of 0.80 V possessed the highest concentrations of graphite and pyridine nitrogen and exhibited the best performance among the PC-APHs-T samples. In addition, PC-APHs-700 had a higher long-term stability and stronger methanol tolerance than commercial Pt/C. This work demonstrates that it is a promising approach to develop and utilize carbon materials with added value as effective metal-free cathode catalysts for alkaline fuel cells based on economic and environmental friendly renewable biomass.
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