Energy Conversion

Breakthrough Energy Conversion Device with “Single-Atom Catalyst”

Noble metal-based catalysts loaded on conductive support are gold standards for catalytic processes at the heart of electrochemical material conversion devices. Supported metal catalysts are often most effectively utilized when the metal is dispersed as extremely small particles - and in the limit as isolated metal atoms. Reaction pathways on isolated metal atoms can differ from those favored on metal nanoparticles.

Our group explores synthetic approaches for creating supported single-atom catalysts, site-specific techniques to characterize their structure, and operando analysis to understand reaction pathways. One of the goals of this research is to understand how metal atoms and few-atom metal clusters catalyze specific electrochemical reactions. Furthermore, we aim to establish the strategies to tune their reactivity through metal-support interactions to enable unique catalytic activity for high-efficient energy conversion devices. These experiments fit together to make a breakthrough in electrocatalysis to address critical energy problems across the globe.

　燃料電池を代表とする電気化学的エネルギー変換デバイスは、カルノー効率に支配されないため、優れた総合効率を実現可能なポテンシャルがあります。一方で、既存の燃料電池に一般的に用いられるPtをベースとした貴金属合金触媒の活性は未だ理想的な値からは遠く、またその材料コストが高い点も課題としてあげられます。

　我々のグループでは、既存のナノスケールPt触媒のさらなるダウンサイジング化というアプローチに着目し、Ptのサブナノ化、さらに究極的にはシングルアトム化による革新的な燃料電池の開発に挑戦します。サブナノ粒子やシングルアトム金属は様々な触媒反応に特異な高活性を示すことが知られていますが、高い表面エネルギーゆえに凝集の問題を避けることは困難と言われていました。そこで我々は、「ホストーゲスト交互積層体」が持つ二次元ナノ空間へサブナノ粒子やシングルアトム金属を収容し、凝集を物理的に抑制することで、その解決を試みます。これらの検討により触媒をダウンサイジング化することで、飛躍的に原子利用効率が向上するうえ、特異な金属原子の配位数の実現や電子準位の精密制御による前例のない比活性の実現が期待されます。これらの革新的なシングルアトム触媒の設計指針と大量合成法を確立させ、極めて低コストかつ高効率な革新的燃料電池システムを創出し、エネルギー変換反応の革新に貢献します。