摘 要：金属磷化物对分解氢具有高催化性能，其导电导热性优异，且熔点高、热稳定性强，因此本研究中，讨论了其在中温工作型燃料电池中用作燃料极的可能性。首先，对Ni、Mo、W、Fe和Co的磷化物进行了研究，发现Mo和W作为电极催化剂的活性较高，电化学活性的单位表面积反应量（电流值）超过了Pt催化剂；随后，通过与碳材料混合，使电极催化剂分散，成功降低了电极内的气体扩散电阻。在220℃下以氢为燃料成功发电，证明了即使含有1%的CO杂质气体，性能也不会下降，可以正常发电。
关键字：燃料电池、电极催化剂、金属磷化物、磷酸盐电解质、无机含氧酸盐
1、研究背景
金属磷化物作为氢化脱硫[1]、氢化脱硝[2]和氢化脱氧[3]催化剂，表现出高选择性和活性，在世界范围内都在广泛开展研究[4]。研究人员致力于通过氢化脱氧反应改善生物油的研究[5]。在这些反应中，解离氢分子、解离S原子与N原子、O原子与碳结合的催化作用是必需的，而磷化物具有氢解离能力。除了具有这样的催化性能，磷化物还具有金属和陶瓷的特性，即导电和导热特性良好，并且具有很强的化学和热稳定性[4]。
基于这样的催化性能和物理性质，研究人员提出了将金属磷化物用作燃料电池燃料极材料的构想。曾有研究将磷化物用于燃料极[6]，在以甲酸为直接燃料的燃料电池中将负载Pd的Ni2P/C作为燃料极，通过负载Pd提高了发电性能，但是考虑到在30℃的低温下Ni2P/C的催化性能很低，Ni2P的作用不明确。
另一方面，不同于研究人员将磷化物用作燃料极的构想，近年来许多研究将其作为燃料电池的逆反应——水电解制氢电极[7,8]。虽说是逆反应，这些报告中显示金属磷化物可以形成电化学活跃的反应位点，另外还报告了在硫酸中可以稳定地完成对电极活性表面积的测定，由此表明金属磷化物即使在酸性电解质中也可以作为电极催化剂进行使用[7]。
2、研究目的
本研究的目的是将金属磷化物应用于燃料电池的燃料极，开发新型电极催化剂。金属磷化物此前被作为脱硫、脱硝、脱氧催化剂进行研究。在催化剂研究中发现，金属磷化物显示出与金属同等的导电性，具有解离氢和碳-碳键的功能。这些特性满足了燃料电池电极所需的条件；而且作为脱硫催化剂，在包括硫化氢等含硫化合物存在的气氛中也显示出氢离解及氢化活性，因此将来有望应用于生物气和煤气化气体的发电中。本研究揭示了金属磷化物作为燃料电池电极催化剂的特性，明确了提高性能的方针，旨在设计和开发出能够适应未来燃料电池燃料多样化的新型燃料极。
3、研究方法
如上所述，金属磷化物具有作为电极催化剂的可能性。但是，到目前为止所研究的温度都是在室温附近，特别是在燃料电池发电中，磷化物催化剂的催化性能并没有得到充分发挥。于是在本研究中，研究人员不断进行研究，通过使用固体磷酸盐电解质[9,10]，对在200℃以上的磷化物电极催化剂的特性进行评价，分析电极反应过程并对电极多孔结构进行优化，旨在证实金属磷化物作为电极催化剂的可能性。
在本研究中，采用了一系列金属磷化物作为燃料电池的燃料极催化剂，探究了其基本的电化学特性和作为电极催化剂的可能性。首先，进行金属磷化物的制备和电化学特性及物理性质的评价。对于作为燃料极电极催化剂的磷化物中的金属元素，研究人员选择了Ni、Co、Fe、W、Mo，制备了这些金属的磷化物。这些元素作为脱硫催化剂的研究报告有很多，本研究的研究人员也具有丰富的制备经验。
起始原料使用了作为目标金属元素的硝酸盐，以及用于磷化处理的磷酸、磷酸氢铵、亚磷酸。对于电化学特性，研究人员采用循环伏安法（CV）评价了具有电化学活性的电极表面积，通过氮吸附和氢吸附评价了催化剂表面积。此外，还利用氢升温还原法评价了氧化还原特性及稳定性。其次，为实现磷化物催化剂的高表面积化，研究了碳负载金属磷化物的制备，