利用清洁能源氢气的氢燃料电池已经开始投入使用。但是，在现有技术中，氢燃料电池使用高价且稀有的铂作为催化剂。从长远来看，为了广泛普及氢燃料电池，有必要开发一种不使用铂的催化剂。
近年来，仅由碳和氮构成的氮掺杂碳催化剂作为铂的替代催化剂备受关注，但在作为实际使用条件的酸性环境下，尚存在活性显著降低的难题。然而，由于催化反应的过程复杂，因此活性降低的机理一直未得到阐明。
研究小组通过使用具有均一结构的模型催化剂，阐明了氮掺杂碳催化剂反应的初始过程以及在酸性环境下活性降低的机理。
在氮掺杂碳催化剂中，活性位点是被称为吡啶型氮的部位，在该部位，两个碳原子键合至氮原子。研究小组发现，该吡啶型氮以质子吸附的吡啶鎓形式存在于酸性溶液中，当通过施加电压使反应进行时，会同时引起作为热反应的氧成分吸附和作为电化学反应的吡啶鎓还原反应，从而产生催化反应。为了提高催化活性，有必要使该反应在较高的电位下进行。研究小组还发现增强活性位点附近的疏水性是有效的。
研究背景
固体高分子燃料电池注1）对于低碳社会来说，是能源供给源的关键设备。在现有的固体高分子燃料电池中，使用铂作为正极的催化剂材料，但铂价格昂贵（2020年约为3800日元（约236.8元）/g），而且在地球上的储量有限，因此为了广泛普及并持续使用燃料电池，必须开发一种不使用铂的催化剂。而氮掺杂碳催化剂拥有丰富的原料，耐久性高，而且在碱性溶液中表现出与铂催化剂同等或以上的活性，因此其作为铂的替代催化剂备受关注。但是，在作为实际使用条件的酸性环境下，存在活性显著降低的课题。由于氮掺杂碳催化剂的反应机理的复杂性，因此这种活性降低的机理一直未得到阐明。
本研究小组于2016年发现，氮掺杂碳催化剂的活性位点由吡啶型氮构成。此外，在本次研究中，还明确了吡啶型氮在催化反应中的作用，成功为提高酸性环境下的催化活性提供了方向。