JP2004087426A - Conductive polymer-alloy cluster conjugate electrode and its manufacturing method - Google Patents

Conductive polymer-alloy cluster conjugate electrode and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2004087426A
JP2004087426A JP2002250240A JP2002250240A JP2004087426A JP 2004087426 A JP2004087426 A JP 2004087426A JP 2002250240 A JP2002250240 A JP 2002250240A JP 2002250240 A JP2002250240 A JP 2002250240A JP 2004087426 A JP2004087426 A JP 2004087426A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
group
conductive polymer
alloy
metal
metal complex
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002250240A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Sanshiro Komiya
小宮 三四郎
Masafumi Hirano
平野 雅文
Naoko Awazu
粟津 直子
Nobuyuki Komine
小峰 伸之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Showa Denko Materials Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Chemical Co Ltd filed Critical Hitachi Chemical Co Ltd
Priority to JP2002250240A priority Critical patent/JP2004087426A/en
Publication of JP2004087426A publication Critical patent/JP2004087426A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electroconductive polymer-alloy cluster conjugate electrode for a solid polymer fuel cell in which nanoscale alloy particulates are homogeneously dispersed in an electroconductive polymer without causing agglomeration. <P>SOLUTION: This electroconductive polymer-alloy cluster conjugate electrode is constituted such that a metal complex containing a metal complex (A) expressed by the following formula 1 (in the formula, R is a methyl group or the like, X is a triphenylsiloxo group or the like, and M is platinum or palladium), and a metal complex (B) having one or more organic ligands selected from 1,5-cyclooctadiene, 1,3,5-cyclooctatriene or the like (however, a metal element is a different metal from the M) is made to contact hydrogen and to be reduced, and the obtained particulates are made to be homogeneously dispersed in the conductive polymer. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性高分子中に100nm以下の合金微粒子を分散させた導電性高分子−合金クラスタ複合体電極およびその製造方法に関する。より詳細には、電極、燃料電池用触媒またはセンサとして応用可能な、金属錯体を還元することによって得られる合金微粒子を導電性高分子中に均一に分散させた導電性高分子−合金クラスタ複合体電極、またはこの複合体を導電体に担持させた導電性高分子−合金クラスタ複合体電極およびそれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
高分子中に均一に分散した金属微粒子を得る他の方法として、特許2611888号公報、特許第2521638号公報には、熱処理や脱溶媒等の方法により不安定な高分子層を形成した結晶性高分子フィルム表面に金属蒸着膜を形成し、フィルムを熱安定化させることにより、金属を微細化させて高分子中に均一に分散する方法が開示されている。また特開平10−273774号公報には、特定の官能基を持つ高分子あるいはオリゴマーに金属を蒸着させ、その後加熱することにより、金属微粒子を分散させる方法、さらには、特公平8−16177号公報には、貴金属錯体をモノマーに溶解した後、重合・固化することにより金属−高分子分散物を得る方法が開示されている。
【0003】
これらの方法は、金属微粒子の分散濃度を高めることが困難であるという問題に加え、重合条件、還元条件等により起こる金属微粒子の凝集化の回避や特定の官能基を有する高分子の使用に制限される等の問題を有していた。
【0004】
一方近年、燃料電池が注目されており、とりわけ固体高分子型燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池は、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解型燃料電池に比較して、低温で作動でき、エネルギ密度が高い。このため、移動用電源および小容量電源に適していることから、燃料電池ハイブリッド車輌用電源として有望と考えられている。
【0005】
固体高分子型燃料電池は、水素またはメタノール、天然ガス等の炭化水素を燃料とし、電解質としてパーフルオロスルフォン酸膜に代表される高分子製イオン交換膜を使用し、このイオン交換膜の両面にアノード電極とカソード電極を接合して、アノードに水素、カソードに酸素を供給して電気化学反応を起こして発電する装置である。電極は、電子伝導体、触媒物質およびプロトン伝導体から構成されている。触媒物質としては、活性金属であるゼロ価の白金または白金−ルテニウム合金が使用されており、これらの触媒物質は、電子伝導体としてのカーボン粒子に担持されている。またイオン交換膜と同じ高分子が、バインダーポリマーとして触媒物質とカーボン粒子を覆い、プロトン伝導体の役割を担っている。
【0006】
電極中の触媒は、次の反応の促進に寄与している。
アノード:H→2H+2e
カソード:1/2O+2H+2e→H
全反応 :H+1/2O→H
【0007】
触媒は、燃料電池における気体−液体−固体の三相界面でアノード反応を促進し、それにより水素を酸化させて電流を発生させる役割を果たしており、発電効率を直接支配している重要な因子である。このため触媒には、適度な粒子の金属微粒子をカーボン粒子に担持させること、および金属微粒子は活性なゼロ価の金属であることが要求される。これらの要求を満たすことにより、触媒全体に占める白金の量を減少できるので、装置の低コスト化が図れる。
【0008】
一方燃料電池の燃料として炭化水素を使用する場合、白金触媒が燃料から発生する酸化物としての一酸化炭素に被毒されので、白金をルテニウム等と合金化した合金触媒を使用して触媒能の低下を防いでいる。触媒用金属として単一の金属を用いる場合は、この金属の調製は、一般に金属塩化物と担体であるカーボン粒子と混合し、これを還元して行っている。しかし、触媒用金属として、合金を用いる場合は、還元された合金微粒子の凝集が起こりやすくなり、調製が困難となる。
【0009】
合金触媒は、粒径が大きすぎず、かつ微小すぎない適度な粒子径を有する合金微粒子であること、およびゼロ価の活性な合金であることが要求される。合金触媒は、一般的に、2種以上の金属を高温で溶融混合して合金化する方法、還元雰囲気下で熱分解して合金化する方法、あるいはスパッタリング等の物理的方法により合金化する方法により製造されてきた。しかしながら、これらの合金化方法は、合金化する金属を一旦溶融させたり、あるいは高温に曝したりするので、微粒子の合金を得ることが難しい。さらに、これらの方法は、高温プロセスを必須とするので、有機高分子等をマトリクスとする高分子−合金クラスタの複合材料の製造には適しないという問題があった。
【0010】
単体金属の微粒子の製造方法として、特開2001−72881号公報には、熱可塑性高分子または熱硬化性高分子を有機溶媒に溶解した溶液に、M−O−Si結合(Mは金属原子)を有する有機金属錯体MMe(OSiPh)(cod)を分散させた後、例えば常温、常圧下で水素接触させて金属錯体を還元することにより、ナノスケールの金属クラスタが高分子マトリクス中に均一に分散した高分子−金属クラスタ複合体の製造方法が開示されている。しかしながら、この方法は、単種の金属微粒子を得る方法であり、合金触媒を対象とした場合に、合金微粒子が製造できるか、あるいは製造した合金微粒子の凝集化を回避できるかについては、まったく記載されていない。
【0011】
また、固体高分子型燃料電池用の電極に使用される触媒物質として、塩化白金酸等を水素ガスまたは無水ヒドラジンの還元剤で還元する方法が、特開2000−12040号公報に開示されている。この方法は、単種の金属である白金触媒を製造するほか、白金化合物とルテニウム化合物の混合物を使用して白金−ルテニウム合金の形成が可能であるとしている。しかしながら、触媒に要求される適度な粒子径を有する金属微粒子については、合金のみならず単種の金属についてすらもまったく検討がされてなく、合金微粒子を製造できるか否かは明らかでない。
【0012】
さらに、クエン酸ナトリウム等の有機酸からなる還元剤の水溶液に、2種以上の金属塩を水に溶解させた状態で同時に添加することにより合金コロイド溶液を調製し、この合金コロイド粒子を担体粉末に担持させる合金触媒の製造方法およびそれを使用する固体高分子型燃料電池の製造方法が、特開2001−224969号公報に開示されている。この方法により、2〜5nmの平均粒子径を有する合金微粒子が製造できているが、一方溶媒として水溶液を使用するため、広範囲の高分子を溶解させることはできず、合金微粒子を高分子中に均一に分散させた複合体を製造することは難しく、汎用性に乏しいという問題がある。
【0013】
金属(合金)微粒子を高分子に担持することによって、キャスト法により、スピンコート、印刷等の技術を用いて容易に基板等に担持が可能であり、膜厚、金属含有量および担体量を容易に制御できる。特に、ITO(インジウム錫酸化物)を基板とする電極では、焼成によってITOの分子配列、結合状態が変化することに起因する導電性の低下が懸念されるため、焼成によって微粒子を担持させる方法は採用できず、比較的低温で金属(合金)微粒子を高分子材料に担持させる方法が必須である。また、金属(合金)微粒子を担持させる高分子として、非電導性高分子および導電性高分子が考えられる。非導電性高分子の場合は、導電性の微粒子金属(合金)を十数〜数十重量%という、多量に含有させることにより、導電性材料を得ることは可能であるものの、酸化反応おいて流れる電流は微量であり、実用上問題がある。これに比して、ポリアセチレンに代表される導電性高分子は、1〜10S/cmと金属と同等の高い導電率を有しているものもある。しかしながら、導電性高分子を担体として使用する試みは、これまで皆無であった。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上述べた合金触媒、あるいは合金触媒を使用した固体高分子型燃料電池用電極に関する先行技術が抱える問題点に鑑み、ナノスケールの合金微粒子を、凝集を起こさずに導電性高分子中に均一に分散させることにより、触媒上での電極反応を促進する、電極、燃料電池用触媒、センサとして応用可能な導電性高分子−合金クラスタ複合体電極、またはこの複合体を導電体上に担持した導電性高分子−合金クラスタ複合体電極およびその製造方法を提供することを目的とする。具体的には、本発明で得られる電極は、水素を使用して容易に還元できること、得られた合金微粒子が凝集を起こさずにナノスケールレベルの微粒子を得ることができること、水素還元温度範囲が微粒子の凝集を回避し得るような室温付近であること、ゼロ価金属に還元し得る合金の割合が高いこと、還元反応に使用する装置が簡便であること等の特徴を有するものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明は、導電性高分子中に100nm以下の合金微粒子を分散させた導電性高分子−合金クラスタ複合体電極である。本発明はまた、この複合体を導電体上に担持させた、導電性高分子−合金複合体電極である。
【0016】
本発明はさらに、合金微粒子が、下記式:
【0017】
【化3】

Figure 2004087426
【0018】
(式中、Rは、メチル基、エチル基またはフェニル基であり、Xは、トリフェニルシロキソ基、トリフェニルカルビノキシ基またはフェノキソ基であり、Mは、白金またはパラジウムである)で表される金属錯体(A)を、水素を用いて還元して得られる微粒子を含む、導電性高分子−合金クラスタ複合体電極である。
【0019】
本発明はまた、合金微粒子が、この金属錯体(A)と、メチル基、エチル基、1,5−シクロオクタジエン、1,3,5−シクロオクタトリエン、ジベンジリデンアセトン、アセタト基、アセチルアセタト基およびトリフェニルシロキソ基から選択される1以上の有機配位子を有する金属錯体(B)(但し、金属元素は、白金、金、銀、銅、パラジウム、ロジウム、ニッケル、亜鉛、チタン、ルテニウム、鉄、コバルト、モリブデン、錫、レニウム、バナジウムまたはクロムであり、前記Mとは異なる金属である)と、を含む金属錯体を、水素を用いて還元して得られる微粒子である、導電性高分子−合金クラスタ複合体電極である。
【0020】
100nm以下の金属微粒子を導電性高分子の溶液中に均一に分散させるために、本発明では、金属錯体(A)と、金属錯体(A)とは異なる金属を含有する金属錯体(B)とを有機溶媒中に溶解した導電性高分子溶液中に加え、この溶液をまたは有機溶媒を留去した後の混合物を水素と接触させて、金属錯体(A)と金属錯体(B)とを還元する。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る導電性高分子−合金クラスタ複合体電極について、具体的に説明する。
【0022】
本発明の導電性高分子−合金クラスタ複合体電極では、2種類の金属錯体(A)および(B)を原料として、合金微粒子を調製する。金属錯体(A)は、下記式:
【0023】
【化4】
Figure 2004087426
【0024】
(式中、Rは、メチル基、エチル基またはフェニル基であり、Xは、トリフェニルシロキソ基、トリフェニルカルビノキシ基またはフェノキソ基であり、Mは、白金またはパラジウムである)で表わせる金属種を1種含む錯体である。金属種が同一である限り、上記式中のRまたはXが異なる錯体を2以上併用することができる。金属錯体(A)は、例えば、Inorganica Chemica Acta 294(1999) pp.266−274で示されている方法により製造することができる。
【0025】
また金属錯体(B)は、メチル基、エチル基、1,5−シクロオクタジエン(以下「cod」という)、1,3,5−シクロオクタトリエン(以下「cot」という)、ジベンジリデンアセトン、アセタト基、アセチルアセタト基およびトリフェニルシロキソ基から選択される1以上の有機配位子を有する金属錯体(B)(但し、金属元素は、白金、金、銀、銅、パラジウム、ロジウム、ニッケル、亜鉛、チタン、ルテニウム、鉄、コバルト、モリブデン、錫、レニウム、バナジウムまたはクロムであり、前記Mとは異なる金属である)である。金属種が金属錯体(A)の金属種と異なるかぎり、2以上の錯体であることができる。
【0026】
金属錯体(B)は、例えば、(cod)(cot)ルテニウムは、J. Chem. Soc., Dalton Trans. (1980) p1961に記載された方法で、ビス(ジベンジリデンアセトン)白金は、J. Chem. Soc., Chem. Commun. (1971) p982に記載された方法で、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウムは、J. Organomet. Chem. 65(1974) p253に記載された方法で、製造することができる。
【0027】
金属錯体(A)と金属錯体(B)との物質量比は、20:1〜1:1が好ましく、10:1〜2:1がより好ましい。金属錯体(A)と金属錯体(B)の比がこの範囲にあると、触媒作用の低下あるいは合金触媒の効果の低下を防止することができる。
【0028】
本発明は、有機溶媒に溶解した導電性高分子中に、この金属触媒(A)および(B)を加える。導電性高分子を溶解させる有機溶媒としては、非プロトン性溶媒、またははプロトン性溶媒であってもフェノール系の溶媒であれば用いることができる。例えば、非プロトン性溶媒としては、四塩化炭素、アセトン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、ジグリム、2−ブタノン、1−メチル−2−ピロリドン、シクロヘキサノン、トルエン、クロロホルム等が、フェノール系のプロトン性溶媒としてはメタクレゾール等があげられる。これらの有機溶媒は、単独で又は2以上を併用して使用することができる。またこれらの有機溶媒は、金属錯体を還元する条件で金属錯体が完全に溶解する量以上、かつ金属錯体と導電性高分子を混ぜ合わせる条件で導電性高分子が有機溶媒に溶解し、導電性高分子の固相が消失する量以上の溶媒を使用する。溶解は、例えば100℃以下の温度で行うことができる。
【0029】
本発明では、高分子−合金クラスタ複合体電極として、導電性高分子を使用する。電極の用途において、金属微粒子の触媒を担持する高分子材料として、非電導性の高分子と導電性高分子が考えられる。一般に非導電性の高分子でも金属を十数重量%から数十重量%まで含有させることによって導電性の材料を得ることができる。しかしながら、非導電性高分子を金属微粒子の分散マトリックスとして用いて電極を作成し酸化反応に用いると、流れる電流は微量である。一方、導電性高分子を担体に用いると、アノード反応により大きな電流が流れ、金属微粒子上で酸化反応が進み、高い触媒活性を得ることができる。
【0030】
本発明に使用する導電性高分子としては、特に限定されず、例えば、ポリアセチレン、ポリチアジル、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリテルロフェン、ポリイソチオナフテン、ポリイソチオフェンビニレン、ポリアズレン、ポリインデン、ポリインドール、ポリフェニレン、ポリナフテン、ポリアントラセン、ポリアニリン、ポリアセンとそれらの置換体等があげられる。これらの導電性高分子は、単独で又は2以上を併用して使用することができる。
【0031】
導電性高分子の量は、金属錯体(A)および金属錯体(B)の合計量1モルに対し、0.4〜150cmが好ましく、0.7〜100cmがより好ましい。金属錯体の合計量に対して導電性高分子の量が少ないと、合金微粒子の凝集化が起こり、触媒能力が低下するからである。
【0032】
金属錯体(A)および(B)は、有機溶媒中に溶解した導電性高分子中に、固体状態で加えて溶解させてもよいし、またはこれらの錯体を同じ有機溶媒中に一旦溶解させて、溶液状態で高分子溶液に加えることもできる。このとき、これらの金属錯体を溶解する溶媒は、導電性高分子を溶解する有機溶媒と同一であっても、また異なってもよく、さらに金属錯体ごとに有機溶媒を変えてもよい。なお、金属錯体(B)の場合、金属錯体に溶媒が配位していてもよい。
【0033】
一方、導電性高分子−合金クラスタ複合体を導電体上に担持させる場合は、上記で得た導電性高分子−錯体溶液を導電体上に塗布し、溶媒を留去することによって錯体を含む導電性高分子を導電体上に担持させる。
【0034】
導電体としては特に限定されず、金、銀、銅、鉄等の金属、黒鉛等の炭素、酸化インジウムスズまたは導電性高分子等が例示できる。これらの導電体は、単独でまたは2以上併用して使用することもできる。
【0035】
次に、金属錯体(A)および(B)と導電性高分子が溶解した有機溶媒との混合物を、水素と接触させて、金属錯体(A)および(B)を還元すると、還元反応によりゼロ価の合金微粒子が生成する。このとき、導電性高分子が溶解した溶媒を留去した後に水素による還元を行うと、金属錯体の反応にともなう物質移動が抑制されるので、合金粒子の微細化が進み好ましい。溶媒を留去する方法は、真空留去、100℃以下の加熱、窒素等の不活性雰囲気下での自然乾燥、またはこれらの方法を併用することができる。
【0036】
水素還元温度は、−50℃以上100℃以下が好ましく、−30℃以上60℃以下がより好ましい。−50℃以上であると、還元反応が非常に遅くなるか、または還元反応が停止することが防止でき、また、100℃以下であると、生成する合金微粒子の凝集が起こり難く、粒子径の粗大化を防止できる。
【0037】
水素還元は減圧下、常圧または加圧下で、還元に必要な水素量を供給することによって行うことできる。
【0038】
また、導電性高分子−金属錯体溶液を水素と接触させて、金属錯体を還元して導電性高分子溶液−合金クラスタ複合体とした後、上記の導電体上にキャストすることも可能である。
【0039】
【実施例】
以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。また、金属錯体の調製および導電性高分子−合金クラスタ複合体電極の作製は、特に断らない限り窒素雰囲気下で行った。使用した導電性高分子であるポリアニリンは、重量平均分子量(ポリスチレン基準)56000の高分子を使用した。
【0040】
得られた導電性高分子−合金クラスタ複合体電極は、サイクリックボルタンメトリーによって電極特性を評価した。ここでサイクリックボルタンメトリーは、基準電極を銀−塩化銀電極とし、電解液として0.5mol/Lの硫酸25mLを使用し、電圧を0.5mV/秒で変化させて測定した。また、合金微粒子の粒子径は、走査型プローブ顕微鏡または透過電子顕微鏡を用いて測定した。
【0041】
メチル(トリフェニルシロキソ)(cod)白金の調製
窒素で置換したシュレンクに、PtMeCl(cod)(ここで「Me」はメチル基を表す)349.2mg、NaSiPh356.5mgおよびテトラヒドロフラン15mLを入れ、室温で3時間撹拌した。溶媒を真空留去し、トルエンで抽出した。濾過を行った後、再び真空留去し、残った固体からジエチルエーテルを用いて抽出した。ヘキサンを加え、無色の固体である標記化合物:メチル(トリフェニルシロキソ)(cod)白金(金属錯体(A))363.1mgを得た。
【0042】
(cod)(cot)ルテニウムの調製
亜鉛粉末80.0gに、メタノール70mLおよび1,5−シクロオクタジエン140mLを加えた。70℃で還流しながら、メタノール70mLに溶解したRuCl・3HO7.03gを滴下した。滴下終了後3時間加熱還流した。還流終了後、濾過を行い赤色の溶液を得た。溶媒を真空留去した後、ヘキサンで抽出を行い、得られた赤色の溶液を中性アルミナカラムで精製した。さらに、ペンタンを用いて再結晶を行い、黄色の結晶である標記物質:(cod)(cot)ルテニウム(金属錯体(B))5.51gを得た。
【0043】
実施例1(白金−ルテニウム合金触媒電極)
ポリアニリン10mgを1−メチル−2−ピロリドン100mLに溶解した。上記調製で得たメチル(トリフェニルシロキソ)(cod)白金59.4mgおよびRu(cod)(cot)3.2mgに、このポリアニリン1−メチル−2−ピロリドン溶液2mLを加えて溶解した。この溶液の一部を、酸化インジウムスズの基板に塗布し、真空乾燥した。次いで常圧、室温で水素雰囲気下に24時間曝すことによって、導電性高分子−合金クラスタ複合体電極を得た。この電極は、膜厚10μm、ポリアニリン5μg/cm、塗布面積1cmであり、合金中のRuは0.02mg/cm、Ptは0.4mg/cmであった。
【0044】
得られた導電性高分子−合金クラスタ複合体電極を用いて、電解液に一酸化炭素を10分間吹き込むことにより一酸化炭素を溶解し、一酸化炭素雰囲気下でサイクリックボルタングラムの測定を行った。結果を図1に示す。また、得られた電極を用いて、電解液中にメタノールの非存在下および0.5mol/Lの存在下でサイクリックボルタングラムを測定した。結果を図2に示す。
【0045】
実施例2(白金−ルテニウム合金触媒電極)
上記調製で得たRu(cod)(cot)を6.3mg使用した以外は、実施例1と同様にして導電性高分子−合金クラスタ複合体電極を得た。この電極は、膜厚10μm、ポリアニリン5μg/cm、塗布面積1cmであり、合金中のRuは0.04mg/cm、Ptは0.4mg/cmであった。得られた導電性高分子−合金クラスタ複合体電極を用いて、実施例1と同様にして、一酸化炭素雰囲気下でサイクリックボルタングラムの測定を行った。結果を図1に示す。
【0046】
実施例3(白金−ルテニウム合金触媒電極)
上記調製で得たRu(cod)(cot)を15.6mg使用した以外は、実施例1と同様にして導電性高分子−合金クラスタ複合体電極を得た。この電極は、膜厚10μm、ポリアニリン5μg/cm、塗布面積1cmであり、合金中のRuは0.1mg/cm、Ptは0.4mg/cmであった。得られた合金微粒子の粒径は、20〜30nmであった。こうして得られた導電性高分子−合金クラスタ複合体電極を用いて、実施例1と同様にして、一酸化炭素雰囲気下でサイクリックボルタングラムの測定を行った。結果を図1に示す。
【0047】
比較例1(白金触媒電極)
ポリアニリン10mgを1−メチル−2−ピロリドン100mLに溶解した。上記調製で得たメチル(トリフェニルシロキソ)(cod)白金30mgに、このポリアニリン1−メチル−2−ピロリドン溶液1mLを加えて溶解した。この溶液の一部を、酸化インジウムスズの基板に塗布し、真空乾燥した。次いで常圧、室温で水素雰囲気下に24時間曝すことによって導電性高分子−金属(白金)クラスタ複合体電極を得た。この電極は、膜厚10μm、ポリアニリン5μg/cm、塗布面積1cm、Pt0.4mg/cmであった。また、白金微粒子の粒子径は12nmであった。
【0048】
得られた導電性高分子−金属(白金)クラスタ複合体電極を用いて、実施例1と同様にして、一酸化炭素雰囲気下でサイクリックボルタングラムおよびメタノールの非存在下、存在下でサイクリックボルタングラムを測定した。結果を図1、図2に示す。
【0049】
図1から明らかなように、本発明の導電性高分子−合金クラスタ複合体電極は、白金のみを含む導電性高分子−金属クラスタ複合体電極を用い測定したサイクリックボルタングラムに比べて、Pt−Ru合金触媒とすることにより、酸化電流ピークを約0.1〜0.2V低電圧側にすることができた。また、図2に示すように、導電性高分子−合金クラスタ複合体電極は、白金のみを含む導電性高分子−金属クラスタ複合体電極よりも、メタノールの存在下で、酸化電流ピークが0.5mA増大した。
【0050】
【発明の効果】
本発明の導電性高分子−合金クラスタ複合体電極は、ナノスケールの合金微粒子を凝集を起こさずに導電性高分子中に分散したものであり、これにより、白金のみを含む導電性高分子−金属クラスタ複合体電極に比べて、触媒上での電極反応が促進し、また合金化により一酸化炭素に被毒され難くなる等の触媒機能を改善するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1〜3および比較例の導電性高分子−合金(金属)複合体電極の一酸化炭素雰囲気下でのサイクリックボルタングラムの測定結果を示す図である。
【図2】本発明の実施例1および比較例の導電性高分子−合金(金属)複合体電極における、メタノールの非存在下および0.5mol/Lの存在下電解液中でのサイクリックボルタングラムの測定結果を示す図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a conductive polymer-alloy cluster composite electrode in which alloy fine particles of 100 nm or less are dispersed in a conductive polymer, and a method for producing the same. More specifically, a conductive polymer-alloy cluster composite in which alloy fine particles obtained by reducing a metal complex, which can be applied as an electrode, a fuel cell catalyst or a sensor, are uniformly dispersed in a conductive polymer. The present invention relates to an electrode or a conductive polymer-alloy cluster composite electrode in which the composite is supported on a conductor and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
As other methods for obtaining metal fine particles uniformly dispersed in a polymer, Japanese Patent No. 261888 and Japanese Patent No. 2521638 disclose a method of forming an unstable polymer layer by a method such as heat treatment or desolvation. A method has been disclosed in which a metal vapor-deposited film is formed on the surface of a molecular film and the film is thermally stabilized, so that the metal is finely divided and uniformly dispersed in a polymer. Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-273774 discloses a method in which a metal is vapor-deposited on a polymer or oligomer having a specific functional group and then heated to disperse metal fine particles. Discloses a method of obtaining a metal-polymer dispersion by dissolving a noble metal complex in a monomer, followed by polymerization and solidification.
[0003]
In addition to the problem that it is difficult to increase the dispersion concentration of the metal fine particles, these methods are limited to avoiding aggregation of the metal fine particles caused by polymerization conditions, reduction conditions, and the like, and to using a polymer having a specific functional group. Had problems.
[0004]
On the other hand, in recent years, fuel cells have attracted attention, and in particular, polymer electrolyte fuel cells have attracted attention. This polymer electrolyte fuel cell can operate at a lower temperature and has a higher energy density than a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, or a solid electrolytic fuel cell. Therefore, it is considered to be promising as a power source for a fuel cell hybrid vehicle because it is suitable for a mobile power source and a small-capacity power source.
[0005]
A polymer electrolyte fuel cell uses hydrogen or a hydrocarbon such as methanol or natural gas as a fuel, and uses a polymer ion exchange membrane represented by a perfluorosulfonic acid membrane as an electrolyte. This is a device that joins an anode electrode and a cathode electrode and supplies hydrogen to the anode and oxygen to the cathode to cause an electrochemical reaction to generate power. The electrodes are composed of an electron conductor, a catalyst substance and a proton conductor. As the catalyst material, zero-valent platinum or a platinum-ruthenium alloy which is an active metal is used, and these catalyst materials are supported on carbon particles as an electron conductor. The same polymer as the ion exchange membrane covers the catalyst substance and the carbon particles as a binder polymer, and plays a role of a proton conductor.
[0006]
The catalyst in the electrode contributes to the promotion of the next reaction.
Anode: H 2 → 2H + + 2e
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O
Total reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
[0007]
The catalyst promotes the anodic reaction at the gas-liquid-solid three-phase interface in the fuel cell, thereby oxidizing hydrogen to generate electric current, and is an important factor directly controlling power generation efficiency. is there. For this reason, the catalyst is required to support metal particles of appropriate particles on carbon particles, and that the metal particles be an active zero-valent metal. By satisfying these requirements, the amount of platinum in the entire catalyst can be reduced, so that the cost of the apparatus can be reduced.
[0008]
On the other hand, when hydrocarbons are used as fuel for fuel cells, the platinum catalyst is poisoned by carbon monoxide as an oxide generated from the fuel. Prevent the decline. When a single metal is used as the catalyst metal, this metal is generally prepared by mixing a metal chloride with carbon particles as a carrier and reducing the mixture. However, when an alloy is used as the metal for the catalyst, aggregation of the reduced alloy fine particles is likely to occur, which makes the preparation difficult.
[0009]
The alloy catalyst is required to be alloy fine particles having an appropriate particle size not too large and not too small, and to be a zero-valent active alloy. Alloy catalysts are generally prepared by melting and mixing two or more metals at a high temperature to form an alloy, a method of thermally decomposing in a reducing atmosphere to form an alloy, or a method of alloying by a physical method such as sputtering. Has been manufactured by However, in these alloying methods, since the metal to be alloyed is once melted or exposed to a high temperature, it is difficult to obtain an alloy of fine particles. Furthermore, since these methods require a high-temperature process, there is a problem that they are not suitable for producing a polymer-alloy cluster composite material having an organic polymer or the like as a matrix.
[0010]
JP-A-2001-72881 discloses a method for producing fine particles of a single metal, in which a solution obtained by dissolving a thermoplastic polymer or a thermosetting polymer in an organic solvent is combined with an MO-Si bond (M is a metal atom). the organic metal complex MMe a (OSiPh 3) (cod) were dispersed with, for example ambient temperature, by thereafter hydrogen contacted at atmospheric pressure to reduce the metal complex uniformly in a polymer matrix nanoscale metal clusters A method for producing a dispersed polymer-metal cluster composite is disclosed. However, this method is a method of obtaining a single kind of metal fine particles, and it is completely described whether alloy fine particles can be produced or agglomeration of the produced alloy fine particles can be avoided when an alloy catalyst is used. It has not been.
[0011]
JP-A-2000-12040 discloses a method of reducing chloroplatinic acid or the like with a reducing agent of hydrogen gas or anhydrous hydrazine as a catalyst substance used for an electrode for a polymer electrolyte fuel cell. . This method not only produces a platinum catalyst which is a single metal, but also makes it possible to form a platinum-ruthenium alloy using a mixture of a platinum compound and a ruthenium compound. However, regarding metal fine particles having an appropriate particle diameter required for a catalyst, not only alloys but also single metals have not been studied at all, and it is not clear whether alloy fine particles can be produced.
[0012]
Further, an alloy colloid solution is prepared by simultaneously adding two or more metal salts dissolved in water to an aqueous solution of a reducing agent comprising an organic acid such as sodium citrate, and the alloy colloid particles are mixed with a carrier powder. A method for producing an alloy catalyst to be supported on a polymer and a method for producing a polymer electrolyte fuel cell using the same are disclosed in JP-A-2001-224969. According to this method, alloy fine particles having an average particle diameter of 2 to 5 nm can be produced. However, since an aqueous solution is used as a solvent, a wide range of polymers cannot be dissolved, and alloy fine particles are dissolved in the polymer. It is difficult to produce a uniformly dispersed composite, and there is a problem of poor versatility.
[0013]
By supporting metal (alloy) fine particles on a polymer, it is possible to easily support a substrate or the like by using a technique such as spin coating or printing by a casting method, and it is easy to achieve a film thickness, a metal content, and a carrier amount. Can be controlled. In particular, in the case of electrodes using ITO (indium tin oxide) as a substrate, there is a concern that the conductivity may be reduced due to a change in the molecular arrangement and bonding state of ITO due to firing. A method in which metal (alloy) fine particles are supported on a polymer material at a relatively low temperature, which cannot be adopted, is essential. In addition, non-conductive polymers and conductive polymers can be considered as polymers for supporting metal (alloy) fine particles. In the case of a non-conductive polymer, it is possible to obtain a conductive material by adding a large amount of a dozen or more to several tens of weight percent of a conductive fine-particle metal (alloy), but it is possible to obtain a conductive material. The flowing current is very small and has a practical problem. By comparison, conductive polymer typified by polyacetylene, some have a 1 to 10 5 S / cm metal and same high conductivity. However, there has been no attempt to use a conductive polymer as a carrier.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art relating to the alloy catalyst or an electrode for a polymer electrolyte fuel cell using the alloy catalyst. An electrode, a fuel cell catalyst, a conductive polymer-alloy cluster composite electrode that can be applied as a sensor, or an electrode that promotes an electrode reaction on a catalyst by uniformly dispersing It is an object of the present invention to provide a conductive polymer-alloy cluster composite electrode supported on a substrate and a method for producing the same. Specifically, the electrode obtained in the present invention can be easily reduced using hydrogen, the obtained alloy fine particles can obtain nanoscale-level fine particles without causing aggregation, and the hydrogen reduction temperature range is It is characterized by being near room temperature so as to avoid agglomeration of fine particles, having a high proportion of an alloy that can be reduced to a zero-valent metal, and having a simple apparatus used for the reduction reaction.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above problems is a conductive polymer-alloy cluster composite electrode in which alloy fine particles of 100 nm or less are dispersed in a conductive polymer. The present invention is also a conductive polymer-alloy composite electrode in which the composite is supported on a conductor.
[0016]
The present invention further provides the alloy fine particles having the following formula:
[0017]
Embedded image
Figure 2004087426
[0018]
(Wherein, R is a methyl group, an ethyl group or a phenyl group, X is a triphenylsiloxo group, a triphenylcarbinoxy group or a phenoxo group, and M is platinum or palladium). A conductive polymer-alloy cluster composite electrode containing fine particles obtained by reducing the metal complex (A) to be used with hydrogen.
[0019]
According to the present invention, the alloy fine particles may be prepared by combining the metal complex (A) with a methyl group, an ethyl group, 1,5-cyclooctadiene, 1,3,5-cyclooctatriene, dibenzylideneacetone, an acetate group, or an acetylacetate group. And a metal complex (B) having one or more organic ligands selected from triphenylsiloxo groups (where the metal element is platinum, gold, silver, copper, palladium, rhodium, nickel, zinc, titanium, ruthenium) , Iron, cobalt, molybdenum, tin, rhenium, vanadium or chromium, which is a metal different from the above M). It is a molecule-alloy cluster composite electrode.
[0020]
In order to uniformly disperse metal fine particles of 100 nm or less in a conductive polymer solution, in the present invention, a metal complex (A) and a metal complex (B) containing a metal different from the metal complex (A) are used. Is added to a conductive polymer solution dissolved in an organic solvent, and this solution or a mixture obtained by distilling off the organic solvent is brought into contact with hydrogen to reduce the metal complex (A) and the metal complex (B). I do.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the conductive polymer-alloy cluster composite electrode according to the present invention will be specifically described.
[0022]
In the conductive polymer-alloy cluster composite electrode of the present invention, alloy fine particles are prepared using two types of metal complexes (A) and (B) as raw materials. The metal complex (A) has the following formula:
[0023]
Embedded image
Figure 2004087426
[0024]
(Wherein R is a methyl group, an ethyl group or a phenyl group, X is a triphenylsiloxo group, a triphenylcarbinoxy group or a phenoxo group, and M is platinum or palladium). Complex containing one kind of metal species. As long as the metal species is the same, two or more complexes having different R or X in the above formula can be used in combination. The metal complex (A) is described, for example, in Inorganica Chemical Acta 294 (1999) pp. 266-274.
[0025]
The metal complex (B) includes a methyl group, an ethyl group, 1,5-cyclooctadiene (hereinafter, referred to as “cod”), 1,3,5-cyclooctatriene (hereinafter, referred to as “cot”), dibenzylideneacetone, A metal complex (B) having one or more organic ligands selected from an acetato group, an acetylacetato group and a triphenylsiloxo group (provided that the metal element is platinum, gold, silver, copper, palladium, rhodium, nickel, Zinc, titanium, ruthenium, iron, cobalt, molybdenum, tin, rhenium, vanadium or chromium, and is a metal different from M). As long as the metal species is different from the metal species of the metal complex (A), it can be two or more complexes.
[0026]
The metal complex (B) is, for example, (cod) (cot) ruthenium is described in J. Am. Chem. Soc. , Dalton Trans. (1980) Bis (dibenzylideneacetone) platinum was prepared according to the method described in p1961. Chem. Soc. Chem., Chem. Commun. (1971) Bis (dibenzylideneacetone) palladium was prepared according to the method described in p982. Organomet. Chem. 65 (1974), page 253.
[0027]
The substance ratio of the metal complex (A) to the metal complex (B) is preferably from 20: 1 to 1: 1 and more preferably from 10: 1 to 2: 1. When the ratio of the metal complex (A) to the metal complex (B) is within this range, it is possible to prevent a reduction in the catalytic action or a reduction in the effect of the alloy catalyst.
[0028]
In the present invention, the metal catalysts (A) and (B) are added to a conductive polymer dissolved in an organic solvent. As the organic solvent for dissolving the conductive polymer, an aprotic solvent or a protic solvent can be used as long as it is a phenol-based solvent. For example, as the aprotic solvent, carbon tetrachloride, acetone, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, dimethylformamide, tetrahydrofuran, diglyme, 2-butanone, 1-methyl-2-pyrrolidone, cyclohexanone, toluene, chloroform and the like, phenol-based Examples of the protic solvent include metacresol. These organic solvents can be used alone or in combination of two or more. In addition, these organic solvents are used in an amount not less than the amount in which the metal complex is completely dissolved under the condition of reducing the metal complex, and the conductive polymer is dissolved in the organic solvent under the condition of mixing the metal complex and the conductive polymer. Use more solvent than the amount by which the solid phase of the polymer disappears. The dissolution can be performed, for example, at a temperature of 100 ° C. or less.
[0029]
In the present invention, a conductive polymer is used as the polymer-alloy cluster composite electrode. In the use of the electrode, non-conductive polymers and conductive polymers are considered as the polymer material supporting the catalyst of the metal fine particles. In general, even a non-conductive polymer can obtain a conductive material by containing a metal in an amount of more than ten to several tens of weight%. However, when an electrode is prepared using a non-conductive polymer as a dispersion matrix of metal fine particles and used for an oxidation reaction, a small amount of current flows. On the other hand, when a conductive polymer is used for the carrier, a large current flows due to the anodic reaction, the oxidation reaction proceeds on the metal fine particles, and high catalytic activity can be obtained.
[0030]
The conductive polymer used in the present invention is not particularly limited. , Polyindole, polyphenylene, polynaphthene, polyanthracene, polyaniline, polyacene, and their substituted products. These conductive polymers can be used alone or in combination of two or more.
[0031]
The amount of the conductive polymer is preferably 0.4 to 150 cm 3 , more preferably 0.7 to 100 cm 3 , based on 1 mol of the total amount of the metal complex (A) and the metal complex (B). This is because if the amount of the conductive polymer is smaller than the total amount of the metal complex, agglomeration of the alloy fine particles occurs, and the catalytic ability decreases.
[0032]
The metal complexes (A) and (B) may be added and dissolved in a solid state in a conductive polymer dissolved in an organic solvent, or these complexes may be once dissolved in the same organic solvent. Alternatively, it can be added to the polymer solution in a solution state. At this time, the solvent for dissolving these metal complexes may be the same as or different from the organic solvent for dissolving the conductive polymer, and the organic solvent may be changed for each metal complex. In the case of the metal complex (B), a solvent may be coordinated with the metal complex.
[0033]
On the other hand, when the conductive polymer-alloy cluster complex is supported on a conductor, the conductive polymer-complex solution obtained above is applied on the conductor, and the solvent is distilled off to contain the complex. A conductive polymer is supported on a conductor.
[0034]
The conductor is not particularly limited, and examples thereof include metals such as gold, silver, copper, and iron; carbon such as graphite; indium tin oxide; and conductive polymers. These conductors can be used alone or in combination of two or more.
[0035]
Next, a mixture of the metal complexes (A) and (B) and an organic solvent in which the conductive polymer is dissolved is brought into contact with hydrogen to reduce the metal complexes (A) and (B). Valent alloy fine particles are produced. At this time, it is preferable to perform reduction with hydrogen after distilling off the solvent in which the conductive polymer is dissolved, since mass transfer accompanying the reaction of the metal complex is suppressed, and the alloy particles are refined, which is preferable. As a method for distilling off the solvent, vacuum distillation, heating at 100 ° C. or lower, natural drying under an inert atmosphere such as nitrogen, or a combination of these methods can be used.
[0036]
The hydrogen reduction temperature is preferably from -50C to 100C, more preferably from -30C to 60C. When the temperature is −50 ° C. or more, the reduction reaction becomes very slow or the reduction reaction can be prevented from being stopped. When the temperature is 100 ° C. or less, the alloy fine particles to be formed hardly aggregate, and the particle diameter is reduced. Coarsening can be prevented.
[0037]
Hydrogen reduction can be performed by supplying the amount of hydrogen required for reduction under reduced pressure, normal pressure, or increased pressure.
[0038]
Alternatively, the conductive polymer-metal complex solution may be brought into contact with hydrogen to reduce the metal complex to form a conductive polymer solution-alloy cluster composite, and then cast on the above conductor. .
[0039]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Preparation of the metal complex and preparation of the conductive polymer-alloy cluster composite electrode were performed in a nitrogen atmosphere unless otherwise specified. As the conductive polymer used, polyaniline used was a polymer having a weight average molecular weight (based on polystyrene) of 56,000.
[0040]
The electrode properties of the obtained conductive polymer-alloy cluster composite electrode were evaluated by cyclic voltammetry. Here, the cyclic voltammetry was measured by using a silver-silver chloride electrode as a reference electrode, using 25 mL of 0.5 mol / L sulfuric acid as an electrolytic solution, and changing the voltage at 0.5 mV / sec. The particle diameter of the alloy fine particles was measured using a scanning probe microscope or a transmission electron microscope.
[0041]
Preparation of Methyl (triphenylsiloxo) (cod) platinum In a Schlenk substituted with nitrogen, 349.2 mg of PtMeCl (cod) (where “Me” represents a methyl group), 356.5 mg of NaSiPh 3 and 15 mL of tetrahydrofuran were put. And stirred at room temperature for 3 hours. The solvent was removed in vacuo and extracted with toluene. After filtration, the residue was vacuum distilled again, and the remaining solid was extracted with diethyl ether. Hexane was added to obtain 363.1 mg of the title compound as a colorless solid: methyl (triphenylsiloxo) (cod) platinum (metal complex (A)).
[0042]
(Cod) (cot) Preparation of ruthenium 70 mL of methanol and 140 mL of 1,5-cyclooctadiene were added to 80.0 g of zinc powder. While refluxing at 70 ° C., 7.03 g of RuCl 3 .3H 2 O dissolved in 70 mL of methanol was added dropwise. After completion of the dropwise addition, the mixture was heated under reflux for 3 hours. After the completion of the reflux, filtration was performed to obtain a red solution. After the solvent was distilled off in vacuo, extraction was performed with hexane, and the obtained red solution was purified with a neutral alumina column. Further, recrystallization was performed using pentane to obtain 5.51 g of the title substance: (cod) (cot) ruthenium (metal complex (B)) as yellow crystals.
[0043]
Example 1 (platinum-ruthenium alloy catalyst electrode)
10 mg of polyaniline was dissolved in 100 mL of 1-methyl-2-pyrrolidone. To 59.4 mg of platinum of methyl (triphenylsiloxo) (cod) and 3.2 mg of Ru (cod) (cot) obtained in the above preparation, 2 mL of this polyaniline 1-methyl-2-pyrrolidone solution was added and dissolved. A portion of this solution was applied to a substrate of indium tin oxide and vacuum dried. Then, the conductive polymer-alloy cluster composite electrode was obtained by exposing it to hydrogen atmosphere at normal pressure and room temperature for 24 hours. The electrode has a film thickness 10 [mu] m, polyaniline 5 [mu] g / cm 2, a coating area 1 cm 2, Ru in the alloy is 0.02 mg / cm 2, Pt was 0.4 mg / cm 2.
[0044]
Using the obtained conductive polymer-alloy cluster composite electrode, carbon monoxide was dissolved in the electrolyte by blowing carbon monoxide for 10 minutes, and the cyclic voltammogram was measured in a carbon monoxide atmosphere. Was. The results are shown in FIG. Using the obtained electrode, a cyclic voltammogram was measured in the absence of methanol and in the presence of 0.5 mol / L in the electrolytic solution. FIG. 2 shows the results.
[0045]
Example 2 (platinum-ruthenium alloy catalyst electrode)
A conductive polymer-alloy cluster composite electrode was obtained in the same manner as in Example 1, except that 6.3 mg of Ru (cod) (cot) obtained in the above preparation was used. The electrode has a film thickness 10 [mu] m, polyaniline 5 [mu] g / cm 2, a coating area 1 cm 2, Ru in the alloy is 0.04 mg / cm 2, Pt was 0.4 mg / cm 2. Using the obtained conductive polymer-alloy cluster composite electrode, a cyclic voltammogram was measured in a carbon monoxide atmosphere in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.
[0046]
Example 3 (Platinum-ruthenium alloy catalyst electrode)
A conductive polymer-alloy cluster composite electrode was obtained in the same manner as in Example 1, except that 15.6 mg of Ru (cod) (cot) obtained in the above preparation was used. This electrode had a thickness of 10 μm, polyaniline of 5 μg / cm 2 , and a coating area of 1 cm 2. Ru in the alloy was 0.1 mg / cm 2 and Pt was 0.4 mg / cm 2 . The particle size of the obtained alloy fine particles was 20 to 30 nm. Using the conductive polymer-alloy cluster composite electrode thus obtained, a cyclic voltammogram was measured in a carbon monoxide atmosphere in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.
[0047]
Comparative Example 1 (platinum catalyst electrode)
10 mg of polyaniline was dissolved in 100 mL of 1-methyl-2-pyrrolidone. 1 mL of this polyaniline 1-methyl-2-pyrrolidone solution was added to and dissolved in 30 mg of the methyl (triphenylsiloxo) (cod) platinum obtained in the above preparation. A portion of this solution was applied to a substrate of indium tin oxide and vacuum dried. Then, the conductive polymer-metal (platinum) cluster composite electrode was obtained by exposing to a hydrogen atmosphere at normal pressure and room temperature for 24 hours. This electrode had a thickness of 10 μm, a polyaniline of 5 μg / cm 2 , an application area of 1 cm 2 , and a Pt of 0.4 mg / cm 2 . Further, the particle diameter of the platinum fine particles was 12 nm.
[0048]
Using the obtained conductive polymer-metal (platinum) cluster composite electrode, in the same manner as in Example 1, cyclic voltammogram and cyclic voltammogram in the absence of methanol and in the presence of methanol were used. The voltammogram was measured. The results are shown in FIGS.
[0049]
As can be seen from FIG. 1, the conductive polymer-alloy cluster composite electrode of the present invention has a higher Pt than a cyclic voltammogram measured using a conductive polymer-metal cluster composite electrode containing only platinum. By using a -Ru alloy catalyst, the oxidation current peak could be set to a low voltage side of about 0.1 to 0.2 V. Further, as shown in FIG. 2, the conductive polymer-alloy cluster composite electrode has an oxidation current peak of 0.1 in the presence of methanol more than the conductive polymer-metal cluster composite electrode containing only platinum. Increased by 5 mA.
[0050]
【The invention's effect】
The conductive polymer-alloy cluster composite electrode of the present invention is obtained by dispersing nanoscale alloy fine particles in a conductive polymer without causing aggregation, and thereby, a conductive polymer containing only platinum. Compared with the metal cluster composite electrode, the present invention has the effect of promoting the electrode reaction on the catalyst and improving the catalytic function such as being less likely to be poisoned by carbon monoxide due to alloying.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the measurement results of cyclic voltammograms in a carbon monoxide atmosphere of conductive polymer-alloy (metal) composite electrodes of Examples 1 to 3 of the present invention and Comparative Example.
FIG. 2 shows cyclic volatility in an electrolytic solution in the absence of methanol and in the presence of 0.5 mol / L at the conductive polymer-alloy (metal) composite electrode of Example 1 and Comparative Example of the present invention. It is a figure which shows the measurement result of a tangram.

Claims (7)

導電性高分子中に100nm以下の合金微粒子を分散させたことを特徴とする導電性高分子−合金クラスタ複合体電極。A conductive polymer-alloy cluster composite electrode, wherein alloy fine particles of 100 nm or less are dispersed in a conductive polymer. 前記複合体を導電体上に担持させた、請求項1記載の導電性高分子−合金クラスタ複合体電極。The conductive polymer-alloy cluster composite electrode according to claim 1, wherein the composite is carried on a conductor. 前記合金微粒子が、下記式:
Figure 2004087426
(式中、Rは、メチル基、エチル基またはフェニル基であり、Xは、トリフェニルシロキソ基、トリフェニルカルビノキシ基またはフェノキソ基であり、Mは、白金またはパラジウムである)で表される金属錯体(A)を、水素を用いて還元して得られる微粒子を含む、請求項1または2記載の導電性高分子−合金クラスタ複合体電極。
The alloy fine particles have the following formula:
Figure 2004087426
(Wherein, R is a methyl group, an ethyl group or a phenyl group, X is a triphenylsiloxo group, a triphenylcarbinoxy group or a phenoxo group, and M is platinum or palladium). The conductive polymer-alloy cluster composite electrode according to claim 1 or 2, comprising fine particles obtained by reducing the metal complex (A) using hydrogen.
前記合金微粒子が、前記金属錯体(A)と、メチル基、エチル基、1,5−シクロオクタジエン、1,3,5−シクロオクタトリエン、ジベンジリデンアセトン、アセタト基、アセチルアセタト基およびトリフェニルシロキソ基から選択される1以上の有機配位子を有する金属錯体(B)(但し、金属元素は、白金、金、銀、銅、パラジウム、ロジウム、ニッケル、亜鉛、チタン、ルテニウム、鉄、コバルト、モリブデン、錫、レニウム、バナジウムまたはクロムであり、前記Mとは異なる金属である)と、を含む金属錯体を、水素を用いて還元して得られる微粒子である、請求項1〜3のいずれか1項記載の導電性高分子−合金クラスタ複合体電極。When the alloy fine particles are mixed with the metal complex (A), a methyl group, an ethyl group, 1,5-cyclooctadiene, 1,3,5-cyclooctatriene, dibenzylideneacetone, an acetato group, an acetylacetato group and a triphenylsiloxy group A metal complex (B) having one or more organic ligands selected from the group consisting of platinum, gold, silver, copper, palladium, rhodium, nickel, zinc, titanium, ruthenium, iron, cobalt , Molybdenum, tin, rhenium, vanadium or chromium, which is a metal different from M)), wherein the fine particles are obtained by reducing a metal complex containing hydrogen with hydrogen. The conductive polymer-alloy cluster composite electrode according to claim 1. 前記金属錯体(A)と金属錯体(B)との物質量比が、20:1〜1:1である、請求項4記載の導電性高分子−合金クラスタ複合体電極。The conductive polymer-alloy cluster composite electrode according to claim 4, wherein a substance ratio of the metal complex (A) to the metal complex (B) is 20: 1 to 1: 1. 導電性高分子−合金クラスタ複合体電極の製造方法であって、
(a)下記式:
Figure 2004087426
(式中、Rは、メチル基、エチル基またはフェニル基であり、Xはトリフェニルシロキソ基、トリフェニルカルビノキシ基またはフェノキソ基であり、Mは白金またはパラジウムである)で表される金属錯体(A)を準備する工程と
(b)メチル基、エチル基、1,5−シクロオクタジエン、1,3,5−シクロオクタトリエン、ジベンジリデンアセトン、アセタト基、アセチルアセタト基およびトリフェニルシロキソ基から選択される1以上の有機配位子を有する金属錯体(B)(但し、金属元素は、白金、金、銀、銅、パラジウム、ロジウム、ニッケル、亜鉛、チタン、ルテニウム、鉄、コバルト、モリブデン、錫、レニウム、バナジウムまたはクロムであり、前記Mとは異なる金属である)を準備する工程と、
(c)有機溶媒中に導電性高分子を溶解させる工程と、
(d)前記溶解した導電性高分子中に、前記金属錯体(A)および(B)を加える工程と、
(e)所望により前記有機溶媒を留去する工程と、
(f)前記導電性高分子中の金属錯体(A)および(B)を水素で還元する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
A method for producing a conductive polymer-alloy cluster composite electrode, comprising:
(A) The following formula:
Figure 2004087426
(Wherein, R is a methyl group, an ethyl group or a phenyl group, X is a triphenylsiloxo group, a triphenylcarbinoxy group or a phenoxo group, and M is platinum or palladium). Step of preparing the metal complex (A) and (b) methyl group, ethyl group, 1,5-cyclooctadiene, 1,3,5-cyclooctatriene, dibenzylideneacetone, acetato group, acetylacetato group and triphenylsiloxy A metal complex (B) having one or more organic ligands selected from the group consisting of platinum, gold, silver, copper, palladium, rhodium, nickel, zinc, titanium, ruthenium, iron, cobalt , Molybdenum, tin, rhenium, vanadium or chromium, which is a different metal from M).
(C) dissolving the conductive polymer in an organic solvent;
(D) adding the metal complexes (A) and (B) to the dissolved conductive polymer;
(E) optionally distilling off the organic solvent;
(F) reducing the metal complexes (A) and (B) in the conductive polymer with hydrogen;
A method comprising:
前記金属錯体(A)および(B)を加える工程が、金属錯体(A)と金属錯体(B)とを、20:1〜1:1の物質量比で加える、請求項6記載の方法。The method according to claim 6, wherein the step of adding the metal complexes (A) and (B) adds the metal complex (A) and the metal complex (B) in a mass ratio of 20: 1 to 1: 1.
JP2002250240A 2002-08-29 2002-08-29 Conductive polymer-alloy cluster conjugate electrode and its manufacturing method Pending JP2004087426A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002250240A JP2004087426A (en) 2002-08-29 2002-08-29 Conductive polymer-alloy cluster conjugate electrode and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002250240A JP2004087426A (en) 2002-08-29 2002-08-29 Conductive polymer-alloy cluster conjugate electrode and its manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004087426A true JP2004087426A (en) 2004-03-18

Family

ID=32057116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002250240A Pending JP2004087426A (en) 2002-08-29 2002-08-29 Conductive polymer-alloy cluster conjugate electrode and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004087426A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011108573A (en) * 2009-11-20 2011-06-02 Fuji Electric Holdings Co Ltd Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same
US8034513B2 (en) 2009-11-16 2011-10-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Direct-methanol fuel cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8034513B2 (en) 2009-11-16 2011-10-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Direct-methanol fuel cell
JP2011108573A (en) * 2009-11-20 2011-06-02 Fuji Electric Holdings Co Ltd Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Composition effects of FePt alloy nanoparticles on the electro-oxidation of formic acid
JP4591504B2 (en) Catalyst material and method for producing the same
Grace et al. Pt, Pt–Pd and Pt–Pd/Ru nanoparticles entrapped polyaniline electrodes–A potent electrocatalyst towards the oxidation of glycerol
JP5580990B2 (en) Platinum and platinum-based alloy nanotubes used as electrocatalysts for fuel cells
Zhou et al. High efficient electrocatalytic oxidation of methanol on Pt/polyindoles composite catalysts
KR101144109B1 (en) Synthesis methods of Core-Shell Nanoparticles on a Carbon support
EP3379626B1 (en) Carrier-nanoparticle composite, catalyst containing same, and method for producing same
JP5348658B2 (en) Method for producing platinum-based alloy catalyst for fuel cell electrode material
KR101349068B1 (en) Method for manufacturing core-shell type surpported catalysts for fuel cell
Neto et al. Pt and Pt–Rh nanowires supported on carbon and SnO2: Sb nanoparticles for ethanol electrochemical oxidation in acidic media
Deng et al. Scalable preparation of PtPd/carbon nanowires in the form of membrane as highly stable electrocatalysts for oxygen reduction reaction
JP2008503869A (en) Catalyst support for electrochemical fuel cells
Li et al. PtCu nanoframes as ultra-high performance electrocatalysts for methanol oxidation
CN105322187A (en) Synthesis of alloy nanoparticles as a stable core for core-shell electrocatalysts
JP2007237092A (en) Method for preparing catalyst material
WO2005088748A1 (en) Anode catalyst for solid polymer fuel cell
Choudhary et al. Enhancement of ethanol electrooxidation in half cell and single direct ethanol fuel cell (DEFC) using post-treated polyol synthesized Pt-Ru nano electrocatalysts supported on HNO3-functionalized acetylene black carbon
Lee et al. Mesoporous platinum nanosponges as electrocatalysts for the oxygen reduction reaction in an acidic electrolyte
Ehsani et al. Electrocatalytic oxidation of ethanol on the surface of graphene based nanocomposites: an introduction and review to it in recent studies
Kottakkat et al. Catalytic activity of dendrimer encapsulated Pt nanoparticles anchored onto carbon towards oxygen reduction reaction in polymer electrolyte fuel cells
JP6967761B2 (en) Electrochemical oxygen reduction catalyst
Yang et al. One-step synthesis in deep eutectic solvents of Pt3Sn1-SnO2 alloy nanopore on carbon nanotubes for boosting electro-catalytic methanol oxidation
Teng et al. Preparation of Pt catalysts supported on polyaniline modified carbon black and electrocatalytic methanol oxidation
JP2004087427A (en) Conductive polymer-metal cluster conjugate electrode and its manufacturing method
Jiang et al. Enhanced catalytic activity of ternary Pd-Ni-Ir nanoparticles supported on carbon toward formic acid electro-oxidation

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050623

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20070921

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20071002

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20080219