JP2007275883A - ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電極に活用できるナノ多孔性タングステンカーバイド触媒及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 タングステンカーバイド結晶粒子を含み、平均径が２ｎｍないし５ｎｍほどであり、触媒１ｇ当たり体積が０．０８ないし０．２５ｃｍ^３である細孔を含む多孔性タングステンカーバイド触媒及びその製造方法、該触媒を適用した電極、及び該触媒を適用した直接メタノール燃料電池または高分子電解質膜燃料電池のような燃料電池である。これにより、電気化学反応の活性が高く、一酸化炭素に対する耐被毒性にすぐれ、燃料電池の電極に長期間使用しても、高い活性を維持できるだけではなく、表面積が広くて金属活性成分を好ましく分散させることができ、従来の貴金属触媒よりさらに少量の金属活性成分を使用しても、一層高い触媒活性を得ることができ、燃料電池用電極とこれを採用した燃料電池とをさらに低コストで製造可能とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒及びその製造方法に係り、さらに具体的には、電気化学活性が高く、一酸化炭素に対する耐被毒性にすぐれ、燃料電池の電極に長期間使用しても高い活性を維持でき、従来の貴金属触媒よりさらに少量の金属活性成分を使用しても、一層高い触媒活性を得ることができるナノ多孔性タングステンカーバイド触媒及びその製造方法に関する。

燃料電池は、燃料（水素、天然ガス、メタノール、石炭、石油、埋立地ガスなど）と酸化剤（酸素、空気など）とを電気化学的に反応させ、その反応エネルギーを電気に直接変換する電池であり、１９６０年代に米国で宇宙航空プログラムを推進しつつ、宇宙船の動力源として開発されて以来、発電用、家庭用、運送用、移動用の電源など多様な応用のために、世界各国でこれについての研究が活発に進められている。燃料電池は、９０％の高いエネルギー効率を得ることができるので、従来の発電技術に比べて顕著に高いエネルギー効率を得ることができることが最大の特徴であり、ＮＯ_ｘ及びＳＯ_ｘを排出しない無公害発電装置である。

燃料電池で、水素または燃料をアノード電極に供給し、酸素をカソード電極に供給し、アノード電極とカソード電極との電気化学反応によって電気を生成する。アノードで水素または有機原料の酸化反応が起き、カソードで酸素の還元反応が起き、二電極間の電圧差を発生させる。

燃料電池は、使われる電解質の種類によって、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）またはアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ：Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）などで分類される。それらそれぞれの燃料電池は、根本的に同じ原理により作動されるが、使われる燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。

それらのうち、近来開発されているＤＭＦＣは、エネルギー密度が高く、作動温度が低く、液体であるメタノール燃料の取扱いが容易であり、主に小型通信機器やコンピュータの移動電源への活用が期待される。また、ＰＥＭＦＣは、他の燃料電池に比べ、出力特性にすぐれて作動温度が低く、併せて速い始動及び応答特性を有し、自動車のような移動用電源はいうまでもなく、住宅、公共建物のような分散用電源、及び電子機器用のような小型電源など、その応用範囲が広いという長所を有する。

燃料電池に利用されるカソード用及びアノード用の電極は、一般的に炭素担体にＰｔまたはＰｔ−Ｒｕ合金、あるいは他のさまざまな活性金属の合金により構成される触媒金属を担持させて製造する。特に、それらの電極は、貴金属触媒を利用するために高価であり、一酸化炭素のような触媒毒による被毒により、効率が低下してしまうという短所が伴う。

また、燃料電池の他の部品とは異なり、電極は、貴金属触媒を利用するために、量産がなされるといっても、価格が低廉になるという余地がほとんどないので、それらを代替できるほどの低価格の活性成分を開発したり、または前記貴金属の有効表面積を最大化させてそれらの活用を極大化する方法が要求される。

タングステンカーバイドは、酸性溶液中でアノード電位に対する安定性と一酸化炭素に対する耐被毒性とを有するために、電極触媒として利用するために多くの研究が行われた。しかし、タングステンカーバイド単独では、一酸化炭素に対する高い耐被毒性にもかかわらず、非常に低い電気触媒的活性を示すという問題があった。

従って、触媒的活性を向上させ、電極触媒として活用するためのタングステンカーバイドの多様な合成方法が開発され、また公知されている。本発明者らは、高表面積と、特に高い吸着能とを有し、そこに他の金属活性成分を担持させて電極触媒を製造し、前記ＤＭＦＣやＰＥＭＦＣのような燃料電池に活用する方法についてすでに報告している（例えば、特許文献１参照）。

しかし、さらに安定した電気的活性及び一酸化炭素に対する耐被毒性を有するタングステンカーバイド触媒、及び金属活性成分を担持させた電極触媒についての研究の必要性は、依然として大きいといえる。

大韓民国特許出願第１０−２００５−００６１１４９号

本発明がなそうとする第一の技術的課題は、電気化学的活性と一酸化炭素に対する耐被毒性とにすぐれ、さらに安定した単一相の結晶を形成し、少ない金属活性成分の担持量でも高い活性を表すことができるナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を提供することである。

本発明がなそうとする第二の技術的課題は、前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法を提供することである。

本発明がなそうとする第三の技術的課題は、前記ナノ多孔性タングステンカーバイドを含む燃料電池用電極を提供することである。

本発明がなそうとする第四の技術的課題は、前記ナノ多孔性タングステンカーバイドを含む燃料電池を提供することである。

前記第一の技術的課題をなすために、本発明は、タングステンカーバイド結晶粒子を含み、平均径が２ｎｍないし５ｎｍであり、触媒１ｇ当たり体積が０．０８ないし０．２５ｃｍ^３である細孔を含む多孔性タングステンカーバイド触媒を提供する。

前記第二の技術的課題をなすために、本発明は、（ａ）高分子に重合可能な単量体、及びタングステン前駆体を溶媒に溶解させた溶液を界面活性剤溶液と混合する段階と、（ｂ）前記混合物を水熱合成し、前記単量体が重合されて生成された高分子及びタングステン前駆体の結合したタングステン−高分子複合体を製造する段階と、（ｃ）前記タングステン−高分子複合体を分離して焼成する段階とを含むナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法を提供する。

前記第三の技術的課題をなすために、本発明は、前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を含む燃料電池用電極を提供する。

前記第四の技術的課題をなすために、本発明は、触媒層と拡散層とを備えるカソードと、触媒層と拡散層とを備えるアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に位置する電解質膜とを有する燃料電池であり、前記カソード及び前記アノードのうち少なくとも一方が前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を含むことを特徴とする燃料電池を提供する。

本発明（１）は、タングステンカーバイド結晶粒子を含み、平均径が２ｎｍないし５ｎｍであり、触媒１ｇ当たり体積が０．０８ないし０．２５ｃｍ^３である細孔を含むナノ多孔性タングステンカーバイド触媒である。
本発明（２）は、前記タングステンカーバイド結晶粒子で、タングステン：炭素：酸素の原子比が１：ｍ：ｎであり、０．４≦ｍ≦１、０≦ｎ≦０．１であることを特徴とする本発明（１）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒である。
本発明（３）は、前記タングステンカーバイド結晶粒子が炭素によって連結されていることを特徴とする本発明（１）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒である。
本発明（４）は、前記タングステンカーバイド結晶粒子からなるタングステンカーバイド触媒の平均粒径が０．０１ないし１００μｍであることを特徴とする本発明（１）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒である。
本発明（５）は、表面に担持された金属活性成分をさらに含むことを特徴とする本発明（１）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒である。
本発明（６）は、前記金属活性成分が白金、ルテニウム、オスミウム、コバルト、パラジウム、ガリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、アルミニウムまたはそれらの合金であることを特徴とする本発明（５）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒である。
本発明（７）は、
（ａ）高分子に重合可能な単量体、及びタングステン前駆体を溶媒に溶解させた溶液を界面活性剤溶液と混合する段階と、
（ｂ）前記混合物を水熱合成し、前記単量体が重合されて生成された高分子及び前記タングステン前駆体の結合したタングステン高分子複合体を製造する段階と、
（ｃ）前記タングステン−高分子複合体を分離して焼成する段階とを含むナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（８）は、前記（ａ）段階の前記高分子に重合可能な単量体が、レゾルシノール／ホルムアルデヒド、フェノール／ホルムアルデヒド、ピロール、チオフェン、アクロネートまたは塩化ビニルであることを特徴とする本発明（７）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（９）は、前記（ａ）段階の前記タングステン前駆体がタングステン酸塩であることを特徴とする本発明（７）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１０）は、前記タングステン酸塩が、メタタングステン酸アンモニウム、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、塩化タングステンまたはそれらの混合物であることを特徴とする本発明（９）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１１）は、前記（ａ）段階の前記溶媒が水またはアルコール系溶媒であることを特徴とする本発明（７）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１２）は、前記アルコール系溶媒がメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールまたはペンタノールであることを特徴とする本発明（１１）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１３）は、前記（ａ）段階の前記界面活性剤が、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、中性界面活性剤または非イオン性界面活性剤であることを特徴とする本発明（７）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１４）は、前記（ａ）で、タングステン前駆体と単量体とのモル比が１：５ないし１：２００であり、前記タングステン前駆体と溶媒とのモル比が１：５００ないし１：３，０００であり、前記タングステン前駆体と界面活性剤とのモル比が１：０．５ないし１：３であることを特徴とする本発明（７）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１５）は、前記（ｂ）段階で、前記水熱合成が１００ないし３００℃の温度条件で１０時間ないし３６時間行われることを特徴とする本発明（７）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１６）は、前記（ｂ）段階に重合開始剤がさらに含まれることを特徴とする本発明（７）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１７）は、前記重合開始剤が過硫酸ソーダ、過硫酸カリウムまたは塩化鉄であることを特徴とする本発明（１６）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１８）は、前記（ｃ）段階の前記焼成が５００℃ないし１，４００℃で行われることを特徴とする本発明（７）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（１９）は、前記（ｃ）段階後に生成された粒子表面に金属活性成分を担持させる段階をさらに含むことを特徴とする本発明（７）のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法である。
本発明（２０）は、本発明（１）から（６）のうちいずれか１発明のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を含む燃料電池用電極である。
本発明（２１）は、触媒層と拡散層とを備えるカソードと、触媒層と拡散層とを備えるアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に位置する電解質膜とを有する燃料電池において、前記カソード及び前記アノードのうち少なくとも一方が、本発明（１）から（６）のうちいずれか１発明のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を含むことを特徴とする燃料電池である。

本発明のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒、または前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒に金属活性成分を担持した触媒は、電気化学活性と一酸化炭素に対する耐被毒性とが非常に高く、燃料電池の電極に長期間使用しても、高い活性を維持できるだけではなく、細孔のサイズが小さくて細孔体積が大きく、金属活性成分を良好に分散させることができ、従来の貴金属触媒よりさらに少量の金属活性成分を使用しても、一層高い触媒活性を得ることができるので、燃料電池用電極とこれを採用した燃料電池とをさらに低コストで製造することが可能である。

以下、本発明をさらに具体的に説明する。

本発明の第１様態は、タングステンカーバイド結晶粒子を含み、平均径が２ｎｍないし５ｎｍほどであり、触媒１ｇ当たり体積が０．０８ないし０．２５ｃｍ^３である細孔を含むタングステンカーバイド触媒を提供する。前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒は、燃料電池の電極に触媒として使われうる。それだけではなく、前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒は、他の金属活性成分を表面に担持し、前記金属活性成分に対して担体の役割を行うことも可能である。

本発明のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒は、微細なタングステンカーバイド結晶粒子が集まってなり、前記タングステンカーバイド結晶粒子は、ほとんどＷＣ単一相によりなり、Ｗ_２Ｃ、ＷＣ_１−ｘ、またはＷＯ_３相は、ほとんど現れない（ここで、ｘは、０と１との間の任意の実数であり、製造条件によって変化する定数である）。

本発明で、全体のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒において、タングステン：炭素：酸素の原子比は、１：ｍ：ｎであり、０．４≦ｍ≦１、０≦ｎ≦０．１であることが望ましい。前記ｍの値が０．４より小さければ、炭素と結合していない金属相のタングステンが存在し、前記ｍの値が１より大きければ、タングステンと結合していない遊離炭素が存在して活性が低くなる。また、前記ｎの値が１より大きければ、酸素が表面に留まらずに本体に混入し、やはり活性を下げてしまう。前記ｎの値が０である場合は、酸素が結合していない場合を意味する。

また、本発明で、前記タングステンカーバイド結晶粒子は、炭素によって互いに連結されることにより、タングステンカーバイド触媒粒子をなす。前記の通り、炭素がタングステンカーバイド結晶粒子を連結する様相は、例えば、炭素からなる枠組（ｔｅｍｐｌａｔｅ）に前記タングステンカーバイド結晶粒子がはめ込まれ、タングステンカーバイド触媒粒子をなすと理解することができる。

本発明で、前記タングステンカーバイド結晶粒子のサイズは、特別に限定されず、ただし、前記タングステンカーバイド結晶粒子からなるタングステンカーバイド触媒は、平均粒径が０．０１ないし１００μｍであることが望ましく、さらに望ましくは、０．０５ないし５０μｍである。前記タングステンカーバイド触媒の平均粒径が０．０１μｍより小さければ、粒子同士容易に凝集してしまう傾向があって触媒粒子として望ましくなく、１００μｍを超えれば、比表面積が小さくなり、触媒活性が低下するという問題があって望ましくない。

前述のように、本発明のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒は、他の金属活性成分を表面に担持することにより、前記金属活性成分に対して担体の役割を行うことができる。このときにも、前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒は、触媒としての活性をそのまま維持し、表面に担持された金属活性成分と共に、全体的にさらに向上した触媒活性を示す。

本発明で、前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒に担持される前記金属活性成分は、特に限定されるものではなく、燃料電池用電極の酸化還元反応に対して触媒の役割を果たせる金属ならばよい。かかる金属の非制限的な例としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、またはＡｌなどを挙げることができる。また、それらのうち二以上の金属元素を任意に選択して合金形態にしたものもここに含まれる。

本発明の第２様態は、前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法を提供する。

本発明の前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法は、（ａ）高分子に重合可能な単量体、及びタングステン前駆体を溶媒に溶解させた溶液を界面活性剤溶液と混合する段階（反応物の混合段階）と、（ｂ）前記混合物を水熱合成し、前記単量体が重合されて生成された高分子及びタングステン前駆体の結合したタングステン−高分子複合体を製造する段階（水熱合成段階）と、（ｃ）前記タングステン−高分子複合体を分離して焼成する段階（焼成段階）とを含む。

以下、前記各段階別に分けてさらに具体的に説明する。

（ａ）反応物混合段階
本段階で、前記高分子に重合可能な単量体は、適切な温度範囲で重合できる単量体であるならば、特別に限定されるものではない。前記単量体は、例えば、レゾルシノール／ホルムアルデヒド、フェノール／ホルムアルデヒド、ピロール、チオフェン、アクロネート、塩化ビニルなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。前記単量体が高分子に重合される様相は、開始剤、光または熱により開始されるラジカル重合であることもあり、イオン重合であることもあり、特別に限定されるものではない。特に、前記単量体として、レゾルシノールのようなホルムアルデヒドを使用する場合、それらは、脱水縮合反応を介して共重合体を形成する。

また、本段階で、前記タングステン前駆体は、タングステン原子を含みつつ、焼成によりタングステン原子を供給できる化合物ならばよく、特別に限定されるものではない。特に、前記タングステン前駆体は、タングステン酸塩であることが望ましい。前記タングステン酸塩は、過度に苛酷な条件ではなくても、タングステン原子を円滑に供給できる。前記タングステン酸塩のさらに具体的な例としては、メタタングステン酸アンモニウム（ＡＭＴ）、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、塩化タングステン、またはそれらの混合物などを挙げることができるが、それらに限定されるものではない。

また、本段階で、前記溶媒は、極性溶媒であることが望ましく、例えば、水またはアルコール系溶媒が望ましいが、それらに限定されるものではない。前記アルコール系溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールのようなプロパノール、ブタノール、ペンタノールなどを挙げることができる。また、前記水は、特に脱イオン水であることが望ましい。

前記タングステン前駆体と前記単量体との相対的な含有量は、モル数を基準に１：５ないし１：２００であることが望ましい。もし単量体の含有量が前記範囲に達せずに少なすぎれば、遊離炭素の含有量が多すぎ、もし単量体の含有量が前記範囲を超えて多すぎれば、炭素の欠乏したタングステンカーバイドが生成されて望ましくない。

また、前記タングステン前駆体と前記溶媒との相対的な含有量は、モル数を基準に１：５００ないし１：３，０００であることが望ましい。もし溶媒の含有量が前記範囲に達せずに少なすぎれば、反応物の十分な混合が困難であり、もし溶媒の含有量が前記範囲を超えて多すぎれば、反応物の濃度が低すぎて反応が円滑に進み難い。

また、本段階で、前記界面活性剤溶液に使われる界面活性剤は、気孔を形成できる界面活性であればよく、特別に限定されるものではない。本発明で、前記界面活性剤は、前記タングステン前駆体の分散度を増大させ、前記タングステン前駆体と前記単量体とから形成された高分子からなるタングステン−高分子複合体の形成時に、それらを覆い包むことにより、さらにサイズの小さい粒子を形成させる役割を果たす。前記小サイズの粒子は、高い表面エネルギーによって互いに塊になるが、このとき、界面活性剤によって内部空間がさらに大きくなり、最終的に焼成段階でそれらが抜け出すことによって気孔を形成できる。

前記界面活性剤の具体的な例としては、ＣＨ_３（ＣＨ_２）_ｎ−１Ｎ（ＣＨ_３）_３Ｂｒ（ここで、ｎ＝１０、１２、１４または１６）のような陽イオン界面活性剤、ＣＨ_３（ＣＨ_２）_ｎ−１ＣＯＯＨ（ここで、ｎ＝１１、１３または１５）のような陰イオン界面活性剤、ＣＨ_３（ＣＨ_２）_ｎ−１ＮＨ_２（ここで、ｎ＝１２または１６）のような中性界面活性剤、ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１５Ｎ（ＰＥＯ）_ｎＯＨ（ここで、ｎ＝２または２０であり、ＰＥＯは、酸化ポリエチレンである）のような非イオン性界面活性剤などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

本段階で、前記界面活性剤溶液は、前記界面活性剤を水、アルコールなどの溶媒に溶解させて製造でき、特別に限定されるものではない。

本段階で、前記タングステン前駆体と前記界面活性剤との相対的な含有量は、モル数を基準に１：０．５ないし１：３であることが望ましい。界面活性剤の含有量が前記範囲に達せずに少なすぎれば多孔性物質形成が難しく、界面活性剤の含有量が前記範囲を超えて多すぎれば、細孔サイズが大きすぎるタングステンカーバイドが生成されて望ましくない。

前記タングステン前駆体、単量体、溶媒及び界面活性剤溶液は、一度に混合することもできるが、固体であるタングステン前駆体をまず溶媒に溶解させるか、または分散させた後、その分散液を液体である単量体及び界面活性剤溶液と混合させることが均一な混合のために望ましい。

（ｂ）水熱合成段階
本発明で水熱合成とは、超臨界または亜臨界の状態の水溶液を利用し、無機酸化物を溶解度の低い無機酸化物として析出させる方法であり、一段階の単純な工程により粒度分布の均一な高純度の単結晶酸化物を合成できる方法をいう。
本発明で、前記反応混合物の水熱合成は、１００℃から３００℃の温度条件下で行われることが望ましい。前記反応温度が１００℃以下の範囲では、水の沸点より低くて反応が起こらないこともあり、３００℃以上の反応温度では、生成物の粒径が大きすぎるという短所がある。また、本発明で、前記水熱合成の反応時間は、１０時間ないし３６時間が適当である。１０時間以下である場合、反応物の合成がなされないこともあり、３６時間以上では、粒径が大きくて細孔構造が崩れることもある。

前記の通りに水熱合成過程で、前記単量体が重合される。本発明で、前記水熱合成過程には、前記単量体の重合を容易にするために、重合開始剤が追加で含まれうる。本段階で追加で含まれうる重合開始剤としては、過硫酸ソーダ、過硫酸カリウム、塩化鉄などを挙げることができるが、これらに限定するものではない。
本段階で、単量体が重合されつつ生成された高分子は、溶媒内でゲル相を帯び、前記高分子内にタングステン前駆体が含まれつつ比重が大きくなり、沈殿として沈むこととなる。

（ｃ）焼成段階
本段階は、前記過程で生成された沈殿物を濾過などの方法で分離し、不活性雰囲気で焼成し、ナノ多孔性タングステンカーバイドを形成する段階である。

本段階で、前記沈殿物の分離方法は、濾過紙により濾過する方法を使用でき、特別に制限するものではない。

また、本段階で、前記不活性雰囲気のためには、窒素、アルゴンガスなどを使用でき、特別に制限するものではない。

本段階で、前記焼成は、例えば、オーブンまたは加熱炉のような加熱空間を有する加熱装置で行うことができる。前記焼成温度は、５００ないし１，４００℃で行うことが望ましい。前記焼成温度が５００℃より低ければ、タングステンカーバイドが生成されず、前記焼成温度が１，４００℃より高ければ、製造されたタングステンカーバイドの表面積が焼結現象により縮少するという短所がある。

前記のように焼成を行えば、前記高分子が炭化されつつタングステン前駆体と結合し、このとき、結合していない高分子及び界面活性剤の占めていた部分が、焼成過程で空間に形成されることにより、微細な孔隙を有したナノ多孔性のタングステンカーバイド触媒を得ることができる。

本発明で製造された前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒は、それ自体で燃料電池電極の活性触媒として使われうる。

また、本発明は、前記（ｃ）段階で生成された粒子表面に他の金属活性成分を担持する段階をさらに含むことにより、前記金属活性成分に対して担体の役割を果たすナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を製造することもできる。前記金属活性成分を本発明の高表面積タングステンカーバイド触媒に担持させる方法は、特別に限定されず、一般的な触媒担体、例えば、シリカ（ＳｉＯ２）担体上に貴金属触媒を担持させる方法などを利用できる。
本発明の第３様態は、前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を含む燃料電池用電極を提供する。

前記電極を製造する方法は、燃料電池用電極の製造方法として公知の通常の方法により、特別に限定されるものではない。前記製造方法の非制限的な一具現例について具体的に述べれば、次の通りである。

本発明のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒とバインダとを溶媒に分散させてスラリ状にする。前記バインダとしては、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化ポリビニリデン、フッ化ポリビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンの共重合体（ＰＶｄＦ−ＨＦＰ）、酢酸セルロースのような物質を使用でき、溶媒としては、水、アルコール（メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、ブチルアルコール）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ−メチルピロリドン、テトラヒドロフランのような物質を使用できる。前記の通りに製造したスラリを電極基材にコーティングして乾燥させる。コーティング方法は、組成物の粘性により、スクリーンプリンティング法、スプレイコーティング法、ドクターブレードを利用したコーティング法、グラビアコーティング法、ディップコーティング法、シルクスクリーン法、ペインティング法などが使われ、これらに限定されるものではない。

前記電極基材は、例えば、カーボンペーパー、さらに望ましくは、撥水処理されたカーボンペーパー、さらに一層望ましくは、撥水処理されたカーボンブラック層の塗布された撥水処理されたカーボンペーパーまたはカーボンクロス（ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ）であるが、それらに限定されるものではない。前記電極基材は、燃料電池用電極を支持する役割を行いつつ、触媒層に反応ガスを拡散させ、触媒層に反応ガスが容易に接近できるガス拡散層としての役割を果たす。

前記電極は、ガス拡散層と触媒層との間にガス拡散効果をさらに増進させるために、微細多孔層（ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ ｌａｙｅｒ）をさらに含むこともできる。前記微細多孔層は、例えば、炭素粉末、カーボンブラック、活性炭素、アセチレンブラックのような導電性物質、ＰＴＦＥのようなバインダ、及び必要によってイオノマーを含む組成物を塗布して形成できるが、それらに限定されるものではない。

本発明の第４様態は、前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を含む燃料電池を提供する。すなわち、触媒層と拡散層とを備えるカソードと、触媒層と拡散層とを備えるアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に位置する電解質膜とを有する燃料電池において、前記カソード及び前記アノードのうち少なくとも一方が本発明による前記ナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を含むことを特徴とする燃料電池を提供する。

本発明の燃料電池は、例えば、ＰＡＦＣ、ＰＥＭＦＣ、ＤＭＦＣなどに適用され、特にＤＭＦＣにさらに有利に適用可能である。かかる燃料電池の製造は、各種文献に公知されている一般的な方法を利用できるので、本明細書では、それについての詳細な説明を省略する。

以下、具体的な実施例及び比較例でもって本発明の構成及び効果をさらに詳細に説明するが、それらの実施例は、単に本発明をさらに明確に理解させるためのものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではない。

実施例１
界面活性剤として、臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢｒ）を水に溶解させて水溶液を製造した。また、メタタングステン酸アンモニウム５ｇを水に分散させた後、レゾルシノール１．２ｇと３０％ホルムアルデヒド１．８ｍｌとを混合した溶液に入れて均一に分散されるように撹拌した。

前記溶液を高圧反応期に搭載した後、１５０℃で二日間水熱合成した。前記固体反応生成物を濾過し、１１０℃で一日乾燥した。前記乾燥された反応生成物を不活性雰囲気で９００℃で１時間、水素雰囲気で２時間加熱した。

前記のように製造したタングステンカーバイド触媒に対してＸＲＤ分析（Ｐｈｉｌｉｐｓ社で製造されたＣＭ−２００モデルを利用し、２００ｋＶで分析する）を行った結果、本発明のタングステンカーバイド触媒がほとんどＷＣの単一相に構成されていることが分かった。そして、少量のＷ_２Ｃ及びＷＣ_１−ｘの相が観察されたが、ＷＯ_３相は、観察されなかった（図１）。

また、前記のように製造したタングステンカーバイドに対して等温線分析（Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ社のＡＳＡＰ ２０１０モデル利用）を実施した。前記分析による吸着等温線の結果は、合成されたタングステンカーバイドが微細細孔を形成していることを表し（図２の外部グラフ）、細孔サイズ分布図の結果（図２の内部グラフ）は、前記製造されたタングステンカーバイドがメソ多孔性の構造形態であり、ほとんどの細孔サイズが平均直径２ないし５ｎｍであることを表している。そして、製造されたタングステンカーバイドの細孔体積は、触媒１ｇ当たり約０．２４ｃｍ^３であった。

前記のように製造したタングステンカーバイドに対し、さらに正確な分析のために、高倍率透過顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）の分析（ＪＥＯ社で製造されたＪＥＭ ２０１０Ｆモデル利用）を行った結果、水熱合成による多孔性タングステンカーバイドは、炭素の豊富な外皮に捕集されているタングステンカーバイドナノ粒子の集合体により構成されているこということが分かった（図３）。格子縁取りが約０．２５ｎｍであり、これは、簡単なタングステンカーバイド六方晶系の（１００）格子面の内部格子間の距離と一致した。

また、前記のように製造したタングステンカーバイドに対する選択的面積電子回折（ＳＡＥＤ：Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）の分析（ＪＥＯＬ社で製造されたＪＥＭ ２０１０Ｆモデル利用）結果、ナノ多孔性タングステンカーバイドが結晶性にすぐれるということが分かった（図４）。

前記のように製造したタングステンカーバイドの一酸化炭素に対する耐被毒性を知るために、一酸化炭素の最大沈積量を測定した。測定方法は、昇温脱着法（ＴＰＤ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）を利用した。昇温脱着法とは、吸着物を吸着剤表面に吸着させた後で一定に温度に昇温させつつ脱着される物質を分析する方法であり、該分析方法を介して吸着物の脱着温度が分かるので、吸着物が吸着剤に物理吸着を行ったか、あるいは化学吸着を行ったかが分かり、この吸着物が表面と結合する結合エネルギーも分かる。本実施例では、Ｍａｓｓ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ（ＨＰ社の５９７３）が搭載されたＨＰ社の６８９０ ＧＣモデルを利用して脱着量まで定量した。測定された一酸化炭素の最大沈積値は１０６μｍｏｌ／ｇであり、これは、前記のように製造したタングステンカーバイド中の総タングステン原子の１０％に該当する。

実施例２
蒸溜水２５ｍｌにＮａＯＨ ０．２９ｇを溶解させた後、ＮａＢＨ_４ ０．６４ｇを溶解させ、前記実施例１で製造した多孔性タングステンカーバイド触媒０．６ｇを前記溶液に入れて撹拌し、よく分散させた。その後、前記溶液にＨ_２ＰｔＣｌ_６ １ｍｌを入れて３０分間追加的に撹拌した後、遠心分離及び乾燥を介し、７．５％のＰｔ／タングステンカーバイド触媒を製造した。

前記製造されたＰｔ／タングステンカーバイド触媒に対して等温線分析、高倍率透過顕微鏡分析、及び選択的面積電子回折分析を実施した。

前記分析結果から、Ｐｔを担持した前記Ｐｔ／タングステンカーバイド触媒の場合も、前記実施例１の場合と同様な結果を示すことを確認した。

実施例３
Ｈ_２ＰｔＣｌ_６ １ｍｌの代わりに０．４７ｍｌを入れたことを除いては、前記実施例２と同じ方法でＰｔ／タングステンカーバイド触媒を製造した。

前記実施例３で製造されたＰｔ／タングステンカーバイド触媒に対する高倍率透過顕微鏡写真を図５に表した。図５に示したように、ナノ多孔性タングステンカーバイドに担持されたＰｔ粒子が非常によく分散され、平均粒径が約２ｎｍほどであるということが分かる。

比較例１
界面活性剤を使用せず、メタタングステン酸アンモニウム２．４ｇを水に分散させた後、レゾルシノール１．２ｇと３０％ホルムアルデヒド１．８ｍｌとを混合した溶液に入れ、均一に分散されるように撹拌した。前記のように撹拌した混合物を容器に入れ、９４℃を維持しつつ２４時間反応するように放置した。

２４時間が経過した後、前記容器の底にゲル状のタングステン前駆体−高分子の複合体が沈殿した。前記沈殿を濾過し、不活性雰囲気で９００℃で３時間焼成して球形タングステンカーバイド触媒を製造した。

比較例２
前記実施例１で製造した多孔性タングステンカーバイド触媒０．６ｇの代わりに、前記比較例１で製造した球形タングステンカーバイド触媒０．６ｇを入れたことを除いては、前記実施例２と同じ方法で触媒を製造した。

比較例３
既存の商品化された触媒である２０％Ｐｔ−Ｒｕ／カーボンブラック触媒（Ｅ−ＴＥＫ社製、Ｖｕｌｃａｎ−ＸＣ ７２Ｒ）を利用した。

前記実施例２及び実施例３並びに比較例２及び比較例３の触媒をメタノールの電気化学的酸化反応に適用した。まず、水素吸脱着方法を利用し、さまざまな触媒の非活性及び質量活性をサイクリックボルタンメトリー（ｃｙｃｌｉｃ ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）を利用して分析した。前記サイクリックボルタンメトリー分析のために、電気化学的測定のための作業電極として、１ｍｌ蒸溜水と５ｗｔ％のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）溶液１０μｍとに触媒が支持されたＰｔを十分に分散させて製作した。分散は、１５分間ウルトラ超音波分解を利用し、公知の定量の浮遊物質をガラス炭素（ｇｌａｓｓｙ ｃａｒｂｏｎ）上に添加した後でゆっくり蒸発させた。５ｗｔ％のナフィオン溶液１０μｌを、コーティングされた面上にさらに添加してゆっくり蒸発させた。そして、カウンタ電極としては、Ｐｔホイルを、基準電極としては、Ａｇ／ＡｇＣ／３Ｍ ＮａＣｌを使用した。電気化学研究のために、１Ｍ Ｈ_２ＳＯ_４と１Ｍ ＣＨ_３ＯＨとの溶液を使用した。電気化学的実験のために、プリンストン・アプライド・リサーチ・ボルタンメトリー（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（ＰＡＲ） Ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）で製造された２６３Ａ モデルを使用し、前記触媒の０．７５Ｖでの非活性及び質量活性を測定した。前記サイクリックボルタンメトリーを利用した非活性及び質量活性の測定結果を下記表１に表した。

前記表１から分かるように、本発明によるナノ多孔性構造を有するタングステンカーバイドに白金を担持した触媒である実施例２及び実施例３の場合は、ナノ多孔性構造を有さない比較例２及び比較例３の場合に比べ、非活性及び質量活性が高いということを確認することができる。従って、同一量のＰｔを担持する場合、触媒の活性が高いこということが分かる。また、実施例２及び実施例３の結果から、本発明によるナノ多孔性構造を有するタングステンカーバイドに白金を担持した触媒は、Ｐｔの量が半分に減っても触媒活性の低下幅が小さいということを確認することができる。従って、本発明によるナノ多孔性構造を有する触媒は、少量の貴金属触媒を担持する場合にも、触媒活性の高い燃料電池の製造が可能であるということが分かる。

また、前記実施例２、比較例２及び比較例３の触媒に対して１Ｍ硫酸−１Ｍメタノール溶液中で、メタノール酸化反応を連続的に行った。３０回ほどの反復後に、サイクリックボルタンメトリーの面積が安定化してほとんど変化がなく、これは、触媒表面に酸素が生成された後で転移領域でなくなったものと判断される。一度ピーク状態に達した後、１００回の反復にもかかわらず、触媒の活性低下がなかった。図６に表したように、実施例３のタングステンカーバイド物質（図６の（ａ））において、ピーク電位の差が比較例２（図６の（ｂ））及び比較例３（図６の（ｃ））のものより小さいということを確認でき、これは、タングステンカーバイドを含有している物質の一酸化炭素に対する高い耐性を表す。そして、実施例２の触媒のメタノール酸化反応のピーク電位が、残りの触媒よりさらに小さい値に移動した。この結果から、実施例２のＰｔ／タングステンカーバイド触媒は、Ｒｔがないにもかかわらず、一酸化炭素の被毒現象を減らし、メタノールの電気的酸化反応に対する活性が向上するということを確認することができる。これは、高表面積タングステンカーバイド触媒が直接メタノールの分解反応に参与し、水を活性化させてヒドロキシ基（−ＯＨ）を生成させることにより、触媒毒になる酸化炭素を除去させることに起因するものと判断される。

以上で述べたように、本発明の望ましい実施例について詳細に記述したが、本発明の属する技術分野において当業者ならば、特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲を外れずに、本発明をさまざまに変形して実施できるであろう。よって、本発明の今後の実施例の変更は、本発明の技術を外れることはないのである。

本発明のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒及びその製造方法は、例えば、燃料電池関連の技術分野に効果的に適用可能である。

実施例１のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒に対するＸ線回折（ＸＲＤ）分析結果を表したグラフである。 実施例１のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒に対する窒素吸・脱着等温線と等温線から計算された細孔サイズ分布の結果とを表したグラフである。 実施例１のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の高倍率透過顕微鏡写真（ＨＲＴＥＭ）である。 実施例１のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の選択的面積電子回折（ＳＡＥＤ）の分析結果を表した写真である。 本発明の実施例３で製造されたＰｔの担持されたナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の高倍率透過顕微鏡写真である。 実施例３、比較例２及び比較例３の触媒に対するサイクリックボルタンメトリー試験の結果を表したグラフである。

Claims (21)

1. タングステンカーバイド結晶粒子を含み、平均径が２ｎｍないし５ｎｍであり、触媒１ｇ当たり体積が０．０８ないし０．２５ｃｍ^３である細孔を含むナノ多孔性タングステンカーバイド触媒。
2. 前記タングステンカーバイド結晶粒子で、タングステン：炭素：酸素の原子比が１：ｍ：ｎであり、０．４≦ｍ≦１、０≦ｎ≦０．１であることを特徴とする請求項１に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒。
3. 前記タングステンカーバイド結晶粒子が炭素によって連結されていることを特徴とする請求項１に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒。
4. 前記タングステンカーバイド結晶粒子からなるタングステンカーバイド触媒の平均粒径が０．０１ないし１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒。
5. 表面に担持された金属活性成分をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒。
6. 前記金属活性成分が白金、ルテニウム、オスミウム、コバルト、パラジウム、ガリウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、アルミニウムまたはそれらの合金であることを特徴とする請求項５に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒。
7. （ａ）高分子に重合可能な単量体、及びタングステン前駆体を溶媒に溶解させた溶液を界面活性剤溶液と混合する段階と、
   （ｂ）前記混合物を水熱合成し、前記単量体が重合されて生成された高分子及び前記タングステン前駆体の結合したタングステン高分子複合体を製造する段階と、
   （ｃ）前記タングステン−高分子複合体を分離して焼成する段階とを含むナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
8. 前記（ａ）段階の前記高分子に重合可能な単量体が、レゾルシノール／ホルムアルデヒド、フェノール／ホルムアルデヒド、ピロール、チオフェン、アクロネートまたは塩化ビニルであることを特徴とする請求項７に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
9. 前記（ａ）段階の前記タングステン前駆体がタングステン酸塩であることを特徴とする請求項７に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
10. 前記タングステン酸塩が、メタタングステン酸アンモニウム、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、塩化タングステンまたはそれらの混合物であることを特徴とする請求項９に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
11. 前記（ａ）段階の前記溶媒が水またはアルコール系溶媒であることを特徴とする請求項７に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
12. 前記アルコール系溶媒がメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールまたはペンタノールであることを特徴とする請求項１１に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
13. 前記（ａ）段階の前記界面活性剤が、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、中性界面活性剤または非イオン性界面活性剤であることを特徴とする請求項７に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
14. 前記（ａ）で、タングステン前駆体と単量体とのモル比が１：５ないし１：２００であり、前記タングステン前駆体と溶媒とのモル比が１：５００ないし１：３，０００であり、前記タングステン前駆体と界面活性剤とのモル比が１：０．５ないし１：３であることを特徴とする請求項７に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
15. 前記（ｂ）段階で、前記水熱合成が１００ないし３００℃の温度条件で１０時間ないし３６時間行われることを特徴とする請求項７に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
16. 前記（ｂ）段階に重合開始剤がさらに含まれることを特徴とする請求項７に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
17. 前記重合開始剤が過硫酸ソーダ、過硫酸カリウムまたは塩化鉄であることを特徴とする請求項１６に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
18. 前記（ｃ）段階の前記焼成が５００℃ないし１，４００℃で行われることを特徴とする請求項７に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
19. 前記（ｃ）段階後に生成された粒子表面に金属活性成分を担持させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒の製造方法。
20. 請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を含む燃料電池用電極。
21. 触媒層と拡散層とを備えるカソードと、触媒層と拡散層とを備えるアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に位置する電解質膜とを有する燃料電池において、前記カソード及び前記アノードのうち少なくとも一方が、請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載のナノ多孔性タングステンカーバイド触媒を含むことを特徴とする燃料電池。

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