JP2007313423A - Metal catalyst, its manufacturing method and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal catalyst manufactured by depositing a metal fine particle having the particle size smaller than that of the metal fine particle available in the market on the surface of carbon black being a carrier particle, a method for manufacturing the metal catalyst and a fuel cell which is formed by using the metal catalyst and has excellent cell characteristics. <P>SOLUTION: The metal catalyst is manufactured by depositing many metal fine particles on the surface of the carbon black irradiated with ionizing radiation. The method for manufacturing the metal catalyst comprises the steps of: irradiating carbon black with ionizing radiation; dispersing the carbon black irradiated thus in a reaction system having a liquid phase containing a metal ion being a raw material of the metal fine particle; and reducing the metal ion by the action of a reducing agent to precipitate the reduced metal ion as a fine particle and deposit the precipitated metal fine particle on the surface of the dispersed carbon black. The fuel cell comprises the manufactured metal catalyst. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、特に、燃料電池用触媒等として好適に用いることができる金属触媒と、その製造方法と、前記金属触媒を用いて形成される燃料電池とに関するものである。   In particular, the present invention relates to a metal catalyst that can be suitably used as a catalyst for a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell formed using the metal catalyst.

燃料電池用触媒等としては、金属、特に、貴金属を用いた金属触媒が使用されるが、貴金属元素は、地球上に限られた量しか存在しないことから、その使用量を極力、減らして、なおかつ、触媒としての作用は、できるだけ向上させることが求められる。そこで、この要求に対応するために、前記金属触媒としては、例えば、カーボンブラックや無機化合物等からなる担体粒子の表面に、金属の微粒子を担持させた複合構造を有するものが、広く用いられている。   As a catalyst for a fuel cell or the like, a metal catalyst, particularly a metal catalyst using a noble metal, is used, but since noble metal elements are present in a limited amount on the earth, the amount used is reduced as much as possible. Moreover, it is required to improve the action as a catalyst as much as possible. Therefore, in order to meet this requirement, as the metal catalyst, for example, a catalyst having a composite structure in which metal fine particles are supported on the surface of carrier particles made of carbon black or an inorganic compound is widely used. Yes.

触媒作用は、主に、金属の表面において発揮されることから、前記複合構造を有する金属触媒においては、良好な触媒作用を維持しながら、金属の使用量をできるだけ少なくするために、単体粒子の表面に担持させる金属微粒子を、できる限り小粒径で、比表面積の大きいものとすることが有効である。   Since the catalytic action is mainly exerted on the surface of the metal, in the metal catalyst having the composite structure, in order to minimize the amount of metal used while maintaining good catalytic action, It is effective to make the metal fine particles supported on the surface as small as possible and have a large specific surface area.

担体粒子の表面に、金属微粒子を担持させる方法としては、含浸法と呼ばれる高温処理法や、液相還元法、気相法等があり、特に、近年、製造設備の簡易化が容易な液相還元法、すなわち、担体粒子を、金属微粒子のもとになる金属のイオンを含む、液相の反応系中に分散させた状態で、前記金属のイオンを、還元剤の作用によって還元させることで、微粒子状に析出させると共に、担体粒子の表面に担持させる方法が、広く普及しつつある。   As a method for supporting the metal fine particles on the surface of the carrier particles, there are a high temperature treatment method called an impregnation method, a liquid phase reduction method, a gas phase method, and the like. Reduction method, that is, by reducing the metal ions by the action of a reducing agent in a state where the carrier particles are dispersed in a liquid phase reaction system containing metal ions that form the metal fine particles. In addition, a method of precipitating in the form of fine particles and supporting it on the surface of carrier particles is becoming widespread.

液相還元法によって形成する金属微粒子の粒径を小さくするためには、担体粒子の比表面積を大きくすることが有効であると考えられている。そのため、例えば、特許文献1では、担体粒子として、比表面積が250〜350m2/g、粒径が150〜350Åである難黒鉛化性カーボンブラックや、比表面積が900〜1500m2/g、粒径が200〜400Åである易黒鉛化性カーボンブラックを使用することが提案されている。 In order to reduce the particle size of the metal fine particles formed by the liquid phase reduction method, it is considered effective to increase the specific surface area of the carrier particles. Therefore, for example, Patent Document 1, as the carrier particles, specific surface area of 250 to 350 2 / g, particle size and non-graphitizable carbon black is 150~350A, specific surface area of 900~1500m 2 / g, particle It has been proposed to use easily graphitizable carbon black having a diameter of 200 to 400 mm.

また、特許文献2では、担体粒子として、比表面積が70〜800m2/g、[002]面の平均格子面間隔d002が0.337〜0.348nm、結晶子の大きさLc(002)が3〜18nmであるカーボン担体を用いることが提案されている。さらに、特許文献3では、担体粒子として、比表面積が600〜1200m2/gである炭素粉末を用いることが提案されている。 In Patent Document 2, as carrier particles, the specific surface area is 70 to 800 m 2 / g, the average lattice spacing d 002 of [002] plane is 0.337 to 0.348 nm, and the crystallite size Lc (002) It has been proposed to use a carbon support having a thickness of 3 to 18 nm. Further, Patent Document 3 proposes to use carbon powder having a specific surface area of 600 to 1200 m 2 / g as carrier particles.

また、金属微粒子の粒径を小さくするためには、液相還元法による金属微粒子の析出時に、液相の反応系中に、ホウ素、ケイ素、リン、硫黄、窒素等の不純物元素を含有させておき、これらを、金属元素と共析させる方法も有効であり、例えば、非特許文献1においては、金属元素としての白金とルテニウムとを、不純物元素としてのリンと共析させることで、金属微粒子の粒径を2nmまで小さくできたことが報告されている。
特開平8−117598号公報 特開2000−268828号公報 特開2003−308849号公報 電気化学会第72回大会学術講演要旨集1G09(平成17年4月1日発行)
In order to reduce the particle size of the metal fine particles, an impurity element such as boron, silicon, phosphorus, sulfur, nitrogen or the like is included in the liquid phase reaction system when the metal fine particles are deposited by the liquid phase reduction method. In addition, a method of co-depositing these with a metal element is also effective. For example, in Non-Patent Document 1, metal fine particles are obtained by co-depositing platinum and ruthenium as metal elements with phosphorus as impurity elements. It has been reported that the particle size of can be reduced to 2 nm.
JP-A-8-117598 JP 2000-268828 A JP 2003-308849 A Proceedings of the 72nd Annual Meeting of the Electrochemical Society of Japan 1G09 (issued April 1, 2005)

しかしながら、これらの方法によって金属微粒子の粒径を小さくする効果には限界があり、この限界よりもさらに金属微粒子の粒径を小さくして、触媒効率を向上させることで、例えば、燃料電池の電池特性を、現状よりもさらに良好なものとするためには、新たな対策を講じる必要がある。本発明の目的は、担体粒子としてのカーボンブラックの表面に、現状よりもさらに粒径の小さい金属微粒子が担持された金属触媒と、その製造方法と、前記金属触媒を用いて形成される、電池特性に優れた燃料電池とを提供することにある。   However, there is a limit to the effect of reducing the particle size of the metal fine particles by these methods, and by reducing the particle size of the metal fine particles further than this limit and improving the catalyst efficiency, for example, a battery of a fuel cell In order to make the characteristics even better than the current situation, it is necessary to take new measures. An object of the present invention is to provide a metal catalyst in which metal fine particles having a particle diameter smaller than that of the current state are supported on the surface of carbon black as carrier particles, a manufacturing method thereof, and a battery formed using the metal catalyst. The object is to provide a fuel cell having excellent characteristics.

前記課題を解決するための、請求項1記載の発明は、電離放射線が照射されたカーボンブラックと、前記カーボンブラックの表面に担持された、多数の金属微粒子とを含むことを特徴とする金属触媒である。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 includes a metal catalyst comprising carbon black irradiated with ionizing radiation and a large number of metal fine particles supported on the surface of the carbon black. It is.

従来、液相還元法による、金属微粒子の析出および担持の初期の段階では、カーボンブラックの表面に存在する、電気陰性度の高い元素(酸素、窒素、フッ素、イオウ、リン等)を含む、例えば−COOH、−C=O、−C≡N、−CF3、−C−SO3、−C−PO3等の化学種が、反応系中に含まれる、前記金属微粒子のもとになる金属のイオンを吸着する吸着サイトとして機能し、前記吸着サイトに吸着された金属のイオンが、還元剤の作用によって還元されて、成長の核として機能し、前記核を起点として金属微粒子が成長する。 Conventionally, in the initial stage of deposition and loading of metal fine particles by the liquid phase reduction method, it contains elements with high electronegativity (oxygen, nitrogen, fluorine, sulfur, phosphorus, etc.) present on the surface of carbon black, for example A metal that is a source of the metal fine particles, in which a chemical species such as —COOH, —C═O, —C≡N, —CF 3 , —C—SO 3 , —C—PO 3 is contained in the reaction system. The metal ions adsorbed on the adsorption sites are reduced by the action of a reducing agent to function as growth nuclei, and metal fine particles grow from the nuclei as a starting point.

そのため、先に説明したように、カーボンブラックの比表面積を大きくするほど、前記カーボンブラックの表面に存在する、吸着サイトとして機能する化学種の数が増加するため、前記吸着サイトに吸着された金属のイオンを核として生成される金属微粒子の数も増加する。そのため、例えば、液相の反応系中に存在する金属イオンの量(≒金属微粒子の担持量)が一定であるとき、個々の金属微粒子の粒径は小さくなる。   Therefore, as described above, as the specific surface area of carbon black is increased, the number of chemical species that function as adsorption sites on the surface of the carbon black increases, so that the metal adsorbed on the adsorption site. The number of metal microparticles generated with the ions as nuclei also increases. Therefore, for example, when the amount of metal ions present in the liquid phase reaction system (≈the amount of supported metal fine particles) is constant, the particle size of each metal fine particle is small.

ところが、カーボンブラックの表面における、前記化学種の、単位面積あたりの数は、主に、その製造方法に基づいて分類されるカーボンブラックの種類によって、ほぼ一定である上、カーボンブラックの比表面積を増加できる範囲にも限界があるため、従来の技術では、金属微粒子の粒径を小さくする効果に限界がある。   However, the number of the above-mentioned chemical species per unit area on the surface of carbon black is almost constant depending on the type of carbon black classified mainly based on the production method, and the specific surface area of carbon black is Since there is a limit in the range that can be increased, the conventional technique has a limit in the effect of reducing the particle size of the metal fine particles.

これに対し、前記請求項1記載の発明では、金属微粒子を担持させる前のカーボンブラックに、電離放射線を照射することで、前記カーボンブラックの表面に存在するC=C結合等を切断させて、前記表面に、先に説明した化学種に加えて、前記化学種と同様に、吸着サイトとして機能する、酸素含有官能基や親水性基を発生させることができる。   On the other hand, in the invention of claim 1, by irradiating the carbon black before supporting the metal fine particles with ionizing radiation, the C = C bond etc. existing on the surface of the carbon black is cut, In addition to the above-described chemical species, an oxygen-containing functional group or a hydrophilic group that functions as an adsorption site can be generated on the surface.

そのため、請求項1記載の発明によれば、カーボンブラックの表面における、吸着サイトの、単位面積あたりの数を増加させて、前記表面に担持される金属微粒子の数を、これまでよりも増加させることができるため、個々の金属微粒子の粒径を、現状よりも小さくして、金属触媒の触媒効率を向上させることができる。また、その結果として、前記金属触媒を、例えば、燃料電池に使用した際に、その電池特性を、現状よりも、さらに良好なものとすることもできる。   Therefore, according to the first aspect of the present invention, the number of adsorption sites per unit area on the surface of carbon black is increased, and the number of metal fine particles supported on the surface is increased more than ever. Therefore, it is possible to improve the catalyst efficiency of the metal catalyst by making the particle size of each metal fine particle smaller than the current particle size. As a result, when the metal catalyst is used in, for example, a fuel cell, the battery characteristics can be made better than the current state.

請求項2記載の発明は、電離放射線が電子線であり、カーボンブラックに、吸収線量が0.1〜1.5MGyとなるように電子線が照射されている請求項1に記載の金属触媒である。前記電子線は、電離放射線のうち、照射されることで、原子や分子を直接に電離することができる直接電離放射線に属する。   The invention according to claim 2 is the metal catalyst according to claim 1, wherein the ionizing radiation is an electron beam, and the carbon black is irradiated with an electron beam so that the absorbed dose is 0.1 to 1.5 MGy. is there. The electron beam belongs to ionizing radiation that can directly ionize atoms and molecules by being irradiated.

そのため、請求項2記載の発明によれば、先に説明した、カーボンブラックの表面に、吸着サイトとして機能する酸素含有官能基や親水性基を発生させるためのエネルギー効率を向上できる上、電子線は、他の電離放射線のように、原子核崩壊によらず、加速器で電子を加速することで発生させることができるため、安全性を向上することもできる。   Therefore, according to the invention described in claim 2, the energy efficiency for generating the oxygen-containing functional group or hydrophilic group functioning as an adsorption site on the surface of the carbon black described above can be improved, and the electron beam Can be generated by accelerating electrons with an accelerator, regardless of nuclear decay, like other ionizing radiations, thus improving safety.

請求項2記載の発明において、電子線の吸収線量が、前記0.1〜1.5MGyの範囲内とされるのは、下記の理由による。すなわち、吸収線量が、前記範囲未満では、電子線を照射することによる、先に説明した、カーボンブラックの表面に、吸着サイトとして機能する酸素含有官能基や親水性基を発生させる効果が十分に得られないため、吸着サイトの数と、前記吸着サイトに吸着された金属のイオンを核として生成される金属微粒子の数を、十分に増加できないおそれがある。   In the invention according to claim 2, the reason why the absorbed dose of the electron beam is in the range of 0.1 to 1.5 MGy is as follows. That is, when the absorbed dose is less than the above range, the effect of generating an oxygen-containing functional group or a hydrophilic group that functions as an adsorption site on the surface of carbon black, as described above, by sufficiently irradiating with an electron beam is sufficient. Since it cannot be obtained, there is a possibility that the number of adsorption sites and the number of metal fine particles generated using the metal ions adsorbed on the adsorption sites as nuclei cannot be increased sufficiently.

また、前記範囲を超える場合には、カーボンブラックの表面が、電子線の照射によってダメージを受けすぎて、却って、前記表面に、吸着サイトとして機能する酸素含有官能基や親水性基を発生させる効果が十分に得られないため、吸着サイトの数と、前記吸着サイトに吸着された金属のイオンを核として生成される金属微粒子の数を、十分に増加できないおそれがある。そのため、前記いずれの場合にも、担持される金属微粒子の粒径を小さくする効果が十分に得られないおそれがある。   In addition, when the above range is exceeded, the surface of the carbon black is excessively damaged by the electron beam irradiation, and on the other hand, the effect of generating oxygen-containing functional groups and hydrophilic groups that function as adsorption sites on the surface. Therefore, there is a possibility that the number of adsorption sites and the number of metal fine particles generated using metal ions adsorbed on the adsorption sites as nuclei cannot be sufficiently increased. Therefore, in any of the above cases, the effect of reducing the particle size of the supported metal fine particles may not be sufficiently obtained.

請求項3記載の発明は、電離放射線を照射する前のカーボンブラックのBET比表面積が100〜1500m2/gである請求項1または2に記載の金属触媒である。請求項3記載の発明において、電離放射線を照射する前のカーボンブラックのBET比表面積が、前記100〜1500m2/gの範囲内とされるのは、下記の理由による。 Invention of Claim 3 is a metal catalyst of Claim 1 or 2 whose BET specific surface area of carbon black before irradiating ionizing radiation is 100-1500 m < 2 > / g. In the invention according to claim 3, the reason why the BET specific surface area of carbon black before irradiation with ionizing radiation is within the range of 100 to 1500 m 2 / g is as follows.

すなわち、BET比表面積が、前記範囲未満では、カーボンブラックの表面に生成される、多数の金属微粒子の、隣り合う間隔が近くなりすぎて、その成長過程で、隣り合う金属微粒子同士が融合して粒径が大きくなる機会が増加する。そのため、たとえ、電離放射線を照射して、前記表面に、吸着サイトとして機能する酸素含有官能基や親水性基を発生させたとしても、担持される金属微粒子の粒径を小さくする効果が十分に得られないおそれがある。   That is, if the BET specific surface area is less than the above range, the adjacent metal fine particles generated on the surface of the carbon black are too close to each other, and the adjacent metal fine particles are fused in the growth process. The opportunity to increase the particle size increases. Therefore, even if ionizing radiation is applied to generate oxygen-containing functional groups and hydrophilic groups that function as adsorption sites on the surface, the effect of reducing the particle size of the supported metal fine particles is sufficient. May not be obtained.

また、前記範囲を超える場合には、多数の金属微粒子の、隣り合う間隔が拡がりすぎるため、金属触媒を、特に、燃料電池用として使用する際に、酸素ガスや水素ガスが金属微粒子間を拡散する過程が、触媒反応の律速段階となって、燃料電池の電池特性を、現状より良好なものとすることができないおそれがある。   In addition, when the above range is exceeded, the adjacent spacing of a large number of metal fine particles is too wide, so that oxygen gas or hydrogen gas diffuses between the metal fine particles when using a metal catalyst, particularly for a fuel cell. This process becomes the rate-determining step of the catalytic reaction, and there is a possibility that the battery characteristics of the fuel cell cannot be made better than the current state.

請求項4記載の発明は、金属微粒子が、白金、パラジウム、金、銀、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、コバルト、マンガン、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、およびチタンからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属を含む微粒子である請求項1〜3のいずれかに記載の金属触媒である。請求項4記載の発明によれば、前記金属が、いずれも、良好な触媒活性を有するため、金属触媒の触媒効率を、より一層、向上することができる。   The invention according to claim 4 is characterized in that the metal fine particles are at least selected from the group consisting of platinum, palladium, gold, silver, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, cobalt, manganese, nickel, iron, chromium, molybdenum, and titanium. The metal catalyst according to claim 1, wherein the metal catalyst is a fine particle containing one kind of metal. According to invention of Claim 4, since all the said metals have favorable catalytic activity, the catalyst efficiency of a metal catalyst can be improved further.

請求項5記載の発明は、カーボンブラックに電離放射線を照射する工程と、前記カーボンブラックを、金属微粒子のもとになる金属のイオンを含む液相の反応系中に分散させた状態で、前記金属のイオンを、還元剤の作用によって還元させて、微粒子状に析出させると共に、カーボンブラックの表面に担持させる工程とを含むことを特徴とする金属触媒の製造方法である。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the step of irradiating carbon black with ionizing radiation, and the carbon black dispersed in a liquid phase reaction system containing metal ions that form the metal fine particles. A method for producing a metal catalyst, comprising the step of reducing metal ions by the action of a reducing agent and precipitating them in the form of fine particles and supporting them on the surface of carbon black.

請求項5記載の発明によれば、先に説明したように、金属微粒子の粒径が小さく、触媒効率に優れた金属触媒を、カーボンブラックに電離放射線を照射する工程と、前記照射後のカーボンブラックの表面に、液相還元法によって、多数の金属微粒子を担持させる工程とを経ることで、効率よく製造することができる。   According to the invention of claim 5, as described above, the step of irradiating carbon black with ionizing radiation on the metal catalyst having a small particle size of the metal fine particles and excellent catalyst efficiency, and the carbon after the irradiation By passing through a step of supporting a large number of metal fine particles on the surface of black by a liquid phase reduction method, it can be efficiently produced.

請求項6記載の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の金属触媒を含むことを特徴とする燃料電池である。請求項6記載の発明によれば、先に説明したように、金属微粒子の粒径が小さく、触媒効率に優れた金属触媒を使用することで、燃料電池の電池特性を、現状よりも、さらに良好なものとすることができる。   The invention according to claim 6 is a fuel cell comprising the metal catalyst according to any one of claims 1 to 4. According to the sixth aspect of the present invention, as described above, by using a metal catalyst having a small particle size of the metal fine particles and excellent catalyst efficiency, the cell characteristics of the fuel cell can be further improved compared to the current state. It can be good.

本発明によれば、担体粒子としてのカーボンブラックの表面に、現状よりもさらに粒径の小さい金属微粒子が担持された金属触媒と、その効率的な製造方法と、前記金属触媒を用いて形成されるため、電池特性に優れた燃料電池とを提供することが可能となる。   According to the present invention, a metal catalyst in which metal fine particles having a particle size smaller than that of the current particle are supported on the surface of carbon black as support particles, an efficient production method thereof, and the metal catalyst are used. Therefore, it is possible to provide a fuel cell having excellent battery characteristics.

《金属触媒》
本発明の金属触媒は、電離放射線が照射されたカーボンブラックと、前記カーボンブラックの表面に担持された、多数の金属微粒子とを含むことを特徴とするものである。電離放射線を照射して、単体粒子として用いるカーボンブラックとしては、金属触媒の担体として使用可能な、種々のカーボンブラックが、いずれも使用可能であるが、特に、電離放射線を照射する前に測定したBET比表面積が100〜1500m2/gであるカーボンブラックが好ましい。
《Metal catalyst》
The metal catalyst of the present invention is characterized by comprising carbon black irradiated with ionizing radiation and a large number of metal fine particles supported on the surface of the carbon black. Various carbon blacks that can be used as metal catalyst supports can be used as the carbon black used as a single particle by irradiating with ionizing radiation. In particular, measurement was performed before irradiating with ionizing radiation. Carbon black having a BET specific surface area of 100 to 1500 m 2 / g is preferred.

すなわち、カーボンブラックのBET比表面積が、前記範囲未満では、カーボンブラックの表面に生成される、多数の金属微粒子の、隣り合う間隔が近くなりすぎて、その成長過程で、隣り合う金属微粒子同士が融合して粒径が大きくなる機会が増加する。そのため、たとえ、電離放射線を照射して、前記表面に、吸着サイトとして機能する酸素含有官能基や親水性基を発生させたとしても、担持される金属微粒子の粒径を小さくする効果が十分に得られないおそれがある。   That is, if the BET specific surface area of the carbon black is less than the above range, the adjacent metal fine particles generated on the surface of the carbon black are too close to each other. Opportunities to increase particle size through fusion increase. Therefore, even if ionizing radiation is applied to generate oxygen-containing functional groups and hydrophilic groups that function as adsorption sites on the surface, the effect of reducing the particle size of the supported metal fine particles is sufficient. May not be obtained.

また、前記範囲を超える場合には、多数の金属微粒子の、隣り合う間隔が拡がりすぎるため、金属触媒を、特に、燃料電池用として使用する際に、酸素ガスや水素ガスが金属微粒子間を拡散する過程が、触媒反応の律速段階となって、燃料電池の電池特性を、現状より良好なものとすることができないおそれがある。なお、これらの問題を併せ考慮すると、カーボンブラックのBET比表面積は、前記範囲内でも、特に200〜1400m2/gであるのが好ましい。 In addition, when the above range is exceeded, the adjacent spacing of a large number of metal fine particles is too wide, so that oxygen gas or hydrogen gas diffuses between the metal fine particles when using a metal catalyst, particularly for a fuel cell. This process becomes the rate-determining step of the catalytic reaction, and there is a possibility that the battery characteristics of the fuel cell cannot be made better than the current state. In consideration of these problems, the BET specific surface area of carbon black is particularly preferably 200 to 1400 m 2 / g even within the above range.

電離放射線を照射したカーボンブラックの表面に担持させる金属微粒子としては、良好な触媒活性を有するため、金属触媒の触媒効率を、より一層、向上することができる、白金、パラジウム、金、銀、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、コバルト、マンガン、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、およびチタンからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属を含む微粒子が挙げられる。   Platinum, palladium, gold, silver, and rhodium that can further improve the catalytic efficiency of the metal catalyst because it has good catalytic activity as the metal fine particles supported on the surface of carbon black irradiated with ionizing radiation , Iridium, ruthenium, osmium, cobalt, manganese, nickel, iron, chromium, molybdenum, and fine particles containing at least one metal selected from the group consisting of titanium and titanium.

金属微粒子の粒径は、触媒効率を向上させることを考慮すると、現状、すなわち、先に説明した非特許文献1に記載された2nmよりも小さければよいが、特に1.1nm以下であるのが好ましい。粒径が1.1nmを超える場合には、金属微粒子の粒径を小さくすることによる、金属触媒の触媒効率を向上させる効果が十分に得られないおそれがある。なお、金属微粒子の粒径の下限値は、特に、限定されないが、実用上は0.5nm以上であるのが好ましい。   In consideration of improving the catalyst efficiency, the particle size of the metal fine particles may be smaller than the current state, that is, 2 nm described in Non-Patent Document 1 described above, but is particularly 1.1 nm or less. preferable. When the particle size exceeds 1.1 nm, there is a possibility that the effect of improving the catalyst efficiency of the metal catalyst by reducing the particle size of the metal fine particles may not be sufficiently obtained. The lower limit of the particle size of the metal fine particles is not particularly limited, but is practically preferably 0.5 nm or more.

金属微粒子の担持量は、金属触媒の総量の15〜60重量%であるのが好ましい。担持量が、前記範囲未満では、カーボンブラックの表面に生成される多数の金属微粒子の、隣り合う間隔が拡がりすぎ、一方、担持量が、前記範囲を超える場合には、多数の金属微粒子の、隣り合う間隔が近くなりすぎて、その成長過程で、隣り合う金属微粒子が融合して粒径が大きくなる機会が増加する。そのため、前記いずれの場合にも、燃料電池の電池特性を、現状よりも、さらに良好なものとすることができないおそれがある。なお、これらの問題点を併せ考慮すると、金属微粒子の担持量は、前記範囲内でも、特に、金属触媒の総量の17〜26重量%であるのが好ましい。   The supported amount of the metal fine particles is preferably 15 to 60% by weight of the total amount of the metal catalyst. If the loading amount is less than the above range, the adjacent spacing of a large number of metal fine particles generated on the surface of the carbon black is excessively widened, whereas if the loading amount exceeds the above range, The adjacent interval becomes too close, and in the growth process, adjacent metal fine particles are fused to increase the chance of increasing the particle size. Therefore, in any of the above cases, there is a possibility that the cell characteristics of the fuel cell cannot be made even better than the current situation. In consideration of these problems, the supported amount of the metal fine particles is preferably 17 to 26% by weight of the total amount of the metal catalyst, even within the above range.

本発明の金属触媒は、電離放射線を照射したカーボンブラックの表面に担持させることで、これまでよりも、さらに粒径が小さく、比表面積が大きい金属微粒子を有しており、特に、燃料電池用として使用した際に、その電池特性を、現状よりも、さらに良好なものとすることができる。なお、本発明の金属触媒は、ガス浄化用触媒等としても、好適に使用することができる。   The metal catalyst of the present invention is supported on the surface of carbon black irradiated with ionizing radiation, and has metal fine particles having a smaller particle size and a larger specific surface area than before, particularly for fuel cells. When used as a battery, the battery characteristics can be made even better than the current situation. In addition, the metal catalyst of this invention can be used conveniently also as a catalyst for gas purifications.

《金属触媒の製造方法》
本発明の金属触媒の製造方法は、カーボンブラックに電離放射線を照射する工程と、前記カーボンブラックを、金属微粒子のもとになる金属のイオンを含む液相の反応系中に分散させた状態で、前記金属のイオンを、還元剤の作用によって還元させて、微粒子状に析出させると共に、カーボンブラックの表面に担持させる工程とを含むことを特徴とするものである。
<< Production Method of Metal Catalyst >>
The method for producing a metal catalyst according to the present invention comprises a step of irradiating carbon black with ionizing radiation, and the carbon black is dispersed in a liquid phase reaction system containing metal ions that form metal fine particles. And a step of reducing the metal ions by the action of a reducing agent to deposit them in the form of fine particles and supporting them on the surface of carbon black.

金属微粒子を担持させる前のカーボンブラックに、電離放射線を照射すると、前記カーボンブラックの表面に存在するC=C結合等を切断させて、前記表面に、本来的に存在する、電気陰性度の高い元素(酸素、窒素、フッ素、イオウ、リン等)を含む、例えば−COOH、−C=O、−C≡N、−CF3、−C−SO3、−C−PO3等の化学種に加えて、前記化学種と同様に、吸着サイトとして機能する、酸素含有官能基や親水性基を発生させることができる。 When ionizing radiation is irradiated to the carbon black before supporting the metal fine particles, the C = C bond and the like existing on the surface of the carbon black are cut, and the electron black inherently present on the surface has high electronegativity. Including chemical elements such as —COOH, —C═O, —C≡N, —CF 3 , —C—SO 3 , —C—PO 3 , including elements (oxygen, nitrogen, fluorine, sulfur, phosphorus, etc.) In addition, similarly to the chemical species, oxygen-containing functional groups and hydrophilic groups that function as adsorption sites can be generated.

そのため、カーボンブラックの表面における、吸着サイトの、単位面積あたりの数を増加させて、前記表面に担持される金属微粒子の数を、これまでよりも増加させることができるため、個々の金属微粒子の粒径を、現状よりも小さくして、金属触媒の触媒効率を向上させることができる。また、その結果として、前記金属触媒を、例えば、燃料電池に使用した際に、その電池特性を、現状よりも、さらに良好なものとすることもできる。   Therefore, the number of adsorption sites per unit area on the surface of carbon black can be increased, and the number of metal fine particles supported on the surface can be increased more than before. It is possible to improve the catalyst efficiency of the metal catalyst by making the particle size smaller than the current state. As a result, when the metal catalyst is used in, for example, a fuel cell, the battery characteristics can be made better than the current state.

カーボンブラックに電離放射線を照射する工程は、任意の方法、および手順で実施することができる。例えば、カーボンブラックに照射する電離放射線としては、照射することで、先に説明したように、カーボンブラックの表面に存在するC=C結合等を切断させて、前記表面に、吸着サイトとして機能する、酸素含有官能基や親水性基を発生させることができる種々の電離放射線が、いずれも利用できるが、特に、電子線が好ましい。   The step of irradiating carbon black with ionizing radiation can be carried out by any method and procedure. For example, as the ionizing radiation applied to the carbon black, as described above, the C = C bond existing on the surface of the carbon black is cut as it is irradiated and functions as an adsorption site on the surface. Any of various ionizing radiations capable of generating an oxygen-containing functional group or a hydrophilic group can be used, and an electron beam is particularly preferable.

電子線は、電離放射線のうち、照射されることで、原子や分子を直接に電離することができる直接電離放射線に属することから、カーボンブラックの表面に、先に説明した、吸着サイトとして機能する酸素含有官能基や親水性基を発生させるためのエネルギー効率を向上できる上、電子線は、他の電離放射線のように、原子核崩壊によらず、加速器で電子を加速することで発生させることができるため、安全性を向上することもできる。   Since the electron beam belongs to the direct ionizing radiation that can directly ionize atoms and molecules by being irradiated among the ionizing radiation, it functions as an adsorption site described above on the surface of the carbon black. In addition to improving energy efficiency for generating oxygen-containing functional groups and hydrophilic groups, electron beams can be generated by accelerating electrons with an accelerator, unlike other ionizing radiations, regardless of nuclear decay. Therefore, safety can be improved.

カーボンブラックに電子線を照射するためには、例えば、コンベア式の電子線照射装置を用いて、前記装置のコンベアにより、ビニール袋等の任意の容器に収容したカーボンブラックを搬送しながら、連続的に電子線を照射するのが、カーボンブラックの処理効率の上で好ましい。   In order to irradiate the carbon black with an electron beam, for example, using a conveyor type electron beam irradiation device, the carbon black contained in an arbitrary container such as a plastic bag is conveyed continuously by the conveyor of the device. It is preferable to irradiate the electron beam with respect to the processing efficiency of carbon black.

電子線の照射量は、吸収線量で表して0.1〜1.5MGyであるのが好ましい。電子線の吸収線量が、前記範囲未満では、電子線を照射することによる、先に説明した、カーボンブラックの表面に、吸着サイトとして機能する酸素含有官能基や親水性基を発生させる効果が十分に得られないため、吸着サイトの数と、前記吸着サイトに吸着された金属のイオンを核として生成される金属微粒子の数を、十分に増加させることができず、担持される金属微粒子の粒径を小さくする効果が十分に得られないおそれがある。   The amount of electron beam irradiation is preferably 0.1 to 1.5 MGy in terms of absorbed dose. If the absorbed dose of the electron beam is less than the above range, the effect of generating an oxygen-containing functional group or a hydrophilic group that functions as an adsorption site on the surface of the carbon black described above by irradiation with the electron beam is sufficient. Therefore, the number of adsorption sites and the number of metal fine particles generated with the metal ions adsorbed on the adsorption sites as nuclei cannot be increased sufficiently. The effect of reducing the diameter may not be sufficiently obtained.

また、前記範囲を超える場合には、カーボンブラックの表面が、電子線の照射によってダメージを受けすぎて、却って、前記表面に、吸着サイトとして機能する酸素含有官能基や親水性基を発生させる効果が十分に得られないため、吸着サイトの数と、前記吸着サイトに吸着された金属のイオンを核として生成される金属微粒子の数を、十分に増加させることができず、担持される金属微粒子の粒径を小さくする効果が十分に得られないおそれがある。   In addition, when the above range is exceeded, the surface of the carbon black is excessively damaged by the electron beam irradiation, and on the other hand, the effect of generating oxygen-containing functional groups and hydrophilic groups that function as adsorption sites on the surface. Is not sufficiently obtained, the number of adsorption sites and the number of metal fine particles generated using the metal ions adsorbed on the adsorption sites as nuclei cannot be increased sufficiently, and the supported metal fine particles There is a possibility that the effect of reducing the particle size of the material may not be sufficiently obtained.

なお、電子線の吸収線量を調整するには、例えば、先に説明したコンベア式の電子線照射装置の場合、カーボンブラックの搬送速度を調整することで、電子線の照射時間を調整する、電子線の加速電圧を調整する等の方法を採用することができる。また、電子線の吸収線量は、例えば、フィルム線量計によって求めることができる。前記フィルム線量計は、線量測定用フィルムに電子線が照射されて吸収エネルギーを得ると、その分光特性が変化すると共に、前記分光特性の変化量と、電子線の吸収線量とが相関関係にあることを利用したものである。   In order to adjust the absorbed dose of the electron beam, for example, in the case of the conveyor type electron beam irradiation apparatus described above, the electron beam irradiation time is adjusted by adjusting the transport speed of the carbon black. A method such as adjusting the acceleration voltage of the wire can be adopted. Moreover, the absorbed dose of an electron beam can be calculated | required with a film dosimeter, for example. In the film dosimeter, when an electron beam is irradiated onto the dose measuring film to obtain absorption energy, the spectral characteristics change, and the change amount of the spectral characteristics and the absorbed dose of the electron beam are correlated. It is something that uses that.

次に、本発明では、液相還元法によって、カーボンブラックの表面に、金属微粒子を担持させる。すなわち、還元剤と、金属のイオン源となる金属化合物とを、それぞれ、所定の濃度で含むと共に、所定量の、電離放射線を照射したカーボンブラックを分散させた液相の反応系を調製し、前記反応系を、所定の温度条件下で一定時間、反応させることにより、液相中に分散したカーボンブラックの表面に、還元された金属を、微粒子状に析出させると共に、担持させることができる。   Next, in the present invention, metal fine particles are supported on the surface of carbon black by a liquid phase reduction method. That is, a reducing agent and a metal compound serving as a metal ion source are respectively prepared at a predetermined concentration, and a liquid phase reaction system is prepared in which a predetermined amount of carbon black irradiated with ionizing radiation is dispersed, By reacting the reaction system for a certain time under a predetermined temperature condition, the reduced metal can be precipitated and supported on the surface of carbon black dispersed in the liquid phase.

この際、液の温度や粘度、かく拌の有無、かく拌する場合は、かく拌速度等を変更することにより、形成される金属微粒子の粒径を調整することができる。すなわち、液の温度が低いほど、また粘度が高いほど、さらに、かく拌する場合は、かく拌速度が低いほど、形成される金属微粒子の粒径が小さくなる傾向がある。したがって、形成する金属微粒子の種類や粒径、使用する還元剤の種類、その他の条件を考慮しながら、液の温度、粘度、かく拌条件等を設定するのが好ましい。   At this time, the temperature and viscosity of the liquid, the presence or absence of stirring, and when stirring, the particle diameter of the formed metal fine particles can be adjusted by changing the stirring speed and the like. That is, as the temperature of the liquid is lower and the viscosity is higher, and when stirring is performed, the particle size of the formed metal fine particles tends to be smaller as the stirring speed is lower. Therefore, it is preferable to set the liquid temperature, viscosity, stirring conditions, and the like while considering the type and particle size of the metal fine particles to be formed, the type of reducing agent to be used, and other conditions.

金属微粒子のもとになる金属のイオン源としては、金属元素を含む種々の、液相の反応系に可溶の金属化合物が、いずれも使用可能である。また、金属化合物は、可能であれば、核成長の起点となって異常な核成長を生じさせるおそれのある、ハロゲン元素等の不純物元素を含まないのが好ましい。ただし、不純物元素を含む金属化合物を使用する場合でも、反応条件等を調整することにより、異常な核成長を抑えて、カーボンブラックの表面に、小粒径の金属微粒子を担持させることは可能である。   As the metal ion source that is the basis of the metal fine particles, any of various metal compounds containing a metal element and soluble in a liquid phase reaction system can be used. Moreover, it is preferable that the metal compound does not contain an impurity element such as a halogen element, which may cause abnormal nucleus growth as a starting point of nucleus growth, if possible. However, even when using a metal compound containing an impurity element, by adjusting the reaction conditions, etc., it is possible to suppress abnormal nucleation and to support fine metal particles with a small particle size on the surface of carbon black. is there.

金属のイオン源として好適な金属化合物としては、例えば、白金の場合、ジニトロジアンミン白金(II)(Pt(NO22(NH32)、ヘキサクロロ白金(IV)酸六水和物(H2〔PtCl6〕・6H2O)等が挙げられ、特に、ジニトロジアンミン白金(II)が好ましい。パラジウムの場合は、塩化パラジウム(II)溶液(PdCl2)、金の場合は、テトラクロロ金(III)酸四水和物(HAuCl4・4H2O)等が挙げられる。 As a metal compound suitable as a metal ion source, for example, in the case of platinum, dinitrodiammine platinum (II) (Pt (NO 2 ) 2 (NH 3 ) 2 ), hexachloroplatinum (IV) acid hexahydrate (H 2 [PtCl 6 ] · 6H 2 O) and the like, and dinitrodiammine platinum (II) is particularly preferable. In the case of palladium, palladium chloride (II) solution (PdCl 2 ), and in the case of gold, tetrachloroauric (III) acid tetrahydrate (HAuCl 4 .4H 2 O) and the like can be mentioned.

銀の場合は、硝酸銀(I)(AgNO3)、メタンスルホン酸銀(CH3SO3Ag)等が挙げられ、特に、硝酸銀(I)が好ましい。ロジウムの場合は、塩化ロジウム(III)溶液(RhCl3・3H2O)、イリジウムの場合は、ヘキサクロロイリジウム(III)酸六水和物(2(IrCl6)・6H2O)、ルテニウムの場合は、硝酸ルテニウム(III)溶液(Ru(NO3)3)、オスミウムの場合は、酸化オスミウム(VIII)(OsO4)等が挙げられる。 In the case of silver, silver nitrate (I) (AgNO 3 ), silver methanesulfonate (CH 3 SO 3 Ag) and the like can be mentioned, and silver (I) nitrate is particularly preferable. For rhodium, rhodium (III) chloride solution (RhCl 3 .3H 2 O), for iridium, hexachloroiridium (III) hexahydrate (2 (IrCl 6 ) · 6H 2 O), for ruthenium These include ruthenium (III) nitrate solution (Ru (NO 3 ) 3 ) and, in the case of osmium, osmium oxide (VIII) (OsO 4 ).

コバルトの場合は、硝酸コバルト(II)六水和物(Co(NO32・6H2O)、硫酸コバルト(II)七水和物(CoSO4・7H2O)、塩基性炭酸コバルト(II)(xCoCO3・yCo(OH)2・zH2O、x、y、zは製法により異なる、通常はx=2、y=3、z=1)、塩化コバルト(II)六水和物(CoCl2・6H2O)、アセチルアセトンコバルト(II)(Co〔CH(COCH322)、酢酸コバルト(II)四水和物(Co(CH3COO)2・4H2O)等が挙げられる。 In the case of cobalt, cobalt nitrate (II) hexahydrate (Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O), cobalt sulfate (II) heptahydrate (CoSO 4 .7H 2 O), basic cobalt carbonate ( II) (xCoCO 3 · yCo (OH) 2 · zH 2 O, x, y, and z vary depending on the production method, usually x = 2, y = 3, z = 1), cobalt chloride (II) hexahydrate (CoCl 2 · 6H 2 O), acetylacetone cobalt (II) (Co [CH (COCH 3 ) 2 ] 2 ), cobalt acetate (II) tetrahydrate (Co (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O), etc. Is mentioned.

マンガンの場合は、硝酸マンガン(II)水和物(Mn(NO32・nH2O、n=4〜6)、塩化マンガン(II)四水和物(MnCl2・4H2O)、硫酸アンモニウムマンガン(II)六水和物(Mn(NH42(SO42・6H2O)等が挙げられる。鉄の場合は、硝酸鉄(III)六水和物、九水和物(Fe(NO33・6H2O、9H2O)、塩化鉄(II)四水和物(FeCl2・4H2O)、硫酸鉄(II)七水和物(FeSO4・7H2O)、アセチルアセトン鉄(III)(Fe〔CH(COCH323)等が挙げられる。 In the case of manganese, manganese nitrate (II) hydrate (Mn (NO 3 ) 2 .nH 2 O, n = 4 to 6), manganese chloride (II) tetrahydrate (MnCl 2 .4H 2 O), And ammonium manganese sulfate (II) hexahydrate (Mn (NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O). In the case of iron, iron nitrate (III) hexahydrate, nonahydrate (Fe (NO 3 ) 3 · 6H 2 O, 9H 2 O), iron (II) chloride tetrahydrate (FeCl 2 · 4H) 2 O), iron sulfate (II) heptahydrate (FeSO 4 .7H 2 O), acetylacetone iron (III) (Fe [CH (COCH 3 ) 2 ] 3 ) and the like.

ニッケルの場合は、硝酸ニッケル(II)六水和物(Ni(NO32・6H2O)、塩化ニッケル(II)六水和物(NiCl2・6H2O)、硫酸ニッケル(II)七水和物(NiSO4・7H2O)、アセチルアセトンニッケル(II)(Ni〔CH(COCH322)、塩基性炭酸ニッケル(II)(aNiCO3・bNi(OH)2・cH2O、a、b、cは製法により異なる、通常はa=2、b=3、c=4)、酢酸ニッケル(II)四水和物(Ni(CH3COO)2・4H2O)等が挙げられる。 In the case of nickel, nickel nitrate (II) hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O), nickel chloride (II) hexahydrate (NiCl 2 .6H 2 O), nickel sulfate (II) Heptahydrate (NiSO 4 .7H 2 O), acetylacetone nickel (II) (Ni [CH (COCH 3 ) 2 ] 2 ), basic nickel carbonate (II) (aNiCO 3 · bNi (OH) 2 · cH 2 O, a, b and c differ depending on the production method, usually a = 2, b = 3, c = 4), nickel acetate (II) tetrahydrate (Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O), etc. Is mentioned.

クロムの場合は、アセチルアセトンクロム(III)(Cr〔CH(COCH323)、塩化クロム(II)(CrCl2)、硝酸クロム(III)九水和物(Cr(NO33・9H2O)等が挙げられる。モリブデンの場合は、塩化モリブデン(V)(MoCl5)、チタンの場合は塩化チタン(IV)溶液(TiCl4)等が挙げられる。 In the case of chromium, acetylacetone chromium (III) (Cr [CH (COCH 3 ) 2 ] 3 ), chromium chloride (II) (CrCl 2 ), chromium nitrate (III) nonahydrate (Cr (NO 3 ) 3. 9H 2 O) and the like. In the case of molybdenum, molybdenum chloride (V) (MoCl 5 ), and in the case of titanium, titanium chloride (IV) solution (TiCl 4 ) and the like can be mentioned.

還元剤としては、金属微粒子の粒径を、極力、小さくすることを考慮すると、できるだけ還元力の弱い還元剤が、好適に使用される。還元力の弱い還元剤としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類や、アスコルビン酸等を挙げることができる他、エチレングリコール、グルタチオン、有機酸類(クエン酸、リンゴ酸、酒石酸等)、還元性糖類(グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトース、スクロース、マルトース、ラフィノース、スタキオース等)、および糖アルコール類(ソルビトール等)等を挙げることができ、特に、還元性糖類や、その誘導体としての糖アルコール類、あるいは、アルコール類が好ましい。また、還元剤として、アルコール類と、その他の還元剤とを併用すると、カーボンブラックの表面に担持させる金属微粒子の担持量を増加させることができる。   As the reducing agent, considering that the particle size of the metal fine particles should be as small as possible, a reducing agent having a weakest reducing power is preferably used. Examples of the reducing agent having a weak reducing power include alcohols such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, ascorbic acid and the like, as well as ethylene glycol, glutathione and organic acids (citric acid, malic acid, tartaric acid, etc.). , Reducing sugars (glucose, galactose, mannose, fructose, sucrose, maltose, raffinose, stachyose, etc.) and sugar alcohols (sorbitol, etc.). Especially, reducing sugars and sugars as derivatives thereof Alcohols or alcohols are preferred. Further, when alcohols and other reducing agents are used in combination as the reducing agent, the amount of metal fine particles supported on the surface of carbon black can be increased.

また、液相の反応系中には、例えば、前記反応系のpHを、金属イオンの還元析出に適した範囲に調整するためのpH調整剤、カーボンブラックを分散させるための分散剤、液相の粘度を調整するための粘度調整剤等の、各種の添加剤を添加してもよい。   Further, in the liquid phase reaction system, for example, a pH adjusting agent for adjusting the pH of the reaction system to a range suitable for reduction precipitation of metal ions, a dispersing agent for dispersing carbon black, a liquid phase Various additives such as a viscosity modifier for adjusting the viscosity of the resin may be added.

このうち、pH調整剤としては、各種の酸やアルカリが何れも使用可能であるが、特に、核成長の起点となって異常な核成長を生じさせるおそれのある不純物元素を含まない酸やアルカリを使用するのが好ましい。不純物元素を含まない酸としては、硝酸等を挙げることができ、アルカリとしては、アンモニア水等を挙げることができる。   Among them, various acids and alkalis can be used as the pH adjuster, and in particular, acids and alkalis that do not contain an impurity element that may cause abnormal nucleus growth as a starting point of nucleus growth. Is preferably used. Nitric acid etc. can be mentioned as an acid which does not contain an impurity element, Ammonia water etc. can be mentioned as an alkali.

液相のpHの好適な範囲は、析出させる金属の種類や、そのもとになる金属のイオン源としての、金属化合物の種類等によって異なり、また、その好適な範囲内でpHを小さくするほど、形成される金属微粒子の粒径が小さくなる傾向がある。よって、形成する金属微粒子の種類や粒径、使用する還元剤の種類、その他の条件を考慮しながら、pH調整剤を添加するか否か、添加する場合は、どの程度の量を添加するか、を選択するのが好ましい。   The preferred range of the pH of the liquid phase varies depending on the type of metal to be deposited and the type of metal compound as the source of the metal ion, and the lower the pH within the preferred range. The particle diameter of the formed metal fine particles tends to be small. Therefore, whether or not to add a pH adjuster, taking into account the type and particle size of the fine metal particles to be formed, the type of reducing agent to be used, and other conditions, and how much should be added Are preferably selected.

また、分散剤や粘度調整剤としては、従来公知の種々の化合物を用いることができるが、この両者の機能を兼ね備えた高分子分散剤を使用するのが好ましい。高分子分散剤としては、例えば、ポリエチレンイミン、ポリビニルピロリドン等のアミン系の高分子分散剤や、カルボキシメチルセルロース等の、分子中にカルボン酸基を有する炭化水素系の高分子分散剤、あるいは、1分子中にポリエチレンイミン部分とポリエチレンオキサイド部分とを有する共重合体(以下「PEI−PO共重合体」とする)等を挙げることができる。   Moreover, as a dispersing agent and a viscosity modifier, conventionally well-known various compounds can be used, However, It is preferable to use the polymer dispersing agent which has both these functions. Examples of the polymer dispersant include amine polymer dispersants such as polyethyleneimine and polyvinylpyrrolidone, hydrocarbon polymer dispersants having a carboxylic acid group in the molecule such as carboxymethylcellulose, or 1 Examples thereof include a copolymer having a polyethyleneimine moiety and a polyethylene oxide moiety in the molecule (hereinafter referred to as “PEI-PO copolymer”).

高分子分散剤の添加量は、特に、限定されないが、添加量を多くするほど液相の粘度が上昇して、形成される金属微粒子の粒径が小さくなる傾向があることから、製造する金属微粒子の粒径や、使用する還元剤の種類、その他の条件を考慮しながら、好適な添加量の範囲を設定するのが好ましい。   The amount of addition of the polymer dispersant is not particularly limited, but as the addition amount increases, the viscosity of the liquid phase increases and the particle size of the formed metal fine particles tends to decrease, so the metal to be produced It is preferable to set a suitable addition amount range in consideration of the particle size of the fine particles, the type of reducing agent used, and other conditions.

《燃料電池》
本発明の燃料電池は、前記本発明の金属触媒を含むことを特徴とするものである。燃料電池は、周知のように、触媒の存在下で、酸素と水素とを電気化学的に反応させた際に得られる電流を取り出す電池であって、本発明の金属触媒を用いることができる燃料電池の具体例としては、例えば固体高分子型燃料電池(PEFC)や、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)等が挙げられる。
"Fuel cell"
The fuel cell of the present invention includes the metal catalyst of the present invention. As is well known, a fuel cell is a battery that takes out an electric current obtained when an oxygen and hydrogen are reacted electrochemically in the presence of a catalyst, and can use the metal catalyst of the present invention. Specific examples of the battery include a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC).

前記PEFCやDMFCは、例えば、デュポン(株)製の登録商標Nafion(ナフィオン)に代表されるペルフルオロスルホン酸ポリマー膜等の、固体高分子からなるイオン交換膜の両面に、それぞれ、層状の多孔性電極(ガス拡散電極、酸素極と水素極)を接合することによって得られた膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、その外側に設けられた、導電担体とガス流路とを兼ねるバイポーラプレートとを含むセルを、通常は、燃料電池に要求される出力に応じて、複数個、積層(セルスタック)することによって構成される。   The PEFC and DMFC are layered porous on both sides of an ion exchange membrane made of a solid polymer, such as a perfluorosulfonic acid polymer membrane represented by DuPont's registered trademark Nafion. Membrane Electrode Assembly (MEA) obtained by joining electrodes (gas diffusion electrode, oxygen electrode and hydrogen electrode), and a conductive carrier and gas flow path provided outside thereof Usually, a plurality of cells including a bipolar plate are stacked (cell stack) in accordance with the output required for the fuel cell.

PEFCとDMFCとの違いは、前者においては、水素極に、水素ガスを接触させているのに対し、後者においては、水素ガスに代えてメタノール、またはメタノール水溶液を接触させている点にある。   The difference between PEFC and DMFC is that, in the former, hydrogen gas is brought into contact with the hydrogen electrode, whereas in the latter, methanol or an aqueous methanol solution is brought into contact in place of hydrogen gas.

本発明の金属触媒は、前記PEFCやDMFCを構成する各部のうち、多孔性電極を形成するために用いられる。例えば、カーボンブラックの表面に、金属微粒子として白金微粒子を担持させた本発明の金属触媒を、フッ素系イオン交換樹脂入り液(Nafion溶液)と混合して混合物を調製し、前記混合物を、先に説明した、イオン交換膜としてのペルフルオロスルホン酸ポリマー膜の両面に塗布して乾燥させることによって、前記膜の両面に、それぞれ水素極、および酸素極となる多孔性電極が形成されたMEAが構成される。   The metal catalyst of this invention is used in order to form a porous electrode among each part which comprises the said PEFC and DMFC. For example, the metal catalyst of the present invention in which platinum fine particles are supported on the surface of carbon black is mixed with a liquid containing a fluorine-based ion exchange resin (Nafion solution) to prepare a mixture. By applying and drying on both sides of the perfluorosulfonic acid polymer membrane as an ion exchange membrane as described, an MEA in which a porous electrode to be a hydrogen electrode and an oxygen electrode is formed on both sides of the membrane is configured. The

なお、特にDMFCでは、メタノールが分解する際に発生する一酸化炭素が、水素極を構成する金属触媒の、白金微粒子を形成する白金の表面に吸着して、その触媒活性を著しく低下させることが知られている。そのため、水素極を構成する金属触媒としては、触媒活性を高める、つまり、単位重量あたりの触媒活性を向上するため、白金に、少量のルテニウムが混合、もしくは合金化された白金微粒子を有するものを用いるのが好ましい。   In particular, in DMFC, carbon monoxide generated when methanol decomposes is adsorbed on the surface of platinum that forms platinum fine particles of the metal catalyst that constitutes the hydrogen electrode, and the catalytic activity is significantly reduced. Are known. Therefore, as a metal catalyst constituting the hydrogen electrode, a catalyst having platinum fine particles in which a small amount of ruthenium is mixed or alloyed with platinum in order to increase the catalytic activity, that is, to improve the catalytic activity per unit weight. It is preferable to use it.

また、酸素極を構成する金属触媒としては、やはり、触媒活性を高めるため、白金に、少量のパラジウム、ニッケル、または鉄の2種以上が混合、もしくは合金化された白金微粒子を有するものを用いるのが好ましい。   Also, as the metal catalyst constituting the oxygen electrode, in order to enhance the catalytic activity, a catalyst having platinum fine particles in which a small amount of palladium, nickel, or iron is mixed or alloyed with a small amount of palladium, nickel or iron is used. Is preferred.

前記ルテニウムや、あるいはパラジウム、ニッケル、鉄等が混合、もしくは合金化された白金微粒子を有する金属触媒を製造するためには、例えば、先に説明した本発明の製造方法において、白金微粒子のもとになる、白金のイオンを含む反応系中に、前記白金のイオンと共に、混合または合金化する金属元素のイオンを加えておき、前記金属元素のイオンを、還元剤の作用によって、白金のイオンと共に微粒子状に析出させて、カーボンブラックの表面に担持させればよい。   In order to produce a metal catalyst having platinum fine particles mixed with or alloyed with ruthenium, palladium, nickel, iron or the like, for example, in the production method of the present invention described above, Into a reaction system containing platinum ions, a metal element ion to be mixed or alloyed is added together with the platinum ion, and the metal element ion is combined with the platinum ion by the action of a reducing agent. It may be deposited in the form of fine particles and supported on the surface of carbon black.

PEFC型の燃料電池は、所定の温度で加湿した後、酸素極に、その通過量を制御しながら酸素を接触させると共に、水素極に、その通過量を制御しながら水素を接触させることによって、発電させることができる。また、DMFC型の燃料電池は、酸素極に、その通過量を制御しながら酸素を接触させると共に、水素極に、その通過量を制御しながら、メタノールまたはその水溶液を接触させることによって、発電させることができる。   A PEFC-type fuel cell, after humidifying at a predetermined temperature, is brought into contact with oxygen while controlling its passing amount to the oxygen electrode, and is brought into contact with hydrogen while controlling its passing amount. It can generate electricity. Further, the DMFC type fuel cell generates power by bringing oxygen into contact with the oxygen electrode while controlling its passing amount, and bringing methanol or its aqueous solution into contact with the hydrogen electrode while controlling its passing amount. be able to.

〈実施例1〉
カーボンブラック〔ライオン(株)製のケッチェンブラックEC−600JD、BET比表面積:約1300m2/g〕を5gずつビニール袋に収容したものを多数、用意し、前記カーボンブラックを収容したビニール袋を、コンベア式の電子線照射装置〔日新電機(株)製、出力800kV、35mA〕を用いて、前記装置のコンベアによって搬送しながら、連続的に電子線を照射した。電子線の照射量は、吸収線量で表して0.12MGyに設定した。
<Example 1>
A large number of carbon blacks (Ketjen Black EC-600JD manufactured by Lion Co., Ltd., BET specific surface area: about 1300 m 2 / g) stored in 5 g portions each in a plastic bag are prepared. Using a conveyor type electron beam irradiation apparatus [manufactured by Nissin Electric Co., Ltd., output 800 kV, 35 mA], the electron beam was continuously irradiated while being conveyed by the conveyor of the apparatus. The irradiation amount of the electron beam was expressed as an absorbed dose and set to 0.12 MGy.

次に、純水に、前記電子線を照射したカーボンブラックと、エタノールと、白金濃度50g/リットルのジニトロジアンミン硝酸白金溶液とを加えて液相の反応系を調製した。各成分の濃度は、カーボンブラック:10g/リットル、エタノール:500ml/リットル、ジニトロジアンミン硝酸白金溶液:38g/リットルとした。   Next, carbon black irradiated with the electron beam, ethanol, and a dinitrodiammine platinum nitrate solution having a platinum concentration of 50 g / liter were added to pure water to prepare a liquid phase reaction system. The concentration of each component was carbon black: 10 g / liter, ethanol: 500 ml / liter, dinitrodiammine platinum nitrate solution: 38 g / liter.

次に、前記反応系を、マグネチックスターラを用いて、500rpmの回転数でかく拌しながら、還流下、約80℃で6時間、反応させることにより、液相中に分散した担体粒子の表面に、還元された白金を、微粒子状に析出させて、担持させることで、白金触媒を製造した。   Next, the reaction system is reacted at about 80 ° C. for 6 hours under reflux with stirring at 500 rpm using a magnetic stirrer to thereby form the surface of the carrier particles dispersed in the liquid phase. A platinum catalyst was produced by depositing the reduced platinum into fine particles and supporting them.

〈実施例2、3〉
カーボンブラックに照射する電子線の照射量を、吸収線量で表して0.48MGy(実施例2)、1.44MGy(実施例3)としたこと以外は、実施例1と同様にして白金触媒を製造した。
<Examples 2 and 3>
The platinum catalyst was treated in the same manner as in Example 1 except that the amount of electron beam irradiated to carbon black was 0.48MGy (Example 2) and 1.44MGy (Example 3) in terms of absorbed dose. Manufactured.

〈比較例1〉
カーボンブラックに電子線を照射しなかったこと以外は、実施例1と同様にして白金触媒を製造した。
<Comparative example 1>
A platinum catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that carbon black was not irradiated with an electron beam.

〈比較例2〉
カーボンブラックに照射する電子線の照射量を、吸収線量で表して2.40MGyとしたこと以外は、実施例1と同様にして白金触媒を製造した。
<Comparative example 2>
A platinum catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of electron beam applied to the carbon black was 2.40 MGy in terms of absorbed dose.

〈実施例4〜6〉
カーボンブラックとして、BET比表面積が約220m2/gであるもの〔キャボット社製のVulcan XC−72R〕を用いたこと以外は、実施例1〜3と同様にして白金触媒を製造した。カーボンブラックに照射する電子線の照射量は、吸収線量で表して0.12MGy(実施例4)、0.48MGy(実施例5)、1.44MGy(実施例6)とした
<Examples 4 to 6>
A platinum catalyst was produced in the same manner as in Examples 1 to 3 except that carbon black having a BET specific surface area of about 220 m 2 / g [Vulcan XC-72R manufactured by Cabot Corporation] was used. The irradiation amount of the electron beam applied to the carbon black was 0.12 MGy (Example 4), 0.48 MGy (Example 5), and 1.44 MGy (Example 6) in terms of absorbed dose.

〈比較例3〉
カーボンブラックに電子線を照射しなかったこと以外は、実施例4〜6と同様にして白金触媒を製造した。
<Comparative Example 3>
A platinum catalyst was produced in the same manner as in Examples 4 to 6 except that carbon black was not irradiated with an electron beam.

〈比較例4〉
カーボンブラックに照射する電子線の照射量を、吸収線量で表して2.40MGyとしたこと以外は、実施例4〜6と同様にして白金触媒を製造した。
<Comparative example 4>
Platinum catalysts were produced in the same manner as in Examples 4 to 6 except that the amount of electron beam irradiated to carbon black was 2.40 MGy in terms of absorbed dose.

〈白金微粒子の担持量、粒径および触媒活性の測定〉
白金微粒子の担持量、粒径および触媒活性は、下記の手順で求めた。すなわち、CO吸着法により、製造した白金触媒を前処理温度120℃、吸着温度50℃の条件で処理してCO吸着量を求め、その結果から、カーボンブラックの表面に担持された白金微粒子の表面積と触媒活性(m2/g−cat)とを算出した。また、製造した白金触媒における白金微粒子の担持量(重量%)を、ICP(Inductively Coupled Plazma、誘導結合プラズマ)分光分析法によって測定した。また、前記担持量と、先の表面積とから、カーボンブラックの表面に担持された白金微粒子の粒径(nm)を算出した。
<Measurement of supported amount, particle size and catalytic activity of platinum fine particles>
The supported amount, particle size and catalytic activity of the platinum fine particles were determined by the following procedure. That is, by the CO adsorption method, the produced platinum catalyst is treated under conditions of a pretreatment temperature of 120 ° C. and an adsorption temperature of 50 ° C. to determine the amount of CO adsorption. From the result, the surface area of the platinum fine particles supported on the surface of carbon black And catalytic activity (m 2 / g-cat) were calculated. Further, the supported amount (% by weight) of platinum fine particles in the produced platinum catalyst was measured by ICP (Inductively Coupled Plasma) spectroscopy. Further, the particle size (nm) of platinum fine particles supported on the surface of carbon black was calculated from the supported amount and the previous surface area.

以上の結果を表1、および図1〜3に示す。なお、各図において−○−は比表面積が約1300m2/gであるカーボンブラックを使用した系の結果、−■−は比表面積が約220m2/gであるカーボンブラックを使用した系の結果を示している。 The above results are shown in Table 1 and FIGS. In each figure, -o- indicates the result of a system using carbon black having a specific surface area of about 1300 m 2 / g, and-■-indicates the result of a system using carbon black having a specific surface area of about 220 m 2 / g. Is shown.

Figure 2007313423
Figure 2007313423

表1および図1〜3より、比表面積が約1300m2/gであるカーボンブラックを使用した系、および比表面積が約220m2/gであるカーボンブラックを使用した系のいずれにおいても、カーボンブラックに、吸収線量で表して0.1〜1.5MGyの範囲内で、電子線を照射することによって、その後の工程で、前記カーボンブラックの表面に、還元析出法によって析出されて担持された白金微粒子の粒径を小さくし、担持量を大きくして、触媒活性を向上できることが判った。 From Table 1 and FIGS. 1 to 3, carbon black is used in both the system using carbon black having a specific surface area of about 1300 m 2 / g and the system using carbon black having a specific surface area of about 220 m 2 / g. In addition, by irradiating an electron beam in the range of 0.1 to 1.5 MGy in terms of absorbed dose, platinum deposited and supported on the surface of the carbon black by a reduction deposition method in a subsequent step. It has been found that the catalyst activity can be improved by reducing the particle size of the fine particles and increasing the loading.

本発明の実施例、比較例においてカーボンブラックに照射した電子線の吸収線量(MGy)と、前記カーボンブラックの表面に、還元析出法によって析出されて担持された白金微粒子の粒径(nm)との関係を示すグラフである。In Examples and Comparative Examples of the present invention, the absorbed dose (MGy) of the electron beam irradiated to the carbon black, and the particle size (nm) of platinum fine particles deposited and supported on the surface of the carbon black by the reduction precipitation method It is a graph which shows the relationship. 本発明の実施例、比較例においてカーボンブラックに照射した電子線の吸収線量(MGy)と、前記カーボンブラックの表面に、還元析出法によって析出されて担持された白金微粒子の担持量(重量%)との関係を示すグラフである。In Examples and Comparative Examples of the present invention, the absorbed dose (MGy) of the electron beam irradiated to the carbon black, and the supported amount (% by weight) of platinum fine particles deposited and supported on the surface of the carbon black by the reduction deposition method. It is a graph which shows the relationship. 本発明の実施例、比較例においてカーボンブラックに照射した電子線の吸収線量(MGy)と、前記カーボンブラックの表面に、還元析出法によって白金微粒子を析出させて担持させた白金触媒の触媒活性(m2/g−cat)との関係を示すグラフである。In Examples and Comparative Examples of the present invention, the absorbed dose (MGy) of the electron beam irradiated to the carbon black and the catalytic activity of the platinum catalyst supported by depositing platinum fine particles on the surface of the carbon black by the reduction deposition method ( It is a graph which shows the relationship with m < 2 > / g-cat).

Claims (6)

電離放射線が照射されたカーボンブラックと、前記カーボンブラックの表面に担持された、多数の金属微粒子とを含むことを特徴とする金属触媒。   A metal catalyst comprising carbon black irradiated with ionizing radiation and a large number of metal fine particles supported on the surface of the carbon black. 電離放射線が電子線であり、カーボンブラックに、吸収線量が0.1〜1.5MGyとなるように電子線が照射されている請求項1に記載の金属触媒。   The metal catalyst according to claim 1, wherein the ionizing radiation is an electron beam, and the electron beam is applied to the carbon black so that the absorbed dose is 0.1 to 1.5 MGy. 電離放射線を照射する前のカーボンブラックのBET比表面積が100〜1500m2/gである請求項1または2に記載の金属触媒。 The metal catalyst according to claim 1 or 2, wherein the carbon black before irradiation with ionizing radiation has a BET specific surface area of 100 to 1500 m 2 / g. 金属微粒子が、白金、パラジウム、金、銀、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、コバルト、マンガン、ニッケル、鉄、クロム、モリブデン、およびチタンからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属を含む微粒子である請求項1〜3のいずれかに記載の金属触媒。   The fine metal particles are fine particles containing at least one metal selected from the group consisting of platinum, palladium, gold, silver, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, cobalt, manganese, nickel, iron, chromium, molybdenum, and titanium. The metal catalyst according to any one of claims 1 to 3. カーボンブラックに電離放射線を照射する工程と、前記カーボンブラックを、金属微粒子のもとになる金属のイオンを含む液相の反応系中に分散させた状態で、前記金属のイオンを、還元剤の作用によって還元させて、微粒子状に析出させると共に、カーボンブラックの表面に担持させる工程とを含むことを特徴とする金属触媒の製造方法。   The step of irradiating the carbon black with ionizing radiation, and the carbon black dispersed in a liquid phase reaction system containing metal ions that are the basis of the metal fine particles, A method of producing a metal catalyst, comprising a step of reducing by action and precipitating in the form of fine particles and supporting the fine particles on the surface of carbon black. 請求項1〜4のいずれかに記載の金属触媒を含むことを特徴とする燃料電池。

A fuel cell comprising the metal catalyst according to claim 1.

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