JP2008123860A - Metal oxide-carrying carbon and fuel cell electrode employing it - Google Patents

Metal oxide-carrying carbon and fuel cell electrode employing it Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide metal oxide-carrying carbon which is highly corrosion-resistant, enables an amount of use of a catalyst to be reduced and can be used for a fuel cell catalyst or the like and to provide a fuel cell electrode of high output and high durability employing it. <P>SOLUTION: The metal oxide-carrying carbon contains carbon particles, amorphous platinum oxide carried by the carbon particles, and metal oxide particles containing cerium carried by the carbon particles. Also, the fuel cell electrode contains the metal oxide-carrying carbon. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属酸化物担持カーボン及びそれを用いた燃料電池用電極に関する。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a metal oxide-supporting carbon and a fuel cell electrode using the same.

従来、金属粒子、合金粒子、金属酸化物粒子等を担体粒子に担持させたものは、消臭、抗菌、自動車排ガスの浄化、燃料電池、NOx還元等の各種触媒として多用されている。この種の触媒の担体粒子としては主に、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト等の金属酸化物やカーボン等が用いられている。特に、導電性を有するカーボン粒子を担体として用いた触媒は燃料電池の電極用触媒として有効なものである。   Conventionally, metal particles, alloy particles, metal oxide particles and the like supported on carrier particles are widely used as various catalysts for deodorizing, antibacterial, purification of automobile exhaust gas, fuel cells, NOx reduction and the like. As the carrier particles of this type of catalyst, metal oxides such as titanium oxide, zirconium oxide, iron oxide, nickel oxide and cobalt oxide, carbon and the like are mainly used. In particular, a catalyst using conductive carbon particles as a carrier is effective as a catalyst for an electrode of a fuel cell.

中でも、白金とルテニウムとの合金粒子をカーボン担体上に担持させたものや、酸化モリブデン、酸化セリウム等の特定の金属酸化物粒子を助触媒として、これを金属白金微粒子と共にカーボン担体上に担持させたものは、優れた燃料電池の電極用触媒として知られている。また、酸化セリウムや酸化ジルコニウム等の耐食性酸化物粒子に白金粒子を担持させたものを、カーボン担体上に担持させることにより、白金粒子同士の凝集を抑えることができる燃料電池用触媒が提案されている(特許文献1)。さらに、酸化白金及び酸化ルテニウムを共にカーボン上に担持させることにより、製造工程で水素ガス等を用いずに作製することができる燃料極用電極触媒が提案されている(特許文献2)。
特開2004−363056号公報 特許第2890486号公報
Among them, platinum and ruthenium alloy particles supported on a carbon carrier, and specific metal oxide particles such as molybdenum oxide and cerium oxide as a cocatalyst are supported on a carbon carrier together with metal platinum fine particles. Is known as an excellent catalyst for fuel cell electrodes. Further, a fuel cell catalyst that can suppress aggregation of platinum particles by supporting platinum particles on corrosion-resistant oxide particles such as cerium oxide and zirconium oxide on a carbon carrier has been proposed. (Patent Document 1). Furthermore, an electrode catalyst for a fuel electrode that can be produced without using hydrogen gas or the like in the production process by supporting both platinum oxide and ruthenium oxide on carbon has been proposed (Patent Document 2).
JP 2004-363056 A Japanese Patent No. 2890486

しかしながら、上記のような金属粒子、合金粒子、金属酸化物粒子等を担体粒子に担持させた従来の触媒は、燃料電池等の電極用触媒に使用した場合において、その耐食性が未だ十分ではないという問題があった。例えば、これまでの金属白金粒子を用いた燃料電池の電極用触媒では、使用過程における金属白金粒子のCO被毒による劣化や、100℃以上の温度雰囲気と常温とのヒートサイクルを繰り返すことによる白金粒子同士の固着や粒成長を完全に防ぐことができなかったため、その触媒能が著しく低下するという問題があった。このため、従来の燃料電池用電極では、触媒能の低下を予め見込んで、その触媒能の低下を補うために多量の触媒を使用する必要があった。   However, conventional catalysts in which metal particles, alloy particles, metal oxide particles and the like as described above are supported on carrier particles are still insufficient in corrosion resistance when used as electrode catalysts for fuel cells and the like. There was a problem. For example, in the conventional catalyst for fuel cell electrodes using platinum metal particles, platinum is deteriorated due to CO poisoning of the platinum metal particles in the process of use, or by repeating a heat cycle between a temperature atmosphere of 100 ° C. and normal temperature. There was a problem in that the catalytic ability of the particles was remarkably lowered because the adhesion between the particles and the growth of the particles could not be prevented completely. For this reason, in the conventional fuel cell electrode, it was necessary to use a large amount of catalyst in order to compensate for the decrease in the catalytic performance in anticipation of the decrease in the catalytic performance in advance.

また、白金を酸化物として利用する場合でも、その触媒能を金属白金と同等程度にまで向上させるために、酸化ルテニウム等の高価な貴金属元素を重ねて使用しなければならず、全体の触媒量が増加するという問題があった。   In addition, even when platinum is used as an oxide, in order to improve its catalytic ability to the same level as that of metal platinum, an expensive noble metal element such as ruthenium oxide must be used repeatedly, and the total catalyst amount There was a problem that increased.

本発明は、上記問題を解決したもので、耐食性が高く、触媒の使用量を低減できる燃料電池用触媒等に用いることができる金属酸化物担持カーボン及びそれを用いた燃料電池用電極を提供するものである。   The present invention solves the above-described problems, and provides a metal oxide-supported carbon that can be used for a catalyst for a fuel cell that has high corrosion resistance and can reduce the amount of the catalyst used, and a fuel cell electrode using the same. Is.

本発明の金属酸化物担持カーボンは、カーボン粒子と、前記カーボン粒子に担持されたアモルファス状の酸化白金と、前記カーボン粒子に担持されたセリウムを含む金属酸化物粒子とを含むことを特徴とする。   The metal oxide-supported carbon of the present invention includes carbon particles, amorphous platinum oxide supported on the carbon particles, and metal oxide particles containing cerium supported on the carbon particles. .

本発明の燃料電池用電極は、上記本発明の金属酸化物担持カーボンを含むことを特徴とする。   An electrode for a fuel cell according to the present invention includes the metal oxide-supported carbon according to the present invention.

本発明は、耐食性が高く、触媒の使用量を低減できる電池用触媒等に用いることができる金属酸化物担持カーボン及びそれを用いた高出力で耐久性の高い燃料電池用電極を提供することができる。   The present invention provides a metal oxide-supporting carbon that can be used for a battery catalyst or the like that has high corrosion resistance and can reduce the amount of catalyst used, and a high-power and highly durable fuel cell electrode using the same. it can.

(実施形態1)
先ず、本発明の金属酸化物担持カーボンを説明する。本発明の金属酸化物担持カーボンは、カーボン粒子と、カーボン粒子に担持されたアモルファス状の酸化白金と、カーボン粒子に担持されたセリウムを含む金属酸化物粒子とを含んでいる。
(Embodiment 1)
First, the metal oxide-supported carbon of the present invention will be described. The metal oxide-supported carbon of the present invention includes carbon particles, amorphous platinum oxide supported on the carbon particles, and metal oxide particles containing cerium supported on the carbon particles.

通常、電極触媒に用いる白金は、金属粒子の状態で存在しなければ高い触媒能が発現しないと言われているが、本発明においては、触媒能を持つ白金を、金属粒子又は酸化物粒子としてではなく、アモルファス状の酸化白金の状態でカーボン粒子に担持させ、且つ少なくともセリウム(Ce)を含む金属酸化物粒子を同時にカーボン粒子に担持させることにより、白金粒子の固着や粒成長を防止して、耐食性が高く、触媒の使用量を低減しても触媒能が低下しない電極用触媒を提供できる。これにより、貴重な資源である白金の使用量を従来の電極用触媒と比べて大幅に減らすことができる。   Usually, platinum used for an electrode catalyst is said to exhibit high catalytic ability unless it exists in the state of metal particles. In the present invention, platinum having catalytic ability is used as metal particles or oxide particles. Instead, by supporting the carbon particles in the form of amorphous platinum oxide, and simultaneously supporting the metal oxide particles containing at least cerium (Ce) on the carbon particles, it is possible to prevent the adhesion and growth of the platinum particles. In addition, it is possible to provide an electrode catalyst that has high corrosion resistance and that does not lower the catalytic performance even when the amount of the catalyst used is reduced. Thereby, the usage-amount of platinum which is a valuable resource can be reduced significantly compared with the conventional electrode catalyst.

即ち、酸化白金は、アモルファス状に担持させることにより、より効率的に金属酸化物粒子及びカーボン粒子との接点を設けることができる。上記のとおり、通常、白金は酸化物粒子の状態では、金属白金粒子と比較してほぼ活性を持たず、例えば、固体高分子型燃料電池の電極用触媒としては触媒能を発揮しないが、酸化白金をアモルファス状にすることで、酸化物状態でありながら電極用触媒として使用した際には、金属白金粒子を用いた場合と同様の活性を引き出すことができる。また、この際、白金は酸化物の状態であるために、凝着による粒子の粗大化、酸化による劣化、COによる被毒等が起こらない。   That is, platinum oxide can be supported in an amorphous state to provide a more efficient contact with metal oxide particles and carbon particles. As described above, in general, platinum has almost no activity in the form of oxide particles as compared with metal platinum particles. For example, platinum does not exhibit catalytic ability as an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, but is oxidized. By making platinum amorphous, when it is used as an electrode catalyst in an oxide state, the same activity as when metal platinum particles are used can be extracted. At this time, since platinum is in an oxide state, particle coarsening due to adhesion, deterioration due to oxidation, poisoning due to CO, and the like do not occur.

本発明の金属酸化物担持カーボンは、主として電極用触媒に用いられるが、電極用触媒以外にも、水素化、脱水素、酸化の反応に対する触媒として機能するため、各種化学物質合成の際の触媒としても用いることができる。   The metal oxide-supported carbon of the present invention is mainly used as an electrode catalyst. In addition to the electrode catalyst, it functions as a catalyst for hydrogenation, dehydrogenation, and oxidation reactions. Can also be used.

上記アモルファス状の酸化白金と、上記金属酸化物粒子とは、複合体を形成していてもよい。ここで、複合体を形成するとは、アモルファス状の酸化白金と金属酸化物粒子とが、接触又は固着している状態をいう。また、上記複合体を形成している場合であっても、アモルファス状の酸化白金の一部が、酸化セリウムと接触又は固着することなくカーボン粒子上に存在していてもよい。   The amorphous platinum oxide and the metal oxide particles may form a composite. Here, forming a composite means a state in which amorphous platinum oxide and metal oxide particles are in contact with each other or fixed. Even in the case where the composite is formed, part of the amorphous platinum oxide may be present on the carbon particles without contacting or fixing with cerium oxide.

上記カーボン粒子としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the carbon particles include, but are not limited to, carbon black, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanohorn, and the like.

上記セリウムを含む金属酸化物粒子は、ジルコニウム(Zr)、鉄(Fe)、スズ(Sn)、サマリウム(Sm)、ハフニウム(Hf)、ガドリニウム(Gd)、イットリウム(Y)、イッテルビウム(Yb)、ランタン(La)、ホルミウム(Ho)及びエルビウム(Er)からなる群から選ばれる少なくとも一種の元素をさらに含むこともできる。これらを含むことにより、本来であればほぼ導電性を持たないセリウムの酸化物に電気伝導性を与えることとなり、カーボン粒子間の電気伝導を阻害することがなく、電極用触媒として使用した場合にはより高い出力を得ることが期待できる。   The metal oxide particles containing cerium include zirconium (Zr), iron (Fe), tin (Sn), samarium (Sm), hafnium (Hf), gadolinium (Gd), yttrium (Y), ytterbium (Yb), It may further contain at least one element selected from the group consisting of lanthanum (La), holmium (Ho) and erbium (Er). By including these, if it is used as a catalyst for an electrode, it will give electrical conductivity to the oxide of cerium that has essentially no electrical conductivity, without interfering with electrical conduction between carbon particles. Can expect higher output.

上記金属酸化物粒子の粒子径は、1nm以上20nm以下が好ましく、より好ましくは1nm以上10nm以下である。金属酸化物粒子の粒子径は、1nm未満でも触媒としての特性に大きな影響はないと考えられるが、金属酸化物の格子間隔は通常0.5nm前後であることが多く、金属酸化物粒子の粒子径が1nm未満となると、結晶構造上、格子点の数が少なすぎるために安定な結合が起こらず、酸化物の構造を保持することが難しくなるため、結晶構造を持つ金属酸化物粒子を作製すること自体が困難となる。また、金属酸化物粒子の粒子径が20nmを超えると、触媒としての特性が完全に失われることはないが、十分な比表面積が得られないために触媒としての性能が低下する傾向にある。通常、金属酸化物粒子は、一次粒子として単分散状態でカーボン粒子に担持される。   The particle diameter of the metal oxide particles is preferably 1 nm or more and 20 nm or less, more preferably 1 nm or more and 10 nm or less. Even if the particle diameter of the metal oxide particles is less than 1 nm, it is considered that the characteristics as a catalyst are not greatly affected. However, the metal oxide lattice spacing is usually around 0.5 nm. When the diameter is less than 1 nm, the number of lattice points in the crystal structure is too small, so that stable bonding does not occur and it is difficult to maintain the oxide structure, so that metal oxide particles having a crystal structure are produced. It becomes difficult to do. When the particle diameter of the metal oxide particles exceeds 20 nm, the characteristics as a catalyst are not completely lost, but the performance as a catalyst tends to be lowered because a sufficient specific surface area cannot be obtained. Usually, metal oxide particles are supported on carbon particles as primary particles in a monodispersed state.

本発明おいて、上記金属酸化物粒子の粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)写真の粒子の大きさを測定して求めることができる。しかし、20nm未満のような微粒子においては、1つの粒子内で多結晶構造をとることは稀であり、ほとんどの場合に単結晶の粒子となる。従って、担持された金属酸化物粒子の粒子径は、TEM写真から求める方法の他に、粉末X線回折スペクトルから求められる平均結晶子サイズからも求めることができる。特に、粒子径が数nm以下であるような微粒子の場合には、TEM写真等から目視で粒子径を求める際の測定誤差が大きく、平均結晶子サイズから求めることが好ましい。但し、多結晶構造を持つ粗大な粒子が存在している場合には、その粗大粒子に含まれる結晶子のサイズを測定している可能性もあるため、平均結晶子サイズから求められた粒子径と、TEMで観察される粒子の大きさに整合性があるかどうかを確認することが必要である。   In the present invention, the particle diameter of the metal oxide particles can be determined by measuring the size of particles in a transmission electron microscope (TEM) photograph. However, in a fine particle of less than 20 nm, it is rare to take a polycrystalline structure within one particle, and in most cases, it becomes a single crystal particle. Therefore, the particle diameter of the supported metal oxide particles can be obtained from the average crystallite size obtained from the powder X-ray diffraction spectrum in addition to the method obtained from the TEM photograph. In particular, in the case of fine particles having a particle diameter of several nanometers or less, a measurement error when the particle diameter is visually determined from a TEM photograph or the like is large, and it is preferable to determine from the average crystallite size. However, if coarse particles with a polycrystalline structure are present, the size of the crystallites contained in the coarse particles may be measured, so the particle diameter determined from the average crystallite size It is necessary to confirm whether or not the particle size observed by the TEM is consistent.

また、本発明の金属酸化物担持カーボンでは、酸化白金がアモルファス状態であるため、TEM写真を撮影しても酸化白金を判別することが難しく、カーボン粒子及び担持された金属酸化物粒子のみが観測される。さらに、粉末X線回折のような構造解析においても、アモルファス状である場合には酸化白金の回折線が現れない。これらの理由により、酸化白金の存在を分析する際には、まず蛍光X線分析(XRF)あるいはICP発光分光分析等の組成分析により相当量の白金元素の存在を必ず確認し、その上で、粉末X線回折(XRD)により、白金由来のいずれの構造も現れずアモルファス構造をとっていることを確認した上で、X線光電子分光(XPS)あるいはX線吸収微細構造分析(XAFS)等により白金の酸化状態を確認することが必要である。   In addition, in the metal oxide-supported carbon of the present invention, since platinum oxide is in an amorphous state, it is difficult to discriminate platinum oxide even when a TEM photograph is taken, and only carbon particles and supported metal oxide particles are observed. Is done. Furthermore, even in structural analysis such as powder X-ray diffraction, the diffraction line of platinum oxide does not appear in the amorphous state. For these reasons, when analyzing the presence of platinum oxide, first, the presence of a substantial amount of platinum element must be confirmed by compositional analysis such as X-ray fluorescence analysis (XRF) or ICP emission spectroscopic analysis. After confirming that any structure derived from platinum does not appear by powder X-ray diffraction (XRD) and has an amorphous structure, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) or X-ray absorption fine structure analysis (XAFS) is used. It is necessary to confirm the oxidation state of platinum.

上記カーボン粒子の平均粒子径は、20nm以上70nm以下であることが好ましく、30nm以上50nm以下がより好ましい。カーボン粒子の平均粒子径が20nm未満でも最終生成物である金属酸化物担持カーボンの触媒能において問題はないが、合成過程において粒子径が小さいために凝集が激しく、均一に分散することが困難となるおそれがあるため、カーボン粒子の平均粒子径は20nm以上が好ましい。また、カーボン粒子の平均粒子径が70nmを超えた場合、最終生成物の金属酸化物担持カーボンの触媒能が完全になくなることはないが、比表面積が小さくなるため触媒能が低下するおそれがあるため、カーボン粒子の平均粒子径は70nm以下が好ましい。   The average particle diameter of the carbon particles is preferably 20 nm to 70 nm, and more preferably 30 nm to 50 nm. Even if the average particle size of the carbon particles is less than 20 nm, there is no problem in the catalytic ability of the metal oxide-supported carbon as the final product, but the particle size is small in the synthesis process, so that the aggregation is intense and difficult to disperse uniformly. Therefore, the average particle diameter of the carbon particles is preferably 20 nm or more. Further, when the average particle diameter of the carbon particles exceeds 70 nm, the catalytic ability of the final product metal oxide-supported carbon is not completely lost, but the catalytic ability may be lowered because the specific surface area becomes small. Therefore, the average particle diameter of the carbon particles is preferably 70 nm or less.

本発明おいて、平均粒子径は、透過型電子顕微鏡(TEM)写真から観察される100個の粒子の粒子径の算術平均から求めるものとする。   In the present invention, the average particle diameter is determined from the arithmetic average of the particle diameters of 100 particles observed from a transmission electron microscope (TEM) photograph.

本発明の金属酸化物担持カーボンの平均粒子径は、上記粒子径の金属酸化物粒子及び上記平均粒子径のカーボン粒子を用いると、20nm以上90nm以下となる。   The average particle diameter of the metal oxide-supported carbon of the present invention is 20 nm or more and 90 nm or less when the metal oxide particles having the above particle diameter and the carbon particles having the above average particle diameter are used.

上記酸化白金の担持量は、酸化白金と金属酸化物粒子との合計重量に対して、5重量%以上50重量%以下であることが好ましい。5重量%未満でも触媒としての作用が完全になくなるわけではないが、その触媒能が発現しにくくなる場合があり、十分な出力を得るために全体としての触媒量を増やさなくてはならなくなり、そのため電極膜厚を増大させる必要が生じ、膜厚増加に伴う電極性能の低下を招くため、5重量%以上とすることが好ましい。また、50重量%より多くても触媒としての作用は認められるが、一部の酸化白金がアモルファスとならずに粒子状に結晶成長して析出してしまい、全ての白金元素を有効に触媒反応に作用させることができなくなるため、好ましくない。   The supported amount of platinum oxide is preferably 5% by weight or more and 50% by weight or less based on the total weight of platinum oxide and metal oxide particles. Even if it is less than 5% by weight, the catalytic action is not completely lost, but its catalytic ability may be difficult to express, and in order to obtain sufficient output, the total amount of catalyst must be increased, Therefore, it is necessary to increase the electrode film thickness, and the electrode performance is lowered with the increase in film thickness. Even if it exceeds 50% by weight, the action as a catalyst is recognized, but some platinum oxide does not become amorphous but crystallizes and precipitates in the form of particles, and all platinum elements are effectively catalyzed. This is not preferable because it cannot be acted on.

また、上記酸化白金と上記金属酸化物粒子との合計担持量は、金属酸化物担持カーボンの全体の重量に対して、5重量%以上50重量%以下であることが好ましい。合計担持量が5重量%未満では、酸化白金量が少なくなるためにその触媒能が発現しにくくなるおそれがあり、また、50重量%を超えると、金属酸化物の含有量が多くなるためにカーボン粒子の表面に単層で被着せずに、金属酸化物粒子同士が重なり合ったり、または、凝集してしまうおそれがある。   The total supported amount of the platinum oxide and the metal oxide particles is preferably 5% by weight or more and 50% by weight or less based on the total weight of the metal oxide-supported carbon. If the total supported amount is less than 5% by weight, the amount of platinum oxide decreases, so that its catalytic ability may be difficult to be expressed. If it exceeds 50% by weight, the content of metal oxide increases. There is a possibility that metal oxide particles may overlap or aggregate without being deposited as a single layer on the surface of carbon particles.

次に、本発明の金属酸化物担持カーボンの製造方法の一例について説明する。   Next, an example of the manufacturing method of the metal oxide carrying carbon of this invention is demonstrated.

先ず第一に、白金イオン及びセリウムイオンを含む水溶液を調製する。金属酸化物粒子を構成する金属元素としてセリウム以外の金属元素を含有させる場合には、ジルコニウム、鉄、スズ、サマリウム、ハフニウム、ガドリニウム、イットリウム、イッテルビウム、ランタン、ホルミウム、エルビウム等の金属のイオンも上記水溶液に含める。また、最終生成物のセリウム酸化物構造内に安定に含有し得る元素であれば、上記金属イオン以外の金属イオンを上記水溶液に含めることもできる。但し、アモルファス状の酸化白金と金属酸化物粒子とを同時に担持した場合において、触媒としての機能を最大限に発現させるために、上記水溶液には、少なくともセリウムイオンとジルコニウムイオンを含めることが好ましい。   First, an aqueous solution containing platinum ions and cerium ions is prepared. When a metal element other than cerium is included as a metal element constituting the metal oxide particles, ions of metals such as zirconium, iron, tin, samarium, hafnium, gadolinium, yttrium, ytterbium, lanthanum, holmium, erbium, etc. Include in aqueous solution. Moreover, as long as it is an element which can be stably contained in the cerium oxide structure of the final product, metal ions other than the metal ions can be included in the aqueous solution. However, in the case where amorphous platinum oxide and metal oxide particles are simultaneously supported, in order to maximize the function as a catalyst, the aqueous solution preferably contains at least cerium ions and zirconium ions.

次に、上記金属イオンを含む水溶液中に、例えばカーボンブラック等のカーボン粒子を分散させる。この際、最終生成物である金属酸化物担持カーボンの全体の重量に対して、酸化白金と金属酸化物粒子との合計担持量が5重量%以上50重量%以下となるように、上記水溶液中にカーボン粒子を分散させる。   Next, carbon particles such as carbon black are dispersed in the aqueous solution containing the metal ions. At this time, in the aqueous solution, the total supported amount of platinum oxide and metal oxide particles is 5% by weight or more and 50% by weight or less with respect to the total weight of the metal oxide-supported carbon as the final product. Disperse the carbon particles in.

上記カーボン粒子としては、水溶液に対する分散性を上げるために表面処理を施したものを用いることが好ましい。カーボン粒子の表面処理は、次のようにして行う。即ち、約90℃の硝酸水溶液中にカーボン粒子を分散させ、3〜5時間攪拌して酸化処理した後、120〜200℃の範囲で水熱処理を施す。その後、水洗、ろ過して表面処理したカーボン粒子を得る。酸化処理における硝酸水溶液の温度は、約90℃程度であれば多少の温度差はあってもよいが、100℃になると水分の蒸散が激しくなるため、100℃未満であることが好ましい。水熱処理は120〜200℃の範囲であれば問題ないが、より効果的な処理を行うために、150℃以上で4時間以上の処理を行うことが好ましい。   As the carbon particles, it is preferable to use those subjected to surface treatment in order to increase dispersibility in an aqueous solution. The surface treatment of the carbon particles is performed as follows. That is, carbon particles are dispersed in an aqueous nitric acid solution at about 90 ° C., stirred for 3 to 5 hours and oxidized, and then subjected to hydrothermal treatment in the range of 120 to 200 ° C. Thereafter, the surface-treated carbon particles are obtained by washing with water and filtering. The temperature of the nitric acid aqueous solution in the oxidation treatment may be slightly different as long as it is about 90 ° C. However, when the temperature is 100 ° C., the transpiration of water becomes severe, and therefore it is preferably less than 100 ° C. Hydrothermal treatment is not a problem as long as it is in the range of 120 to 200 ° C., but in order to perform more effective treatment, it is preferable to perform treatment at 150 ° C. or higher for 4 hours or longer.

以上のようにして、カーボン粒子を金属イオンを含む水溶液中に分散させた後、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア等の一般的なアルカリ剤を加えて中和させ、カーボン粒子の表面に構成金属の化合物を沈着させた後、乾燥することにより、カーボン粒子の表面に前駆体微粒子を析出させる。乾燥させる雰囲気は、特に限定されるものではないが、空気中での乾燥が最も簡便かつ低コストであり好ましい。   After the carbon particles are dispersed in an aqueous solution containing metal ions as described above, a general alkali agent such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, or ammonia is added to neutralize the carbon particles to form the surface. After the metal compound is deposited, the precursor fine particles are deposited on the surface of the carbon particles by drying. The atmosphere to be dried is not particularly limited, but drying in air is most convenient and inexpensive because it is preferable.

さらに、このようにして得られた微粒子担持カーボンを乾燥した後、加熱処理を施す。加熱処理としては、空気中で300℃以下の温度での熱処理、あるいは、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中での熱処理を複数種組み合わせて行うことが好ましい。この際、酸素が存在する雰囲気下では、300℃を超えると担体であるカーボン粒子の燃焼が始まるおそれがあり好ましくない。また、還元雰囲気下では吸着された前駆体微粒子が酸化物にならず、金属白金が析出してしまう場合があるため適切ではない。特に、水素等が含まれる還元雰囲気において高温で熱処理を行うと、白金とセリウム等の金属との合金粒子が析出する場合がある。不活性ガス雰囲気中での加熱処理の温度は200〜1000℃の範囲が好ましい。   Further, the fine particle-supported carbon thus obtained is dried and then subjected to heat treatment. As the heat treatment, it is preferable to perform a heat treatment in air at a temperature of 300 ° C. or lower, or a heat treatment in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. Under the present circumstances, in the atmosphere where oxygen exists, when it exceeds 300 degreeC, there exists a possibility that the combustion of the carbon particle which is a support | carrier may be unpreferable. Further, in a reducing atmosphere, the adsorbed precursor fine particles do not become oxides and metal platinum may be deposited, which is not appropriate. In particular, when heat treatment is performed at a high temperature in a reducing atmosphere containing hydrogen or the like, alloy particles of platinum and a metal such as cerium may be precipitated. The temperature of the heat treatment in an inert gas atmosphere is preferably in the range of 200 to 1000 ° C.

以上の製造方法により、カーボン粒子に、アモルファス状の酸化白金と、少なくともセリウムを含む金属酸化物粒子とが担持した金属酸化物担持カーボンを得ることができる。なお、酸化白金のみがアモルファス状となるのは、酸化白金の結晶化条件が、セリウム等を含む金属酸化物粒子の結晶化条件とは異なり、セリウム等を含む金属酸化物粒子の結晶化条件で加熱処理等を行うことにより、酸化白金のみがアモルファス状に形成されたもと思われる。   By the above production method, metal oxide-supported carbon in which amorphous platinum oxide and metal oxide particles containing at least cerium are supported on carbon particles can be obtained. Note that only the platinum oxide becomes amorphous because the crystallization conditions of the platinum oxide are different from the crystallization conditions of the metal oxide particles containing cerium or the like, and the crystallization conditions of the metal oxide particles containing cerium or the like. It seems that only platinum oxide was formed in an amorphous state by heat treatment or the like.

(実施形態2)
次に、本発明の燃料電池用電極の一例を図面に基づき説明する。本実施形態では、実施形態1の金属酸化物担持カーボンを用いて作製される燃料電池用電極である膜電極接合体(MEA)について説明する。
(Embodiment 2)
Next, an example of the fuel cell electrode of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a membrane electrode assembly (MEA) that is an electrode for a fuel cell manufactured using the metal oxide-supported carbon of Embodiment 1 will be described.

図1は、膜電極接合体の一例を示す模式断面図である。図1において、膜電極接合体10は、固体高分子電解質膜1の厚み方向の片側に配置された空気極2と、他の片側に配置された燃料極3と、空気極2の外側に配置された空気極用ガス拡散層4と、燃料極3の外側に配置された燃料極用ガス拡散層5とを備えている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a membrane electrode assembly. In FIG. 1, a membrane electrode assembly 10 is disposed outside the air electrode 2, the air electrode 2 disposed on one side in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane 1, the fuel electrode 3 disposed on the other side, and the air electrode 2. The air electrode gas diffusion layer 4 and the fuel electrode gas diffusion layer 5 disposed outside the fuel electrode 3 are provided.

固体高分子電解質膜1としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン”(商品名)、旭硝子社製の“フレミオン”(商品名)、旭化成工業社製の“アシプレックス”(商品名)等の膜を使用できる。また、ガス拡散層4、5としては、多孔質のカーボンクロスあるいはカーボンシート等を使用できる。   Examples of the solid polymer electrolyte membrane 1 include a polyperfluorosulfonic acid resin membrane, specifically “Nafion” (trade name) manufactured by DuPont, “Flemion” (trade name) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Asahi Kasei Kogyo. A membrane such as “Aciplex” (trade name) manufactured by the company can be used. For the gas diffusion layers 4 and 5, porous carbon cloth or carbon sheet can be used.

膜電極接合体10の作製方法は特に限定されず、次の一般的な方法が適用できる。即ち、エタノール、プロパノール等の低級アルコールを主成分とする溶媒に、実施形態1の金属酸化物担持カーボンと、高分子材料と、さらに必要に応じてバインダ等とを混合し、マグネチックスターラー、ボールミル、超音波分散機等の一般的な分散器具を用いて分散させて、触媒塗料を作製する。この際、塗料の粘度を塗布方法に応じて最適なものとすべく、溶媒量を調整する。実施形態1の金属酸化物担持カーボンは、空気極用の触媒塗料と燃料極用の触媒塗料の両方に用いてもよいが、いずれか一方のみに用いてもよい。実施形態1の金属酸化物担持カーボンを用いない電極には、従来から用いられている例えば白金担持カーボン粒子等の触媒を用いることができる。   The manufacturing method of the membrane electrode assembly 10 is not particularly limited, and the following general method can be applied. That is, the metal oxide-supporting carbon of the first embodiment, a polymer material, and, if necessary, a binder or the like are mixed in a solvent having a lower alcohol such as ethanol or propanol as a main component, and a magnetic stirrer, ball mill, or the like. The catalyst paint is prepared by dispersing using a general dispersing device such as an ultrasonic disperser. At this time, the amount of the solvent is adjusted so that the viscosity of the paint is optimized in accordance with the application method. The metal oxide-supported carbon of Embodiment 1 may be used for both the air electrode catalyst coating and the fuel electrode catalyst coating, but may be used for only one of them. For the electrode not using the metal oxide-supported carbon of the first embodiment, a conventionally used catalyst such as platinum-supported carbon particles can be used.

次に、得られた触媒塗料を用いて空気極2あるいは燃料極3を形成するが、この後の手順としては、一般的には下記の3種の方法(1)〜(3)が挙げられる。   Next, the air electrode 2 or the fuel electrode 3 is formed by using the obtained catalyst paint, and the following procedures generally include the following three methods (1) to (3). .

(1) 得られた触媒塗料を、バーコータ等を用いて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルム、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ポリイミドフィルム、PTFEコートポリイミドフィルム、PTFEコートシリコンシート、PTFEコートガラスクロス等の離型性基板上に均一に塗布し、乾燥させて、離型性基板上に電極膜を形成する。次に、この電極膜を剥し取り、所定の電極サイズに裁断する。このような電極膜を作製し、それぞれを空気極及び燃料極として用いる。その後、上記電極膜を固体高分子電解質膜の両面に、ホットプレスあるいはホットロールプレスにより接合させた後、空気極及び燃料極の両側にガス拡散層をそれぞれ配置し、ホットプレスして一体化させ、膜電極接合体を作製する。   (1) Using the obtained catalyst paint, a polytetrafluoroethylene (PTFE) film, a polyethylene terephthalate (PET) film, a polyimide film, a PTFE-coated polyimide film, a PTFE-coated silicon sheet, a PTFE-coated glass cloth, etc. An electrode film is formed on the releasable substrate by uniformly coating on the releasable substrate and drying. Next, the electrode film is peeled off and cut into a predetermined electrode size. Such an electrode film is produced, and each is used as an air electrode and a fuel electrode. Thereafter, the electrode membrane is bonded to both sides of the solid polymer electrolyte membrane by hot pressing or hot roll pressing, and then gas diffusion layers are arranged on both sides of the air electrode and the fuel electrode, and are integrated by hot pressing. A membrane electrode assembly is produced.

(2) 得られた触媒塗料を、空気極用ガス拡散層及び燃料極用ガス拡散層にそれぞれ塗布し、乾燥させて、空気極及び燃料極を形成する。この際、塗布方法は、スプレー塗布やスクリーン印刷等の方法がとられる。次に、これらの電極膜が形成されたガス拡散層で、固体高分子電解質膜を挟み、ホットプレスして一体化させ、膜電極接合体を作製する。   (2) The obtained catalyst paint is applied to the air electrode gas diffusion layer and the fuel electrode gas diffusion layer, respectively, and dried to form the air electrode and the fuel electrode. At this time, the coating method is a method such as spray coating or screen printing. Next, the polymer electrolyte membrane is sandwiched between the gas diffusion layers on which these electrode membranes are formed and integrated by hot pressing to produce a membrane electrode assembly.

(3) 得られた触媒塗料を、固体高分子電解質膜の両面に、スプレー塗布等の方法を用いて塗布し、乾燥させて、空気極及び燃料極を形成する。その後、空気極及び燃料極の両側にガス拡散層を配置し、ホットプレスして一体化させ、膜電極接合体を作製する。   (3) The obtained catalyst paint is applied to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane by a method such as spray coating and dried to form an air electrode and a fuel electrode. Thereafter, gas diffusion layers are arranged on both sides of the air electrode and the fuel electrode and integrated by hot pressing to produce a membrane electrode assembly.

以上のようにして得られた膜電極接合体10において、空気極2側及び燃料極3側のそれぞれに集電板(図示せず)を設けて電気的な接続を行い、燃料極3に水素を、空気極2に空気(酸素)をそれぞれ供給することにより、燃料電池として作用させることができる。   In the membrane electrode assembly 10 obtained as described above, a current collector plate (not shown) is provided on each of the air electrode 2 side and the fuel electrode 3 side for electrical connection, and hydrogen is supplied to the fuel electrode 3. Can be operated as a fuel cell by supplying air (oxygen) to the air electrode 2, respectively.

以下のようにして金属酸化物担持カーボンを作製した。   Metal oxide-supported carbon was produced as follows.

(実施例1)
<CeO2:PtO=90:10(重量比)・40重量%/カーボン>
先ず、カーボン粒子であるCABOT社製のカーボンブラック“バルカンXC−72”(登録商標、平均粒子径30nm)を、90℃の3mol/Lの硝酸水溶液中に分散させ4時間攪拌した後、150℃で4時間加熱する水熱処理を施し、その後、水洗、ろ過して、表面処理を施したカーボン粒子を得た。
(Example 1)
<CeO 2 : PtO = 90: 10 (weight ratio) · 40 wt% / carbon>
First, carbon black “Vulcan XC-72” (registered trademark, average particle diameter of 30 nm) manufactured by CABOT, which is carbon particles, was dispersed in a 3 mol / L nitric acid aqueous solution at 90 ° C. and stirred for 4 hours, and then 150 ° C. Was subjected to hydrothermal treatment heated for 4 hours, and then washed with water and filtered to obtain surface-treated carbon particles.

次に、塩化セリウム七水和物2.57g及び塩化白金酸六水和物0.32gを水300mLに溶解し、セリウムイオンと白金イオンとを含む水溶液を調製した。また、これとは別に、当量の水酸化ナトリウム水溶液を100g準備した。上記セリウムイオン及び白金イオンを含む水溶液に、上記表面処理を施したカーボン粒子2gを加え、超音波で分散させた後、攪拌しながら上記水酸化ナトリウム水溶液を1時間かけて滴下し、セリウム及び白金を含む化合物をカーボン粒子の表面に沈着させた。その後、水洗、ろ過して、90℃で乾燥させ、前駆体であるセリウムと白金の化合物を担持したカーボン粒子を得た。   Next, 2.57 g of cerium chloride heptahydrate and 0.32 g of chloroplatinic acid hexahydrate were dissolved in 300 mL of water to prepare an aqueous solution containing cerium ions and platinum ions. Separately from this, 100 g of an equivalent sodium hydroxide aqueous solution was prepared. After adding 2 g of the surface-treated carbon particles to the aqueous solution containing the cerium ion and platinum ion and dispersing with ultrasonic waves, the sodium hydroxide aqueous solution is dropped over 1 hour with stirring, and cerium and platinum are added. A compound containing was deposited on the surface of the carbon particles. Thereafter, it was washed with water, filtered, and dried at 90 ° C. to obtain carbon particles carrying a precursor compound of cerium and platinum.

続いて、このカーボン粒子について、空気中において280℃で1時間の仮焼を行った後、窒素雰囲気中において600℃で加熱処理し、さらに再度、空気中において250℃で1時間の加熱処理を行い、金属酸化物担持カーボン粒子を得た。   Subsequently, the carbon particles were calcined at 280 ° C. for 1 hour in air, then heat-treated at 600 ° C. in a nitrogen atmosphere, and again heat-treated at 250 ° C. for 1 hour in air. And metal oxide-supported carbon particles were obtained.

このようにして得られたカーボン粒子について、粉末X線回折スペクトル測定を行った。その結果を図2に示す。図2から、本実施例のカーボン粒子について、酸化セリウム構造の明確な単一相のピークが現れていることが確認された。図2には、比較のために後述する比較例1で得られた酸化セリウム(CeO2)担持カーボン粒子のスペクトルも同時に示しているが、本実施例のスペクトルと比較例1のスペクトルがほぼ一致したことより、本実施例のカーボン粒子に酸化セリウム(CeO2)が担持していることが確認された。また、本実施例のカーボン粒子には白金元素が含まれているにもかかわらず、図2において棒グラフで示した酸化白金構造を表すピークは現れておらず、白金は何らかのアモルファス状態であることが確認された。この際、回折ピークの半値幅から求めた酸化セリウムの平均結晶子サイズは6.9nmであった。さらに、本実施例のカーボン粒子についてX線光電子分光(XPS)分析を行ったところ、図3に示すように、XPSスペクトルのPt−4f軌道のピークが約73eVに現れた。この結果から、Ptが2価の状態をとる酸化物であることを確認した。また、TEM観察を行った結果、約5〜8nmの粒子がカーボン粒子の表面に担持されている様子が確認された。以上より、本実施例のカーボン粒子は、カーボン粒子の表面に、アモルファス状の酸化白金と、酸化セリウム粒子とが担持し、さらにアモルファス状の酸化白金と酸化セリウム粒子とが複合体を形成していることが分かった。 The carbon particles thus obtained were subjected to powder X-ray diffraction spectrum measurement. The result is shown in FIG. From FIG. 2, it was confirmed that a clear single-phase peak having a cerium oxide structure appeared in the carbon particles of this example. FIG. 2 also shows the spectrum of the cerium oxide (CeO 2 ) -supported carbon particles obtained in Comparative Example 1 described later for comparison. The spectrum of this example and the spectrum of Comparative Example 1 almost coincide. From this, it was confirmed that cerium oxide (CeO 2 ) was supported on the carbon particles of this example. Moreover, although the platinum particles are contained in the carbon particles of this example, the peak representing the platinum oxide structure shown by the bar graph in FIG. 2 does not appear, and the platinum may be in an amorphous state. confirmed. At this time, the average crystallite size of cerium oxide obtained from the half width of the diffraction peak was 6.9 nm. Further, when X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis was performed on the carbon particles of this example, the peak of the Pt-4f orbit of the XPS spectrum appeared at about 73 eV as shown in FIG. From this result, it was confirmed that Pt is an oxide that takes a divalent state. As a result of TEM observation, it was confirmed that particles of about 5 to 8 nm were supported on the surface of the carbon particles. From the above, the carbon particles of this example are supported by amorphous platinum oxide and cerium oxide particles on the surface of the carbon particles, and further, the amorphous platinum oxide and cerium oxide particles form a composite. I found out.

最後に、本実施例のカーボン粒子について、蛍光X線分析により組成比を確認したところ、CeO2とPtOとの重量比が90対10であり、CeO2とPtOとの合計担持量が、カーボン粒子の全体の重量に対して、40重量%であることが分かった。 Finally, when the composition ratio of the carbon particles of this example was confirmed by fluorescent X-ray analysis, the weight ratio of CeO 2 and PtO was 90:10, and the total supported amount of CeO 2 and PtO was carbon It was found to be 40% by weight with respect to the total weight of the particles.

(実施例2)
<CeO2:PtO=70:30(重量比)・40重量%/カーボン>
実施例1の金属酸化物担持カーボン粒子の作製方法において、塩化セリウム七水和物2.01g及び塩化白金酸六水和物0.98gを水300mLに溶解し、セリウムイオンと白金イオンとを含む水溶液を調製した以外は、実施例1と同様にして金属酸化物担持カーボン粒子を得た。
(Example 2)
<CeO 2 : PtO = 70: 30 (weight ratio) · 40 wt% / carbon>
In the method for producing metal oxide-supported carbon particles of Example 1, 2.01 g of cerium chloride heptahydrate and 0.98 g of chloroplatinic acid hexahydrate are dissolved in 300 mL of water, and contain cerium ions and platinum ions. Metal oxide-supported carbon particles were obtained in the same manner as in Example 1 except that an aqueous solution was prepared.

このようにして得られたカーボン粒子について、実施例1と同様にして、粉末X線回折スペクトル測定を行ったところ、実施例1と同様に酸化セリウム構造の明確な単一相のピークが現れていることが確認され、且つ酸化白金構造を表すピークは現れておらず、白金は何らかのアモルファス状態であることが確認された。この際、回折ピークの半値幅から求めた酸化セリウムの平均結晶子サイズは10.6nmであった。さらに、XPS分析を行ったところ、実施例1と同様にPtが2価の状態をとる酸化物であることが確認された。また、TEM観察を行った結果、約10nmの粒子がカーボン粒子の表面に担持されている様子が確認された。以上より、本実施例のカーボン粒子は、カーボン粒子の表面に、アモルファス状の酸化白金と、酸化セリウム粒子とが担持し、さらにアモルファス状の酸化白金と酸化セリウム粒子とが複合体を形成していることが分かった。   The carbon particles thus obtained were subjected to powder X-ray diffraction spectrum measurement in the same manner as in Example 1. As a result, a clear single-phase peak having a cerium oxide structure appeared as in Example 1. It was confirmed that a peak representing a platinum oxide structure did not appear, and it was confirmed that platinum was in some amorphous state. At this time, the average crystallite size of cerium oxide obtained from the half width of the diffraction peak was 10.6 nm. Further, when XPS analysis was performed, it was confirmed that Pt was an oxide having a divalent state as in Example 1. As a result of TEM observation, it was confirmed that particles of about 10 nm were supported on the surface of the carbon particles. From the above, the carbon particles of this example are supported by amorphous platinum oxide and cerium oxide particles on the surface of the carbon particles, and further, the amorphous platinum oxide and cerium oxide particles form a composite. I found out.

最後に、本実施例のカーボン粒子について、蛍光X線分析により組成比を確認したところ、CeO2とPtOとの重量比が70対30であり、CeO2とPtOとの合計担持量が、カーボン粒子の全体の重量に対して、40重量%であることが分かった。 Finally, when the composition ratio of the carbon particles of this example was confirmed by fluorescent X-ray analysis, the weight ratio of CeO 2 and PtO was 70:30, and the total supported amount of CeO 2 and PtO was carbon. It was found to be 40% by weight with respect to the total weight of the particles.

(実施例3)
<(Ce,Zr)O2:PtO=90:10(重量比)・40重量%/カーボン>
実施例1の金属酸化物担持カーボン粒子の作製方法において、塩化セリウム七水和物2.13g、塩化酸化ジルコニウム八水和物0.56g及び塩化白金酸六水和物0.23gを水300mLに溶解し、セリウムイオン、ジルコニウムイオン及び白金イオンを含む水溶液を調製した以外は、実施例1と同様にして、金属酸化物担持カーボン粒子を得た。
(Example 3)
<(Ce, Zr) O 2 : PtO = 90: 10 (weight ratio) · 40 wt% / carbon>
In the method for producing metal oxide-supported carbon particles of Example 1, 2.13 g of cerium chloride heptahydrate, 0.56 g of chlorinated zirconium oxide octahydrate and 0.23 g of chloroplatinic acid hexahydrate were added to 300 mL of water. Metal oxide-supported carbon particles were obtained in the same manner as in Example 1 except that an aqueous solution containing cerium ions, zirconium ions and platinum ions was prepared by dissolution.

このようにして得られたカーボン粒子について、実施例1と同様にして、粉末X線回折スペクトル測定を行ったところ、セリウム−ジルコニウム酸化物固溶体構造の明確な単一相のピークが現れていることが確認され、セリウムとジルコニウムとは分離せずに固溶体を形成しており、且つ酸化白金構造を表すピークは現れておらず、白金は何らかのアモルファス状態であることが確認された。この際、回折ピークの半値幅から求めた酸化物粒子の平均結晶子サイズは12.1nmであった。さらに、XPS分析を行ったところ、実施例1と同様にPtが2価の状態をとる酸化物であることが確認された。また、TEM観察を行った結果、約10〜15nmの粒子がカーボン粒子の表面に担持されている様子が確認された。以上より、本実施例のカーボン粒子は、カーボン粒子の表面に、アモルファス状の酸化白金と、金属酸化物粒子とが担持し、さらにアモルファス状の酸化白金と金属酸化物粒子とが複合体を形成していることが分かった。   The carbon particles thus obtained were subjected to powder X-ray diffraction spectrum measurement in the same manner as in Example 1. As a result, a clear single-phase peak of a cerium-zirconium oxide solid solution structure appeared. It was confirmed that cerium and zirconium were not separated but formed a solid solution, and no peak representing a platinum oxide structure appeared, and it was confirmed that platinum was in some amorphous state. At this time, the average crystallite size of the oxide particles determined from the half width of the diffraction peak was 12.1 nm. Further, when XPS analysis was performed, it was confirmed that Pt was an oxide having a divalent state as in Example 1. As a result of TEM observation, it was confirmed that particles of about 10 to 15 nm were supported on the surface of the carbon particles. As described above, in the carbon particles of this example, amorphous platinum oxide and metal oxide particles are supported on the surface of the carbon particles, and further, amorphous platinum oxide and metal oxide particles form a composite. I found out that

最後に、本実施例のカーボン粒子について、蛍光X線分析により組成比を確認したところ、(Ce,Zr)O2とPtOとの重量比が90対10であり、(Ce,Zr)O2とPtOとの合計担持量が、カーボン粒子の全体の重量に対して、40重量%であることが分かった。 Finally, when the composition ratio of the carbon particles of this example was confirmed by X-ray fluorescence analysis, the weight ratio of (Ce, Zr) O 2 and PtO was 90:10, and (Ce, Zr) O 2. It was found that the total supported amount of PtO and PtO was 40% by weight with respect to the total weight of the carbon particles.

(実施例4)
<(Ce,Zr,La)O2:PtO=90:10(重量比)・40重量%/カーボン>
実施例1の金属酸化物担持カーボン粒子の作製方法において、塩化セリウム七水和物1.92g、塩化酸化ジルコニウム八水和物0.51g、塩化ランタン七水和物0.25g及び塩化白金酸六水和物0.32gを水300mLに溶解し、セリウムイオン、ジルコニウムイオン、ランタンイオン及び白金イオンを含む水溶液を調製した以外は、実施例1と同様にして、金属酸化物担持カーボン粒子を得た。
Example 4
<(Ce, Zr, La) O 2 : PtO = 90: 10 (weight ratio) · 40 wt% / carbon>
In the method for producing metal oxide-supporting carbon particles of Example 1, 1.92 g of cerium chloride heptahydrate, 0.51 g of chlorinated zirconium oxide octahydrate, 0.25 g of lanthanum chloride heptahydrate and hexachlorochloroplatinate A metal oxide-supported carbon particle was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.32 g of hydrate was dissolved in 300 mL of water to prepare an aqueous solution containing cerium ion, zirconium ion, lanthanum ion and platinum ion. .

このようにして得られたカーボン粒子について、実施例1と同様にして、粉末X線回折スペクトル測定を行ったところ、実施例3と同様にセリウム−ジルコニウム酸化物固溶体構造の明確な単一相のピークが現れていることが確認され、また、実施例3のピーク位置に比べて、ランタンを置換したことによるピーク位置のずれが見られた。このことから、セリウム、ジルコニウム及びランタンは分離せずに固溶体を形成していることが分かった。さらに、酸化白金構造を表すピークは現れておらず、白金は何らかのアモルファス状態であることが確認された。この際、回折ピークの半値幅から求めた酸化物粒子の平均結晶子サイズは5.1nmであった。さらに、XPS分析を行ったところ、実施例1と同様にPtが2価の状態をとる酸化物であることが確認された。また、TEM観察を行った結果、約5nmの粒子がカーボン粒子の表面に担持されている様子が確認された。以上より、本実施例のカーボン粒子は、カーボン粒子の表面に、アモルファス状の酸化白金と、金属酸化物粒子とが担持し、さらにアモルファス状の酸化白金と金属酸化物粒子とが複合体を形成していることが分かった。   The carbon particles thus obtained were subjected to powder X-ray diffraction spectrum measurement in the same manner as in Example 1. As in Example 3, a single phase with a clear cerium-zirconium oxide solid solution structure was obtained. It was confirmed that a peak appeared, and a shift in peak position due to substitution of lanthanum was observed compared to the peak position in Example 3. From this, it was found that cerium, zirconium and lanthanum were not separated but formed a solid solution. Furthermore, no peak representing the platinum oxide structure appeared, and it was confirmed that platinum was in some amorphous state. At this time, the average crystallite size of the oxide particles determined from the half width of the diffraction peak was 5.1 nm. Further, when XPS analysis was performed, it was confirmed that Pt was an oxide having a divalent state as in Example 1. As a result of TEM observation, it was confirmed that particles of about 5 nm were supported on the surface of the carbon particles. As described above, in the carbon particles of this example, amorphous platinum oxide and metal oxide particles are supported on the surface of the carbon particles, and further, amorphous platinum oxide and metal oxide particles form a composite. I found out that

最後に、本実施例のカーボン粒子について、蛍光X線分析により組成比を確認したところ、(Ce,Zr,La)O2とPtOとの重量比が90対10であり、(Ce,Zr,La)O2とPtOとの合計担持量が、カーボン粒子の全体の重量に対して、40重量%であることが分かった。 Finally, when the composition ratio of the carbon particles of this example was confirmed by fluorescent X-ray analysis, the weight ratio of (Ce, Zr, La) O 2 and PtO was 90:10, and (Ce, Zr, La) The total supported amount of O 2 and PtO was found to be 40% by weight with respect to the total weight of the carbon particles.

(実施例5)
<(Ce,Zr,Ho)O2:PtO=90:10(重量比)・40重量%/カーボン>
実施例1の金属酸化物担持カーボン粒子の作製方法において、塩化セリウム七水和物1.92g、塩化酸化ジルコニウム八水和物0.51g、塩化ホルミウム六水和物0.22g及び塩化白金酸六水和物0.32gを水300mLに溶解し、セリウムイオン、ジルコニウムイオン、ホルミウムイオン及び白金イオンを含む水溶液を調製した以外は、実施例1と同様にして、金属酸化物担持カーボン粒子を得た。
(Example 5)
<(Ce, Zr, Ho) O 2 : PtO = 90: 10 (weight ratio) · 40 wt% / carbon>
In the method for producing metal oxide-supported carbon particles of Example 1, 1.92 g of cerium chloride heptahydrate, 0.51 g of zirconium chloride octahydrate, 0.22 g of holmium chloride hexahydrate and hexachlorochloroplatinate A metal oxide-supported carbon particle was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.32 g of hydrate was dissolved in 300 mL of water to prepare an aqueous solution containing cerium ion, zirconium ion, holmium ion and platinum ion. .

このようにして得られたカーボン粒子について、実施例1と同様にして、粉末X線回折スペクトル測定を行ったところ、実施例3と同様にセリウム−ジルコニウム酸化物固溶体構造の明確な単一相のピークが現れていることが確認され、また、実施例3のピーク位置に比べて、ホルミウムを置換したことによるピーク位置のずれが見られた。このことから、セリウム、ジルコニウム及びホルミウムは分離せずに固溶体を形成していることが分かった。さらに、酸化白金構造を表すピークは現れておらず、白金は何らかのアモルファス状態であることが確認された。この際、回折ピークの半値幅から求めた酸化物粒子の平均結晶子サイズは7.2nmであった。さらに、XPS分析を行ったところ、実施例1と同様にPtが2価の状態をとる酸化物であることが確認された。また、TEM観察を行った結果、約5〜10nmの粒子がカーボン粒子の表面に担持されている様子が確認された。以上より、本実施例のカーボン粒子は、カーボン粒子の表面に、アモルファス状の酸化白金と、金属酸化物粒子とが担持し、さらにアモルファス状の酸化白金と金属酸化物粒子とが複合体を形成していることが分かった。   The carbon particles thus obtained were subjected to powder X-ray diffraction spectrum measurement in the same manner as in Example 1. As in Example 3, a single phase with a clear cerium-zirconium oxide solid solution structure was obtained. It was confirmed that a peak appeared, and a shift in peak position due to substitution of holmium was observed as compared with the peak position in Example 3. From this, it was found that cerium, zirconium and holmium formed a solid solution without being separated. Furthermore, no peak representing the platinum oxide structure appeared, and it was confirmed that platinum was in some amorphous state. At this time, the average crystallite size of the oxide particles determined from the half width of the diffraction peak was 7.2 nm. Further, when XPS analysis was performed, it was confirmed that Pt was an oxide having a divalent state as in Example 1. As a result of TEM observation, it was confirmed that particles of about 5 to 10 nm were supported on the surface of the carbon particles. As described above, in the carbon particles of this example, amorphous platinum oxide and metal oxide particles are supported on the surface of the carbon particles, and further, amorphous platinum oxide and metal oxide particles form a composite. I found out that

最後に、本実施例のカーボン粒子について、蛍光X線分析により組成比を確認したところ、(Ce,Zr,Ho)O2とPtOとの重量比が90対10であり、(Ce,Zr,Ho)O2とPtOとの合計担持量が、カーボン粒子の全体の重量に対して、40重量%であることが分かった。 Finally, when the composition ratio of the carbon particles of this example was confirmed by fluorescent X-ray analysis, the weight ratio of (Ce, Zr, Ho) O 2 and PtO was 90:10, and (Ce, Zr, It was found that the total supported amount of Ho) O 2 and PtO was 40% by weight with respect to the total weight of the carbon particles.

(比較例1)
<CeO2・30重量%/カーボン>
実施例1の金属酸化物担持カーボン粒子の作製方法において、塩化白金酸六水和物を用いずに、塩化セリウム七水和物1.85gのみを水300mLに溶解し、セリウムイオンを含む水溶液を調製した以外は、実施例1と同様にして、金属酸化物担持カーボン粒子を得た。
(Comparative Example 1)
<CeO 2 · 30% by weight / carbon>
In the method for producing metal oxide-supported carbon particles of Example 1, only 1.85 g of cerium chloride heptahydrate was dissolved in 300 mL of water without using chloroplatinic acid hexahydrate, and an aqueous solution containing cerium ions was prepared. Except for the preparation, metal oxide-supporting carbon particles were obtained in the same manner as in Example 1.

このようにして得られたカーボン粒子について、実施例1と同様にして、粉末X線回折スペクトル測定を行った。その結果を図2に示す。図2から、本比較例のカーボン粒子について、酸化セリウム構造の明確な単一相のピークが現れていることが確認された。この際、回折ピークの半値幅から求めた酸化セリウムの平均結晶子サイズは7.3nmであった。また、TEM観察を行った結果、約7〜8nmの粒子がカーボン粒子の表面に担持されている様子が確認された。   The carbon particles thus obtained were subjected to powder X-ray diffraction spectrum measurement in the same manner as in Example 1. The result is shown in FIG. From FIG. 2, it was confirmed that a clear single-phase peak having a cerium oxide structure appeared in the carbon particles of this comparative example. At this time, the average crystallite size of cerium oxide obtained from the half width of the diffraction peak was 7.3 nm. As a result of TEM observation, it was confirmed that particles of about 7 to 8 nm were supported on the surface of the carbon particles.

最後に、本比較例のカーボン粒子について、蛍光X線分析により組成比を確認したところ、酸化セリウムの担持量が、カーボン粒子の全体の重量に対して、30重量%であることが分かった。   Finally, when the composition ratio of the carbon particles of this comparative example was confirmed by fluorescent X-ray analysis, it was found that the amount of cerium oxide supported was 30% by weight with respect to the total weight of the carbon particles.

(比較例2)
<PtO・10重量%/カーボン>
実施例1の金属酸化物担持カーボン粒子の作製方法において、塩化セリウム七水和物を用いずに、塩化白金酸六水和物0.55gのみを水300mLに溶解し、白金イオンを含む水溶液を調製し、その水溶液中に表面処理を施さずに“バルカンXC−72”2gを加えて分散させた以外は、実施例1と同様にして前駆体である白金の化合物を担持したカーボン粒子を得た。次に、このカーボン粒子について、空気中において270℃で1時間の加熱処理を行い、金属酸化物担持カーボン粒子を得た。
(Comparative Example 2)
<PtO · 10wt% / carbon>
In the method for producing metal oxide-supported carbon particles of Example 1, only 0.55 g of chloroplatinic acid hexahydrate was dissolved in 300 mL of water without using cerium chloride heptahydrate, and an aqueous solution containing platinum ions was prepared. A carbon particle carrying a platinum compound as a precursor was obtained in the same manner as in Example 1 except that 2 g of “Vulcan XC-72” was added and dispersed in the aqueous solution without subjecting to surface treatment. It was. Next, the carbon particles were heat-treated at 270 ° C. for 1 hour in the air to obtain metal oxide-supported carbon particles.

このようにして得られたカーボン粒子について、実施例1と同様にして、粉末X線回折スペクトル測定を行ったところ、酸化白金構造のブロードな単一相のピークが現れていることが確認された。この際、回折ピークの半値幅から求めた酸化白金の平均結晶子サイズは3.6nmであった。また、TEM観察を行った結果、約3nmの粒子がカーボン粒子の表面に担持されている様子が確認された。   The carbon particles thus obtained were subjected to powder X-ray diffraction spectrum measurement in the same manner as in Example 1. As a result, it was confirmed that a broad single-phase peak having a platinum oxide structure appeared. . At this time, the average crystallite size of platinum oxide determined from the half width of the diffraction peak was 3.6 nm. As a result of TEM observation, it was confirmed that particles of about 3 nm were carried on the surface of the carbon particles.

最後に、本比較例のカーボン粒子について、蛍光X線分析により組成比を確認したところ、酸化白金の担持量が、カーボン粒子の全体の重量に対して、10重量%であることが分かった。   Finally, when the composition ratio of the carbon particles of this comparative example was confirmed by fluorescent X-ray analysis, it was found that the supported amount of platinum oxide was 10% by weight with respect to the total weight of the carbon particles.

(比較例3)
<CeO2:Pt=90:10(重量比)・40重量%/カーボン>
実施例1の金属酸化物担持カーボン粒子の作製方法において、塩化白金酸六水和物を用いずに、塩化セリウム七水和物2.57gのみを水300mLに溶解し、セリウムイオンを含む水溶液を調製し、その水溶液中に予めカーボン粒子に白金粒子を担持した白金担持カーボン粒子(白金担持量6.2重量%、白金粒子の平均粒子径5nm)2.13gを加えて分散させた以外は、実施例1と同様にして前駆体であるセリウムの化合物を担持した白金担持カーボン粒子を得た。次に、このカーボン粒子について、窒素雰囲気において550℃で1時間の加熱処理を行い、金属酸化物担持カーボン粒子を得た。
(Comparative Example 3)
<CeO 2 : Pt = 90: 10 (weight ratio) · 40 wt% / carbon>
In the method for producing metal oxide-supported carbon particles of Example 1, 2.57 g of cerium chloride heptahydrate was dissolved in 300 mL of water without using chloroplatinic acid hexahydrate, and an aqueous solution containing cerium ions was prepared. Except that 2.13 g of platinum-supported carbon particles (platinum supported amount 6.2 wt%, average particle diameter of platinum particles 5 nm) in which platinum particles were previously supported on carbon particles was added and dispersed in the aqueous solution. In the same manner as in Example 1, platinum-carrying carbon particles carrying a precursor cerium compound were obtained. Next, this carbon particle was heat-treated at 550 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain metal oxide-supported carbon particles.

このようにして得られたカーボン粒子について、実施例1と同様にして、粉末X線回折スペクトル測定を行ったところ、酸化セリウム構造のピークと、金属白金のピークとが現れていることが確認された。この際、回折ピークの半値幅から求めた酸化セリウムと金属白金の平均結晶子サイズは、それぞれ11.8nmと5.6nmであった。また、TEM観察を行った結果、約10nmの酸化セリウム粒子と、約5nmの金属白金粒子とがカーボン粒子の表面に担持されている様子が確認された。   The carbon particles thus obtained were subjected to powder X-ray diffraction spectrum measurement in the same manner as in Example 1. As a result, it was confirmed that the peak of the cerium oxide structure and the peak of platinum metal appeared. It was. At this time, the average crystallite sizes of cerium oxide and metal platinum obtained from the half width of the diffraction peak were 11.8 nm and 5.6 nm, respectively. As a result of TEM observation, it was confirmed that about 10 nm of cerium oxide particles and about 5 nm of platinum metal particles were supported on the surface of the carbon particles.

最後に、本比較例のカーボン粒子について、蛍光X線分析により組成比を確認したところ、CeO2とPtとの重量比が90対10であり、CeO2とPtとの合計担持量が、カーボン粒子の全体の重量に対して、40重量%であることが分かった。 Finally, when the composition ratio of the carbon particles of this comparative example was confirmed by fluorescent X-ray analysis, the weight ratio of CeO 2 and Pt was 90:10, and the total supported amount of CeO 2 and Pt was carbon It was found to be 40% by weight with respect to the total weight of the particles.

次に、実施例1〜5及び比較例1〜3で得られた金属酸化物担持カーボン粒子の触媒特性を評価するため、燃料電池用の膜電極接合体(MEA)を作製し、それを用いて燃料電池としての出力特性を調べた。膜電極接合体を構成する電極に上記のような金属酸化物担持カーボン粒子を使用する場合、空気極と燃料極とでは、最大の効果が得られる金属酸化物担持カーボン粒子の酸化物組成(カーボン粒子に担持されている金属酸化物の組成)が異なる。そこで、一律に評価を行うために、燃料極に金属酸化物担持カーボン粒子を用いた電極膜を用い、空気極には以下に示す標準電極膜を用いた。   Next, in order to evaluate the catalytic properties of the metal oxide-supported carbon particles obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3, membrane electrode assemblies (MEA) for fuel cells were prepared and used. The output characteristics of the fuel cell were investigated. When the metal oxide-supported carbon particles as described above are used for the electrodes constituting the membrane electrode assembly, the oxide composition of the metal oxide-supported carbon particles (carbon The composition of the metal oxide supported on the particles is different. Therefore, in order to perform uniform evaluation, an electrode film using metal oxide-supported carbon particles was used for the fuel electrode, and a standard electrode film shown below was used for the air electrode.

<金属酸化物担持カーボン粒子電極膜の作製>
実施例1〜5及び比較例1〜3の金属酸化物担持カーボン粒子1重量部を、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂の5重量%溶液であるアルドリッチ(Aldrich)社製の“ナフィオン(Nafion)”(商品名、EW=1000)9.72重量部及びポリパーフルオロスルホン酸樹脂の20重量%溶液であるデュポン(DuPont)社製の“ナフィオン(Nafion)”(商品名)2.52重量部及び水1重量部に添加し、均一に分散するよう混合液を充分に攪拌して触媒塗料を調製した。次に、PTFEフィルム上にこの触媒塗料を、白金担持量が0.03mg/cm2となるように塗布して乾燥した後、剥がし取って金属酸化物担持カーボン粒子電極膜を得た。
<Production of metal oxide-supported carbon particle electrode film>
1 part by weight of the metal oxide-supported carbon particles of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 is “Nafion” (manufactured by Aldrich) which is a 5% by weight solution of polyperfluorosulfonic acid resin. Product name, EW = 1000) 9.72 parts by weight and polyperfluorosulfonic acid resin 20% by weight “Nafion” (trade name) 2.52 parts by weight from DuPont and water The mixture was added to 1 part by weight, and the mixture was stirred well so as to be uniformly dispersed to prepare a catalyst paint. Next, this catalyst coating was applied onto a PTFE film so that the platinum loading was 0.03 mg / cm 2 and dried, and then peeled off to obtain a metal oxide-supporting carbon particle electrode film.

<標準電極膜の作製>
白金を50重量%担持させた田中貴金属工業社製の白金担持カーボン“10E50E”(商品名)を用いて、上記と同様にして触媒塗料を調製した後、PTFEフィルム上に、白金担持量が0.5mg/cm2となるように塗布して乾燥した後、剥し取って標準電極膜を得た。
<Preparation of standard electrode film>
A catalyst coating material was prepared in the same manner as described above using a platinum-supporting carbon “10E50E” (trade name) manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. supporting 50% by weight of platinum. After coating and drying so as to be 5 mg / cm 2 , it was peeled off to obtain a standard electrode film.

<膜電極接合体の作製>
固体高分子電解質膜としては、デュポン社製のポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜“Nafion 112”(商品名)を所定のサイズに切り出して用いた。この固体高分子電解質膜の両面に、先に作製した金属酸化物担持カーボン粒子電極膜と標準電極膜とを重ね合わせ、温度160℃、圧力4.4MPaの条件でホットプレスを行い、これらを接合した。次に、あらかじめ撥水処理を施した東レ社製のカーボン不織布“TGP−H−120”(商品名)を、電極膜を形成した固体高分子電解質膜の両面にホットプレスで接合し、膜電極接合体を作製した。
<Preparation of membrane electrode assembly>
As the solid polymer electrolyte membrane, a polyperfluorosulfonic acid resin membrane “Nafion 112” (trade name) manufactured by DuPont was cut into a predetermined size and used. The metal oxide-supported carbon particle electrode film prepared above and the standard electrode film are superposed on both surfaces of this solid polymer electrolyte membrane, and hot pressing is performed at a temperature of 160 ° C. and a pressure of 4.4 MPa, and these are joined. did. Next, a carbon non-woven fabric “TGP-H-120” (trade name) manufactured by Toray Industries, Inc., which has been subjected to water repellent treatment in advance, is bonded to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane on which the electrode membrane is formed by hot pressing, and a membrane electrode A joined body was produced.

<出力特性の評価>
以上のようにして得られた膜電極接合体を用いて、燃料電池の出力特性として、最大出力密度(mW/cm2)を測定した。測定の際には、膜電極接合体を含む測定系を60℃に保持し、燃料極側に60℃の加湿・加温した水素ガスを供給し、空気極側に60℃の加湿・加温した空気を供給して測定を行った。その結果を表1に示す。また、表1では、金属酸化物粒子の組成と粒子径(担持粒子径)も示した。
<Evaluation of output characteristics>
Using the membrane electrode assembly obtained as described above, the maximum output density (mW / cm 2 ) was measured as the output characteristics of the fuel cell. In the measurement, the measurement system including the membrane electrode assembly is held at 60 ° C., 60 ° C. humidified / heated hydrogen gas is supplied to the fuel electrode side, and 60 ° C. humidified / heated is supplied to the air electrode side. The measurement was performed with the supplied air supplied. The results are shown in Table 1. Table 1 also shows the composition and particle size (supported particle size) of the metal oxide particles.

Figure 2008123860
Figure 2008123860

表1から明らかなように、実施例1〜5の金属酸化物担持カーボン粒子を用いた燃料電池は、酸化白金を担持させたカーボン粒子を用いたにもかかわらず、最大出力密度の低下が認められないことが分かる。これは、実施例1〜5の金属酸化物担持カーボン粒子では、酸化白金がアモルファス状であり、且つ少なくともセリウムを含む金属酸化物粒子と複合体を形成しているため、触媒能が十分に発揮されたものと思われる。   As is clear from Table 1, the fuel cells using the metal oxide-supported carbon particles of Examples 1 to 5 showed a decrease in the maximum output density despite using the carbon particles supporting platinum oxide. I can't understand. This is because, in the metal oxide-supported carbon particles of Examples 1 to 5, platinum oxide is amorphous and forms a complex with metal oxide particles containing at least cerium, so that the catalytic ability is sufficiently exerted. It seems that it was done.

一方、酸化白金を担持せずに酸化セリウム粒子のみを担持させた比較例1では、電極としての特性がほとんど現れず、酸化セリウム粒子のみでは触媒能を持たないことが分かる。また、酸化白金粒子のみを担持させた比較例2でも、電極としての特性は使用に耐えるものではなく、従来考えられている通りに、単なる酸化白金粒子の状態では触媒能をほとんど持たないことが分かる。   On the other hand, in Comparative Example 1 in which only cerium oxide particles are supported without supporting platinum oxide, the characteristics as an electrode hardly appear, and it can be seen that only cerium oxide particles have no catalytic ability. Further, even in Comparative Example 2 in which only platinum oxide particles are supported, the characteristics as an electrode do not endure the use, and as conventionally considered, there is almost no catalytic ability in the state of mere platinum oxide particles. I understand.

<耐酸化性の評価>
金属酸化物担持カーボン粒子の空気中での酸化に対する耐性を評価するために、代表的な組成を有するものとして、実施例5及び比較例3の金属酸化物担持カーボン粒子を用いて、これらの空気中での物性変化を測定した。測定に際しては、それぞれのカーボン粒子について、前もって空気中において150℃で48時間の酸化処理を行った。
<Evaluation of oxidation resistance>
In order to evaluate the resistance of metal oxide-carrying carbon particles to oxidation in air, the metal oxide-carrying carbon particles of Example 5 and Comparative Example 3 were used as those having typical compositions, and these airs. Changes in physical properties were measured. In the measurement, each carbon particle was previously oxidized in air at 150 ° C. for 48 hours.

上記酸化処理後の各金属酸化物担持カーボン粒子について、粉末X線回折スペクトル測定を行って、結晶構造を調べたところ、実施例5の金属酸化物担持カーボン粒子では酸化セリウム構造が現れ、処理前と比較して変化がなかった。一方、比較例3の金属酸化物担持カーボン粒子では、処理前は「酸化セリウム構造+金属白金構造」の2相であったが、酸化処理後には「酸化セリウム構造+金属白金構造+酸化白金(PtO)」の3相が観測された。   About each metal oxide carrying | support carbon particle after the said oxidation process, when powder X-ray-diffraction spectrum measurement was performed and the crystal structure was investigated, the cerium oxide structure appeared in the metal oxide carrying | support carbon particle of Example 5, and before a process There was no change compared with. On the other hand, the metal oxide-supported carbon particles of Comparative Example 3 had two phases of “cerium oxide structure + metal platinum structure” before the treatment, but after the oxidation treatment, “cerium oxide structure + metal platinum structure + platinum oxide ( Three phases of “PtO)” were observed.

さらに、それぞれの粒子についてTEM観察を行ったところ、実施例5の金属酸化物担持カーボン粒子では約7〜8nmの粒子がカーボン粒子上に担持されている様子が観測され、処理前と比較して粒子径にほぼ変化はなかった。一方、比較例3の金属酸化物担持カーボン粒子では、約10nmの酸化物粒子及び約8〜9nmの白金粒子がカーボン粒子上に担持されている様子が観測され、処理前の約5nmの白金粒子と比較して、粒子径が増大したことが認められた。   Furthermore, when TEM observation was performed for each particle, it was observed that about 7 to 8 nm of particles were supported on the carbon particles in the metal oxide-supported carbon particles of Example 5, compared with before the treatment. There was almost no change in the particle size. On the other hand, in the metal oxide-supported carbon particles of Comparative Example 3, it was observed that about 10 nm oxide particles and about 8-9 nm platinum particles were supported on the carbon particles, and about 5 nm platinum particles before treatment. It was observed that the particle size was increased compared to.

次に、酸化処理後の各金属酸化物担持カーボン粒子を用いて、前述と同様にして膜電極接合体を作製し、出力特性の評価を行った。その結果、実施例5の金属酸化物担持カーボン粒子を用いた場合では、その最大出力密度が179mW/cm2であり、比較例3では91mW/cm2であった。以上の耐酸化性評価及び出力特性評価の結果を表2に示す。 Next, using each metal oxide-supported carbon particle after the oxidation treatment, a membrane / electrode assembly was prepared in the same manner as described above, and the output characteristics were evaluated. As a result, when the metal oxide-supported carbon particles of Example 5 were used, the maximum output density was 179 mW / cm 2 , and in Comparative Example 3, it was 91 mW / cm 2 . Table 2 shows the results of the above oxidation resistance evaluation and output characteristic evaluation.

Figure 2008123860
Figure 2008123860

表2から明らかなように、空気中での酸化を経た後には、実施例5の金属酸化物担持カーボン粒子では結晶構造、担持粒子径ともにほぼ変化がないのに対して、比較例3の金属酸化物担持カーボン粒子では、結晶構造が「金属白金」から「金属白金+酸化白金」へと変化し、担持粒子径も増大していることが分かる。このため、実施例5の金属酸化物担持カーボン粒子を用いた燃料電池では出力の低下が少ないのに対して、比較例3の金属酸化物担持カーボン粒子を用いた燃料電池では出力特性が著しく低下したものと思われる。   As is apparent from Table 2, after the oxidation in the air, the metal oxide-supported carbon particles of Example 5 have almost no change in the crystal structure and the supported particle diameter, whereas the metal of Comparative Example 3 It can be seen that in the oxide-supported carbon particles, the crystal structure changes from “metal platinum” to “metal platinum + platinum oxide”, and the supported particle diameter increases. For this reason, the output of the fuel cell using the metal oxide-supported carbon particles of Example 5 is less decreased, whereas the output of the fuel cell using the metal oxide-supported carbon particles of Comparative Example 3 is significantly reduced. It seems to have done.

以上のように、白金元素をアモルファス状態の酸化白金とし、且つ酸化セリウム構造を持つ金属酸化物粒子と共にカーボン上に担持させた本発明の金属酸化物担持カーボンは、固体高分子型燃料電池の電極用触媒として有用であることが分かる。また、アモルファス状の酸化白金は、それ以上の酸化による劣化が起こり得ず、白金−白金間の金属結合が存在しないために凝着による粒子の粗大化による劣化も起こり得ないという点で、本発明の金属酸化物担持カーボンは、触媒の劣化を防ぎ、耐久性を高めることができ、触媒使用量を減らすことができる。   As described above, the metal oxide-supported carbon of the present invention in which platinum element is platinum oxide in an amorphous state and is supported on carbon together with metal oxide particles having a cerium oxide structure is an electrode of a solid polymer fuel cell. It can be seen that the catalyst is useful as a catalyst. In addition, amorphous platinum oxide cannot be deteriorated due to further oxidation, and since there is no metal bond between platinum and platinum, deterioration due to coarsening of particles due to adhesion cannot occur. The metal oxide-supported carbon of the invention can prevent deterioration of the catalyst, increase durability, and reduce the amount of catalyst used.

以上のように本発明の金属酸化物担持カーボンは、電極用触媒として優れた触媒能を発揮でき、それを用いた高出力の燃料電池用電極を提供することができる。   As described above, the metal oxide-supported carbon of the present invention can exhibit excellent catalytic ability as an electrode catalyst, and can provide a high-power fuel cell electrode using the same.

本発明の燃料電池用電極である膜電極接合体の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the membrane electrode assembly which is an electrode for fuel cells of this invention. 実施例1の金属酸化物担持カーボン粒子及び比較例1の金属酸化物担持カーボン粒子の粉末X線回折スペクトルを示す図である。FIG. 3 is a graph showing powder X-ray diffraction spectra of the metal oxide-carrying carbon particles of Example 1 and the metal oxide-carrying carbon particles of Comparative Example 1. 実施例1の金属酸化物担持カーボン粒子中のPt−4f軌道のXPS測定結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing XPS measurement results of Pt-4f orbits in the metal oxide-supported carbon particles of Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子電解質膜
2 空気極
3 燃料極
4 空気極用ガス拡散層
5 燃料極用ガス拡散層
10 膜電極接合体(MEA)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte membrane 2 Air electrode 3 Fuel electrode 4 Gas diffusion layer for air electrodes 5 Gas diffusion layer for fuel electrodes 10 Membrane electrode assembly (MEA)

Claims (8)

カーボン粒子と、前記カーボン粒子に担持されたアモルファス状の酸化白金と、前記カーボン粒子に担持されたセリウムを含む金属酸化物粒子とを含むことを特徴とする金属酸化物担持カーボン。   A metal oxide-supported carbon comprising carbon particles, amorphous platinum oxide supported on the carbon particles, and metal oxide particles containing cerium supported on the carbon particles. 前記アモルファス状の酸化白金と、前記金属酸化物粒子とは、複合体を形成している請求項1に記載の金属酸化物担持カーボン。   The metal oxide-supported carbon according to claim 1, wherein the amorphous platinum oxide and the metal oxide particles form a composite. 前記金属酸化物粒子は、ジルコニウム、鉄、スズ、サマリウム、ハフニウム、ガドリニウム、イットリウム、イッテルビウム、ランタン、ホルミウム及びエルビウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素をさらに含む請求項1又は2に記載の金属酸化物担持カーボン。   3. The metal according to claim 1, wherein the metal oxide particles further include at least one element selected from the group consisting of zirconium, iron, tin, samarium, hafnium, gadolinium, yttrium, ytterbium, lanthanum, holmium, and erbium. Oxide-supported carbon. 前記金属酸化物粒子の粒子径が、1nm以上20nm以下であり、前記カーボン粒子の平均粒子径が、20nm以上70nm以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属酸化物担持カーボン。   The metal oxide-supported carbon according to any one of claims 1 to 3, wherein a particle diameter of the metal oxide particles is 1 nm or more and 20 nm or less, and an average particle diameter of the carbon particles is 20 nm or more and 70 nm or less. . 前記金属酸化物担持カーボンの平均粒子径が、20nm以上90nm以下である請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属酸化物担持カーボン。   The metal oxide-supporting carbon according to any one of claims 1 to 4, wherein an average particle size of the metal oxide-supporting carbon is 20 nm or more and 90 nm or less. 前記酸化白金の担持量が、前記酸化白金と前記金属酸化物粒子との合計重量に対して、5重量%以上50重量%以下である請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属酸化物担持カーボン。   The metal oxidation according to any one of claims 1 to 5, wherein the supported amount of the platinum oxide is 5 wt% or more and 50 wt% or less with respect to a total weight of the platinum oxide and the metal oxide particles. Material-supporting carbon. 前記酸化白金と前記金属酸化物粒子との合計担持量が、前記金属酸化物担持カーボンの全体の重量に対して、5重量%以上50重量%以下である請求項1〜6のいずれか1項に記載の金属酸化物担持カーボン。   The total supported amount of the platinum oxide and the metal oxide particles is 5% by weight or more and 50% by weight or less based on the total weight of the metal oxide supported carbon. The metal oxide-carrying carbon described in 1. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の金属酸化物担持カーボンを含むことを特徴とする燃料電池用電極。   A fuel cell electrode comprising the metal oxide-supporting carbon according to any one of claims 1 to 7.
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