JP2008153192A - Precious metal containing catalyst, method for manufacturing same, membrane/electrode assembly, fuel cell and fuel cell electric power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池、空気亜鉛電池、酸素センサーなどに適用される酸素還元触媒として好適な貴金属含有触媒、該貴金属含有触媒を用いた膜・電極構造体、燃料電池および燃料電池発電システムに関するものである。 The present invention relates to a noble metal-containing catalyst suitable as an oxygen reduction catalyst applied to a fuel cell, an air zinc battery, an oxygen sensor, and the like, a membrane / electrode structure using the noble metal-containing catalyst, a fuel cell, and a fuel cell power generation system. It is.
燃料電池などに適用される酸素還元触媒では、例えば、白金などの貴金属触媒をできるだけ細かく分散させ、これによって高い触媒活性を得るようにしたものがある。 As an oxygen reduction catalyst applied to a fuel cell or the like, for example, a noble metal catalyst such as platinum is dispersed as finely as possible to obtain high catalytic activity.
また、近年、触媒をコア−シェル構造などのように、比較的大きなコアの表面に触媒を例えばシェル状に付着させた構造とすることで、触媒活性を高める技術が提案されている。 In recent years, a technique has been proposed in which the catalyst activity is increased by making the catalyst have a structure in which the catalyst is attached to the surface of a relatively large core, for example, in a shell shape, such as a core-shell structure.
例えば特許文献1には、白金ブラックや白金と遷移金属との合金を、平均粒径が1〜5μmの微細粒子にし、これら微細粒子の集合体をまとめて表面層としてコア上に形成した構造の燃料電池用触媒が提案されている。特許文献1に添付の電子顕微鏡写真を見ると、触媒の大きさは100nmほどで、表面層の厚みは10nm程度である。特許文献1では、触媒機能を有する微細粒子を集合体として用いることで、触媒反応に必要な有効表面積を格段に広げ、これにより触媒活性を高めている。
For example,
また、特許文献2には、導電性基体に担持した触媒であって、貴金属合金からなるコア部と、その外周に形成された前記コア部と組成が異なる貴金属含有層からなるシェル部とのコア−シェル構造を有する燃料電池用触媒が開示されている。特許文献2では、前記構成の採用によって、触媒活性と触媒耐久性とを向上させ得るとしている。また、特許文献2では、所定組成のシェルと組み合わせた白金合金をコアとする36種類の触媒の発電性能を比較しており、合金コアの組成とシェルの組成との調整によって、種々の電圧特性が得られる旨示している。
更に、非特許文献1には、白金の単原子層をパラジウムなどにより被覆した触媒が示されている。非特許文献1では、前記の被覆を、アンダーポテンシャル析出を利用して行っている。
Furthermore, Non-Patent
しかしながら、前記の通り、特許文献1に開示の触媒は、その粒径が100nm程度と大きく、触媒特性を十分に引き出し得るものではない。そして、特許文献1に開示の技術では、その表面層の形成が煩雑であることから、特許文献1に開示されているよりも微細な触媒を製造することは困難である。
However, as described above, the catalyst disclosed in
また、前記のように、酸素還元触媒においては触媒金属として白金などの貴金属元素を使用することが通常であるが、こうした貴金属元素は高価であることから、酸素還元触媒のコストダウンを図り、その生産性を向上させるには、触媒を構成する際の貴金属元素の使用量を大幅に低減するか、または貴金属元素を使用しないことが好ましい。しかしながら、特許文献2や非特許文献1に開示の触媒は、貴金属元素やその合金を触媒の主成分とすることを前提とするものであり、貴金属元素の使用量を減らしたり、その使用を止めたりすることは実質的に不可能である。
In addition, as described above, in the oxygen reduction catalyst, it is usual to use a noble metal element such as platinum as a catalyst metal. However, since such noble metal element is expensive, the cost of the oxygen reduction catalyst is reduced. In order to improve the productivity, it is preferable to significantly reduce the amount of the noble metal element used in constituting the catalyst or not to use the noble metal element. However, the catalysts disclosed in
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、貴金属元素の使用量を可及的に低減しつつ、優れた触媒特性を有する貴金属含有触媒およびその製造方法、並びに前記貴金属含有触媒を用いた膜・電極接合体、燃料電池および燃料電池発電システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to reduce the amount of noble metal element used as much as possible, while having a noble metal-containing catalyst having excellent catalytic characteristics, a method for producing the same, and the noble metal-containing catalyst. An object of the present invention is to provide a membrane / electrode assembly, a fuel cell, and a fuel cell power generation system using a catalyst.
前記目的を達成し得た本発明の貴金属含有触媒は、触媒金属と前記触媒金属を担持する担体とから構成される貴金属含有触媒であって、前記触媒金属は、コア粒子と前記コア粒子の表面に存在する貴金属元素とから構成されており、かつ粒径が1〜30nmであり、前記コア粒子の有する元素における酸素吸着の前後での自由エネルギー変化量をEc、前記貴金属元素における酸素吸着の前後での自由エネルギー変化量をEsとしたとき、Ec>Esであることを特徴とするものである。 The noble metal-containing catalyst of the present invention that has achieved the above object is a noble metal-containing catalyst composed of a catalyst metal and a carrier supporting the catalyst metal, the catalyst metal comprising core particles and the surface of the core particles And the particle size is 1 to 30 nm, the free energy change amount before and after oxygen adsorption in the element of the core particle is Ec, and before and after oxygen adsorption in the noble metal element When the amount of change in free energy at Es is Es, Ec> Es.
また、本発明の製造方法は、本発明の貴金属含有触媒を製造するに当たり、担体に担持させたコア粒子の表面に、置換めっき法により貴金属元素を付着させることを特徴とする。 In addition, the production method of the present invention is characterized in that, in producing the noble metal-containing catalyst of the present invention, a noble metal element is adhered to the surface of the core particles supported on the support by a displacement plating method.
更に、本発明の貴金属含有触媒を用いた触媒電極を有する膜・電極構造体、前記膜・電極構造体を用いた燃料電池、および前記燃料電池を用いた燃料電池発電システムも、本発明に包含される。 Further, a membrane / electrode structure having a catalyst electrode using the noble metal-containing catalyst of the present invention, a fuel cell using the membrane / electrode structure, and a fuel cell power generation system using the fuel cell are also included in the present invention. Is done.
本発明によれば、貴金属元素の使用量を可及的に低減しつつ、優れた触媒特性を有する貴金属含有触媒およびその製造方法、並びに前記貴金属含有触媒を用いた膜・電極接合体、燃料電池および燃料電池発電システムを提供することができる。 According to the present invention, a noble metal-containing catalyst having excellent catalytic characteristics while reducing the amount of noble metal element used as much as possible, a method for producing the same, a membrane / electrode assembly using the noble metal-containing catalyst, and a fuel cell In addition, a fuel cell power generation system can be provided.
<貴金属含有触媒>
図1および図2に、本発明の貴金属含有触媒の模式図を示す。なお、図1および図2は、貴金属含有触媒の要部断面を示しているが、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。1は触媒金属であり、貴金属元素10がコア粒子20の表面に存在している。なお、図1では貴金属元素10が均一の厚みを有する層の状態でコア粒子20の表面に存在しているが、貴金属元素10で構成される層の厚みは均一でなくてもよく、また、触媒性能を確保できれば、図2に示すように、貴金属元素10が島状にコア粒子20の表面に存在していても構わない。さらに、コア粒子のうち、担体と接している箇所は被覆されていなくともよく、被覆されていてもよい。
<Precious metal-containing catalyst>
1 and 2 are schematic views of the noble metal-containing catalyst of the present invention. 1 and 2 show a cross section of the main part of the noble metal-containing catalyst, but some constituent elements are not hatched indicating that they are cross sections.
30は貴金属含有触媒を担持する担体であり、例えば、貴金属含有触媒を触媒電極(燃料電池用の電極など)に使用する場合などでは、担体30は、導電性を有するもの(カーボンブラックなどの炭素など)であることが好ましい。
なお、図1ではコア粒子20を半球状に、図2では半楕円体状に示しているが、これらコア粒子20の一部は担体30の孔内に入り込んでいる。コア粒子20の形状に特に制限は無く、略球状(球状を含む)や略楕円体状(楕円体状を含む)など、どのような形状であっても構わない。
Although the
本発明の貴金属含有触媒は、コア粒子の有する元素における酸素吸着の前後での自由エネルギー変化量をEc、前記貴金属元素における酸素吸着の前後での自由エネルギー変化量をEsとしたとき、Ec>Esである。 In the noble metal-containing catalyst of the present invention, when the amount of change in free energy before and after oxygen adsorption in the element of the core particle is Ec, and the amount of change in free energy before and after oxygen adsorption in the noble metal element is Es, Ec> Es It is.
図3に、水素イオンと酸素とから触媒反応によって水が生成する場合の、中間状態における自由エネルギーの変化を示す。図3に示すデータは、第一原理的計算機シミュレーションでの結果に基づくものである。図3中、□はニッケル触媒での結果を、●は白金触媒での結果を、○はニッケルで構成されたコア粒子の表面に白金が層状に存在している本発明の貴金属含有触媒での結果を、それぞれ示している。 FIG. 3 shows a change in free energy in an intermediate state when water is generated from hydrogen ions and oxygen by a catalytic reaction. The data shown in FIG. 3 is based on the results of the first principle computer simulation. In FIG. 3, □ is the result for the nickel catalyst, ● is the result for the platinum catalyst, ○ is the result for the noble metal-containing catalyst of the present invention in which platinum is present in layers on the surface of the core particles composed of nickel. The results are shown respectively.
図3を見ると、本発明の貴金属含有触媒では、ニッケル触媒および白金触媒の場合と比較して、各中間状態でのエネルギー差が小さくなっていることが分かる。図3には状態遷移のポテンシャル障壁自体は示していないが、前記のように各中間状態間のエネルギーが相互に接近していることから、各中間状態間の遷移が起こり易くなることを示唆している。 FIG. 3 shows that the energy difference in each intermediate state is smaller in the noble metal-containing catalyst of the present invention than in the case of the nickel catalyst and the platinum catalyst. Although the potential barrier itself is not shown in FIG. 3, the energy between the intermediate states is close to each other as described above, suggesting that the transition between the intermediate states is likely to occur. ing.
本発明の貴金属含有触媒において、前記のような各中間状態間でのエネルギーの変化が生じるのは、計算機シミュレーションによる分析によれば、酸素吸着の前後での自由エネルギーの変化量Ecが小さく、酸素吸着力の強い元素を有するコア粒子で触媒反応に関与する酸素を引き付ける一方で、コア粒子の表面に存在する酸素吸着の前後での自由エネルギーの変化量Esが大きな貴金属元素で、前記コア粒子による酸素の引き付け力を適度に抑制しているからであると考えられる。触媒反応に関与する酸素を引き付けることは触媒反応の開始に重要である一方で、酸素の引き付け力が強すぎないことは、触媒反応が最後まで滞りなく進行する上で重要である。すなわち、本発明の貴金属含有触媒では、コア粒子の有する元素と、その表面に存在する貴金属元素とを、Ec>Esの関係を満たし得るように組み合わせることで、コア粒子で酸素吸着させると共に、コア粒子の表面に存在する貴金属元素によって酸素吸着の程度を制御させ、良好な触媒特性を確保しており、しかも触媒特性の経時劣化も抑制できる。 In the noble metal-containing catalyst of the present invention, the energy change between the intermediate states as described above is caused by the small amount of change Ec in the free energy before and after oxygen adsorption, according to the analysis by computer simulation. A noble metal element having a large change amount Es of free energy before and after oxygen adsorption present on the surface of the core particle, while attracting oxygen involved in the catalytic reaction with the core particle having an element having a strong adsorptive force. This is probably because the oxygen attracting force is moderately suppressed. Attracting the oxygen involved in the catalytic reaction is important for the initiation of the catalytic reaction, while it is important that the oxygen attracting force is not too strong so that the catalytic reaction proceeds without delay. That is, in the noble metal-containing catalyst of the present invention, the core particles and the noble metal elements present on the surface thereof are combined so that the relationship of Ec> Es can be satisfied, so that the core particles can adsorb oxygen. The degree of oxygen adsorption is controlled by the noble metal element present on the surface of the particles to ensure good catalyst characteristics, and deterioration of the catalyst characteristics over time can be suppressed.
しかも、本発明の貴金属含有触媒では、触媒金属の主体をなすコア粒子には、前記自由エネルギーの変化量Ecが、貴金属元素に係る前記自由エネルギーの変化量Esよりも大きな元素を用い、貴金属元素をコア粒子の表面にだけ存在させるようにして、良好な触媒特性を確保しつつ、触媒中における貴金属元素の使用量を可及的に低減しており、これにより触媒のコストダウンを図り、その生産性向上を達成している。 In addition, in the noble metal-containing catalyst of the present invention, an element having a change amount Ec of the free energy larger than the change amount Es of the free energy related to the noble metal element is used for the core particle that is the main component of the catalyst metal. Is present only on the surface of the core particles, while ensuring good catalytic properties, the amount of noble metal elements used in the catalyst is reduced as much as possible, thereby reducing the cost of the catalyst. Productivity has been improved.
本発明の貴金属含有触媒に係るコア粒子の表面に存在している貴金属元素としては、白金、パラジウム、金、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、銀、オスミウムが挙げられる。 Examples of the noble metal element present on the surface of the core particle according to the noble metal-containing catalyst of the present invention include platinum, palladium, gold, rhodium, iridium, ruthenium, silver and osmium.
また、コア粒子の表面に存在している貴金属元素は、実質的に単一の元素のみであることが好ましい。前記構成を採用することで、本発明の貴金属含有触媒に係る触媒金属の表面部分の組成および構成を簡単なものにできるため、触媒製造における再現性や安定性が高くなる。なお、本明細書でいう「コア粒子の表面に存在している貴金属元素が、実質的に単一の元素のみである」とは、例えば、貴金属含有触媒の製造工程などにおいて、不可避的にコア粒子の表面に付着などしてしまった元素を除き、積極的にコア粒子の表面に存在させた元素が、単一の貴金属元素だけであることを意味している。 Further, it is preferable that the noble metal element present on the surface of the core particle is substantially only a single element. By adopting the above-described configuration, the composition and configuration of the surface portion of the catalyst metal according to the noble metal-containing catalyst of the present invention can be simplified, so that reproducibility and stability in catalyst production are enhanced. In the present specification, “the noble metal element present on the surface of the core particle is substantially only a single element” means that, for example, in the production process of the noble metal-containing catalyst, the core is unavoidable. This means that the element that is positively present on the surface of the core particle is only a single noble metal element, excluding the element that has adhered to the surface of the particle.
本発明の貴金属含有触媒に係るコア粒子の有する元素としては、貴金属元素以外の遷移金属元素が挙げられ、具体的には、コバルト、鉄、ニッケル、タングステンが好ましい。 As an element which the core particle which concerns on the noble metal containing catalyst of this invention has, transition metal elements other than a noble metal element are mentioned, Specifically, cobalt, iron, nickel, and tungsten are preferable.
また、コア粒子は、実質的に単一の遷移金属元素から構成されていることが好ましい。前記構成を採用することで、本発明の貴金属含有触媒に係る触媒金属のコア部分の組成および構成を簡単なものにできるため、触媒製造における再現性や安定性がより高くなる。なお、本明細書でいう「コア粒子が、実質的に単一の遷移金属元素のみから構成されている」とは、例えば、貴金属含有触媒の製造工程などにおいて、不可避的にコア粒子内に含有されてしまった元素を除き、積極的にコア粒子の構成に用いた元素が、単一の遷移金属元素だけであることを意味している。 The core particles are preferably substantially composed of a single transition metal element. By adopting the above-described configuration, the composition and configuration of the core portion of the catalyst metal according to the noble metal-containing catalyst of the present invention can be simplified, so that reproducibility and stability in catalyst production are further increased. As used herein, “the core particle is substantially composed of only a single transition metal element” means that, for example, in the production process of a noble metal-containing catalyst, it is unavoidably contained in the core particle. This means that the element that is positively used for the construction of the core particle is only a single transition metal element, except for the element that has been formed.
表1に、コア粒子の表面に存在させる貴金属元素およびコア粒子を構成する遷移金属元素の代表的なものについて、酸素吸着の前後での自由エネルギーの変化量Es、Ecを示している。 Table 1 shows change amounts Es and Ec of free energy before and after oxygen adsorption for typical noble metal elements present on the surface of the core particles and transition metal elements constituting the core particles.
表1に示すEs、Ecは、「The Journal of Physical Chemistry B、2004年、Vol.108、pp.17886−17892」の記載に従い、下記式(1)の反応の前後で生じる自由エネルギーであって、1.23Vの電位が存在している状態での自由エネルギーの変化量を求めた。ただし、Es、Ecの算出にあたっては、酸素を強く吸着する方がより大きな値となるように正負を定義したため、前記文献とは符号が逆になっている。 Es and Ec shown in Table 1 are free energies generated before and after the reaction of the following formula (1) according to the description of “The Journal of Physical Chemistry B, 2004, Vol. 108, pp. 17886-17892”. The amount of change in free energy in the presence of a potential of 1.23 V was obtained. However, in the calculation of Es and Ec, since the positive and negative are defined so that the value of strongly adsorbing oxygen becomes a larger value, the sign is opposite to that of the above document.
2(H++e−) + 1/2O2 → 2(H++e−) + O* (1) 2 (H + + e − ) + 1 / 2O 2 → 2 (H + + e − ) + O * (1)
なお、前記式(1)の「O*」は、各元素のみでfcc(111)面を構成した場合に、前記構成面に酸素原子が吸着した状態を意味しており、「*」は表面のサイトを示している。また、表1に示す各数値の算出に当たっては、Projector Augumented Wave Methodという計算手法を適用し、分かり易くするために数値を丸めて示している。前記文献に示されている結果とは計算手法が異なるために詳細な数値は異なっているが、大きさとしてはほぼ同じ結果が得られている。 In addition, “O * ” in the formula (1) means a state in which oxygen atoms are adsorbed on the constituent surface when the fcc (111) surface is configured only by each element, and “ * ” indicates the surface. Shows the site. In the calculation of each numerical value shown in Table 1, a calculation method called “Projector Augmented Wave Method” is applied, and the numerical value is rounded for easy understanding. Since the calculation method is different from the results shown in the above document, the detailed numerical values are different, but the results are almost the same as the size.
コア粒子の有する遷移金属元素とコア粒子の表面に存在する貴金属元素との組み合わせとしては、遷移金属元素:コバルト、ニッケルまたはタングステンと、貴金属元素:白金、パラジウム、金、ロジウムまたはイリジウムとの組み合わせであって、かつコバルトとイリジウムとの組み合わせ、およびタングステンと金との組み合わせを除いたものが好ましい。より具体的には、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせとしては、コバルト/白金、ニッケル/白金、タングステン/白金、コバルト/パラジウム、ニッケル/パラジウム、タングステン/パラジウム、コバルト/金、ニッケル/金、コバルト/ロジウム、ニッケル/ロジウム、タングステン/ロジウム、ニッケル/イリジウム、タングステン/イリジウムが好ましい。コア粒子の有する遷移金属元素とコア粒子の表面に存在する貴金属元素とが前記例示の組み合わせの場合には、図3に示したニッケルで構成されたコア粒子の表面に白金が層状に存在している貴金属含有触媒の場合と同様に、水素イオンと酸素とから触媒反応によって水が生成する場合の各中間状態における自由エネルギーの変化を計算機シミュレーションした場合に、各中間状態間の遷移がより起こり易いことが示唆される結果が得られたからである。 As a combination of the transition metal element of the core particle and the noble metal element present on the surface of the core particle, the combination of the transition metal element: cobalt, nickel or tungsten and the noble metal element: platinum, palladium, gold, rhodium or iridium In addition, a combination of cobalt and iridium and a combination of tungsten and gold is preferable. More specifically, the combination of “transition metal element of core particle / noble metal element present on the surface of core particle” includes cobalt / platinum, nickel / platinum, tungsten / platinum, cobalt / palladium, nickel / palladium, Tungsten / palladium, cobalt / gold, nickel / gold, cobalt / rhodium, nickel / rhodium, tungsten / rhodium, nickel / iridium and tungsten / iridium are preferred. When the transition metal element included in the core particle and the noble metal element present on the surface of the core particle are in the above-described combination, platinum is present in layers on the surface of the core particle composed of nickel shown in FIG. As in the case of noble metal-containing catalysts, transitions between the intermediate states are more likely to occur when computer-simulated changes in free energy in each intermediate state when water is generated from hydrogen ions and oxygen by a catalytic reaction. It is because the result which suggests was obtained.
前記例示のコア粒子の有する遷移金属元素とコア粒子の表面に存在する貴金属元素との組み合わせにより、より良好な酸素還元活性を有する貴金属含有触媒を構成できることを見出した計算機シミュレーションでは、前記の「The Journal of Physical Chemistry B、2004年、Vol.108、pp.17886−17892」の記載に従い、fcc(111)面を構成した上で、1.23Vの電位が存在している状態での自由エネルギーを算出した。 In the computer simulation, which has been found that a noble metal-containing catalyst having better oxygen reduction activity can be constituted by a combination of the transition metal element included in the core particle exemplified above and the noble metal element present on the surface of the core particle, According to the description of Journal of Physical Chemistry B, 2004, Vol. 108, pp. 17886-17892, the free energy in a state where a potential of 1.23 V is present after the fcc (111) plane is formed. Calculated.
計算用のモデルは、図4に示すように、表面部分(最表面層)を貴金属元素で構成し、コア粒子として2層目および3層目を遷移金属元素で構成した。計算ではスーパーセルという周期的計算手段を用いたので、図4に示した構造が平面方向および垂直方向に無限に繰り返されるモデルを計算したことになる。垂直方向には、上下10Å程度ずつの真空を挟み、計算を行った。自由エネルギーを算出するにあたって、酸素原子が最表面に吸着した状態およびOHが最表面に吸着した状態に関して、第一原理計算を行った。第一原理計算の手法としては、前記文献と異なり、図3に示した場合と同様にProjector Augumented Wave Methodという計算手法を適用したが、fcc(111)面を3層で構成し、2層目と3層目の原子核位置を固定し、最表面の原子核位置を最適化するという点については、前記文献に従った。Projector Augumented Wave Methodは、従来よりも信頼性の高い第一原理計算ができる手法として、近年注目されている手法である。 In the calculation model, as shown in FIG. 4, the surface portion (outermost surface layer) was composed of a noble metal element, and the second and third layers were composed of transition metal elements as core particles. Since the calculation uses a periodic calculation means called a supercell, a model in which the structure shown in FIG. 4 is repeated infinitely in the plane direction and the vertical direction is calculated. In the vertical direction, calculation was performed with a vacuum of about 10 mm above and below. In calculating the free energy, first-principles calculations were performed for the state in which oxygen atoms were adsorbed on the outermost surface and the state in which OH was adsorbed on the outermost surface. As a first-principles calculation method, unlike the above-mentioned document, a calculation method called Projector Augmented Wave Method is applied in the same manner as shown in FIG. 3, but the fcc (111) plane is composed of three layers and the second layer is calculated. The third-layer nuclear position is fixed and the outermost nuclear position is optimized in accordance with the above document. The Projector Augmented Wave Method is a technique that has been attracting attention in recent years as a technique capable of performing first-principles calculations with higher reliability than in the past.
図5に、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせが、「コバルト/金」の場合と「ニッケル/金」の場合とについて、1.23Vの電位が存在している状態における自由エネルギー変化を示す。図5中、「O*」は最表面に酸素原子が吸着した状態を示し、「OH*」は最表面にOHが吸着した状態を示し、「*」は表面のサイトを示している。 FIG. 5 shows a potential of 1.23 V in the case of “cobalt / gold” and “nickel / gold” in the combination of “transition metal element of core particle / noble metal element present on the surface of core particle”. Shows the change in free energy in the presence of. In FIG. 5, “O * ” indicates a state in which oxygen atoms are adsorbed on the outermost surface, “OH * ” indicates a state in which OH is adsorbed on the outermost surface, and “ * ” indicates a site on the surface.
本発明者らの理論検討によれば、純白金の酸素還元反応は、酸素原子が吸着した後にOH吸着する過程で自由エネルギー変化が大きく、0.84eV程度の自由エネルギー差がある。それを念頭に図5に示す結果を検討すると、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせが、「コバルト/金」および「ニッケル/金」においては、酸素原子が吸着した後にOH吸着する過程と、OH吸着後にH2O生成する過程の両方で自由エネルギー変化は0.84eVよりも小さいことが分かる。よって、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせが、「コバルト/金」および「ニッケル/金」の場合は、酸素還元反応に好適である。 According to the theoretical study by the present inventors, the oxygen reduction reaction of pure platinum has a large free energy change in the process of OH adsorption after oxygen atoms are adsorbed, and there is a free energy difference of about 0.84 eV. Considering the result shown in FIG. 5 with that in mind, the combination of “transition metal element of core particle / noble metal element present on the surface of core particle” is “cobalt / gold” and “nickel / gold” It can be seen that the free energy change is smaller than 0.84 eV in both the process of OH adsorption after the adsorption of oxygen atoms and the process of generating H 2 O after OH adsorption. Therefore, when the combination of “the transition metal element of the core particle / the noble metal element present on the surface of the core particle” is “cobalt / gold” and “nickel / gold”, it is suitable for the oxygen reduction reaction.
図6に、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせが、「ニッケル/イリジウム」の場合と「タングステン/イリジウム」の場合とについて、1.23Vの電位が存在している状態における自由エネルギー変化を示す。図6を見ると、「ニッケル/イリジウム」の組み合わせの場合は、OH吸着後にH2O生成する過程でやや大きな自由エネルギー変化があるものの、酸素還元反応に好適である。また、特に「タングステン/イリジウム」の組み合わせは、各過程での自由エネルギー変化が比較的小さく、酸素還元反応に好適である。 FIG. 6 shows a potential of 1.23 V when the combination of “transition metal element of core particle / noble metal element present on the surface of core particle” is “nickel / iridium” and “tungsten / iridium”. Shows the change in free energy in the presence of. FIG. 6 shows that the combination of “nickel / iridium” is suitable for the oxygen reduction reaction although there is a somewhat large change in free energy in the process of generating H 2 O after OH adsorption. In particular, the combination of “tungsten / iridium” has a relatively small change in free energy in each process and is suitable for an oxygen reduction reaction.
図7に、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせが、「コバルト/ロジウム」の場合、「ニッケル/ロジウム」の場合、および「タングステン/ロジウム」の場合について、1.23Vの電位が存在している状態における自由エネルギー変化を示す。図7を見ると、「コバルト/ロジウム」および「ニッケル/ロジウム」の組み合わせの場合は、酸素原子が吸着した後にOH吸着する過程で自由エネルギー変化が大きい傾向があるが、酸素還元反応に好適である。また、「タングステン/ロジウム」の組み合わせの場合は、OH吸着後にH2O生成する過程でやや大きな自由エネルギー変化があるものの、酸素還元反応に好適である。 FIG. 7 shows that the combination of “transition metal element of core particle / noble metal element present on the surface of core particle” is “cobalt / rhodium”, “nickel / rhodium”, and “tungsten / rhodium”. For the case, the change in free energy in the presence of a potential of 1.23 V is shown. FIG. 7 shows that the combination of “cobalt / rhodium” and “nickel / rhodium” tends to have a large change in free energy in the process of OH adsorption after adsorption of oxygen atoms, but is suitable for oxygen reduction reaction. is there. Further, the combination of “tungsten / rhodium” is suitable for the oxygen reduction reaction although there is a somewhat large change in free energy in the process of generating H 2 O after OH adsorption.
図8に、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせが、「コバルト/パラジウム」の場合、「ニッケル/パラジウム」の場合、および「タングステン/パラジウム」の場合について、1.23Vの電位が存在している状態における自由エネルギー変化を示す。図8を見ると、「コバルト/パラジウム」、「ニッケル/パラジウム」および「タングステン/パラジウム」の組み合わせの場合には、酸素が吸着した後OH吸着する過程と、OH吸着後にH2O生成する過程との両方で自由エネルギー変化が0.84eVよりも小さいことが分かる。よって、これら「コバルト/パラジウム」、「ニッケル/パラジウム」および「タングステン/パラジウム」の組み合わせは、酸素還元反応に好適である。 In FIG. 8, the combinations of “transition metal element of core particle / noble metal element present on the surface of core particle” are “cobalt / palladium”, “nickel / palladium”, and “tungsten / palladium”. For the case, the change in free energy in the presence of a potential of 1.23 V is shown. Referring to FIG. 8, in the case of a combination of “cobalt / palladium”, “nickel / palladium”, and “tungsten / palladium”, a process of OH adsorption after oxygen adsorption and a process of generating H 2 O after OH adsorption. It can be seen that the change in free energy is smaller than 0.84 eV. Therefore, these “cobalt / palladium”, “nickel / palladium” and “tungsten / palladium” combinations are suitable for the oxygen reduction reaction.
図9に、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせが、「コバルト/白金」の場合、「ニッケル/白金」の場合、および「タングステン/白金」の場合について、1.23Vの電位が存在している状態における自由エネルギー変化を示す。図8を見ると、「コバルト/白金」、「ニッケル/白金」および「タングステン/白金」の組み合わせの場合には、酸素が吸着した後OH吸着する過程と、OH吸着後にH2O生成する過程との両方で自由エネルギー変化が0.84eVよりも小さいことが分かる。よって、これら「コバルト/白金」、「ニッケル/白金」および「タングステン/白金」の組み合わせは、酸素還元反応に好適である。 In FIG. 9, the combinations of “transition metal element of core particle / noble metal element present on the surface of core particle” are “cobalt / platinum”, “nickel / platinum”, and “tungsten / platinum”. For the case, the change in free energy in the presence of a potential of 1.23 V is shown. Referring to FIG. 8, in the case of a combination of “cobalt / platinum”, “nickel / platinum”, and “tungsten / platinum”, a process of OH adsorption after oxygen adsorption and a process of generating H 2 O after OH adsorption. It can be seen that the change in free energy is smaller than 0.84 eV. Therefore, these “cobalt / platinum”, “nickel / platinum” and “tungsten / platinum” combinations are suitable for the oxygen reduction reaction.
本発明の貴金属含有触媒において、触媒金属の粒径(コア粒子と該コア粒子の表面に存在する貴金属元素とを含めた粒径)は、優れた触媒特性を確保する観点から、30nm以下であり、10nm以下であることが好ましい。他方、貴金属含有触媒に係る触媒金属の粒径が小さすぎると、触媒特性の経時劣化を抑制する効果が小さくなる虞があることから、触媒金属の粒径は、1nm以上であり、3nm以上であることが好ましい。 In the noble metal-containing catalyst of the present invention, the particle size of the catalyst metal (particle size including the core particle and the noble metal element present on the surface of the core particle) is 30 nm or less from the viewpoint of securing excellent catalyst characteristics. It is preferable that it is 10 nm or less. On the other hand, if the particle diameter of the catalyst metal related to the noble metal-containing catalyst is too small, the effect of suppressing deterioration with time of the catalyst characteristics may be reduced. Therefore, the particle diameter of the catalyst metal is 1 nm or more, and 3 nm or more. Preferably there is.
なお、触媒金属の粒径は、透過型電子顕微鏡による直接観察から測定することができ、多数の触媒金属粒子の粒径を測定することで平均粒径を算出することができる。測定の際の加速電圧は200kV程度で良い。またX線回折法で得られる回折線の幅から求めることもできる。この場合、得られた値は結晶子径の値であるが、触媒金属粒子はほぼ単結晶であるため結晶子径を粒径とみなすことができる。ここで回折線の半価幅β(rad)と結晶子径Dの関係は次式で表される。
D = λ/βcosθ
前記式中、λはX線の波長(Å)で、θは回折角(°)である。X線源としては例えばCuを用いることができ、X線出力は50kV、250mA程度でよい。
The particle size of the catalyst metal can be measured from direct observation with a transmission electron microscope, and the average particle size can be calculated by measuring the particle size of a large number of catalyst metal particles. The acceleration voltage at the time of measurement may be about 200 kV. It can also be determined from the width of the diffraction line obtained by the X-ray diffraction method. In this case, the obtained value is the value of the crystallite diameter, but since the catalyst metal particles are almost single crystals, the crystallite diameter can be regarded as the particle diameter. Here, the relationship between the half width β (rad) of the diffraction line and the crystallite diameter D is expressed by the following equation.
D = λ / βcos θ
In the above formula, λ is the X-ray wavelength (Å), and θ is the diffraction angle (°). For example, Cu can be used as the X-ray source, and the X-ray output may be about 50 kV and 250 mA.
また、本発明の貴金属含有触媒において、コア粒子の表面に存在している貴金属元素の厚みは、0.5nm以上であることが好ましく、0.8nm以上であることがより好ましく、また、8nm以下であることが好ましく、4nm以下であることがより好ましく、2nm以下であることが特に好ましい。これは、コア粒子の表面に存在している貴金属元素が前記の厚みとすることで、コア粒子による酸素吸着力をより良好に制御できるようになるからであるが、それは、以下の計算機シミュレーションによる検討から得たものである。 In the noble metal-containing catalyst of the present invention, the thickness of the noble metal element present on the surface of the core particle is preferably 0.5 nm or more, more preferably 0.8 nm or more, and 8 nm or less. It is preferably 4 nm or less, more preferably 2 nm or less. This is because the noble metal element present on the surface of the core particle has the above thickness, so that the oxygen adsorption force by the core particle can be controlled better, but this is based on the following computer simulation. It is obtained from examination.
図10に、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせが「コバルト/パラジウム」の貴金属含有触媒、パラジウムのみから構成される触媒、およびコバルトのみから構成される触媒を用いて、水素イオンと酸素とから触媒反応によって水が生成する場合の各中間状態における自由エネルギーの変化を示す。図10に示す結果は、図5などの結果と同様に、Projector Augumented Wave Methodという計算手法を適用したが、fcc(111)面を3層で構成し、2層目と3層目の原子核位置を固定し、最表面の原子核位置を最適化し、その結果を利用して1.23Vの電位が存在している状態での自由エネルギーを算出したものである。 In FIG. 10, the combination of “transition metal element of core particle / noble metal element present on the surface of core particle” is composed of “cobalt / palladium” noble metal-containing catalyst, catalyst composed only of palladium, and cobalt only. The change of the free energy in each intermediate state when water is produced by a catalytic reaction from hydrogen ions and oxygen using a catalyst. The result shown in FIG. 10 is similar to the result shown in FIG. 5 and the like, but the calculation method called Projector Augmented Wave Method is applied, but the fcc (111) plane is composed of three layers, and the nuclear positions of the second and third layers are shown. , The position of the nucleus on the outermost surface is optimized, and the free energy in the state where a potential of 1.23 V exists is calculated using the result.
なお、図10中の「O*」、「OH*」および「*」は、図5などと同様である。また、図10中の○は、コバルトで構成したコア粒子の表面にパラジウムが層状に存在している貴金属含有触媒での結果を、●はパラジウムのみから構成される触媒(純Pd)での結果を、□はコバルトのみから構成される触媒(純Co)での結果を、それぞれ示している。また、比較のために、白金のみから構成される触媒(純Pt)での結果を◇で示している。 Note that “O * ”, “OH * ”, and “ * ” in FIG. 10 are the same as those in FIG. Further, in FIG. 10, the results for the noble metal-containing catalyst in which palladium is present in a layered manner on the surface of the core particles composed of cobalt, and the results for the catalyst composed of only palladium (pure Pd). And □ show the results with a catalyst composed of only cobalt (pure Co). For comparison, the results with a catalyst composed of only platinum (pure Pt) are indicated by ◇.
図10を見ると、純Co触媒および純Pd触媒の場合と比較して、「コバルト/パラジウム」の組み合わせからなる貴金属含有触媒の場合に、酸素原子吸着の前後で自由エネルギーの差が小さくなっていることがわかる。図10には、状態遷移のポテンシャル障壁自体は示していないが、各中間状態間のエネルギーが相互に接近していることから、中間状態間の遷移が起こりやすくなることを示唆している。すなわち、図12の純Co触媒での結果(◇)と純Pd触媒での結果(●)から、コア粒子の有するコバルトについて酸素吸着の前後に生ずる自由エネルギー変化量Ecと、コア粒子の表面に存在するパラジウムについて酸素吸着の前後に生じる自由エネルギー変化量Esとの間には、Ec>Esの関係があり、また、純Co触媒は純Pd触媒よりも酸素原子を強く吸着することが分かる。 FIG. 10 shows that the difference in free energy before and after oxygen atom adsorption is smaller in the case of a noble metal-containing catalyst composed of a combination of “cobalt / palladium” than in the case of pure Co catalyst and pure Pd catalyst. I understand that. FIG. 10 does not show the potential barrier itself of the state transition, but suggests that transition between the intermediate states is likely to occur because the energy between the intermediate states is close to each other. That is, based on the result with the pure Co catalyst (の) and the result with the pure Pd catalyst (●) in FIG. 12, the amount of free energy Ec generated before and after the oxygen adsorption on the cobalt of the core particles and the surface of the core particles It can be seen that there is a relationship of Ec> Es between the amount of free energy Es that occurs before and after oxygen adsorption for the palladium present, and that the pure Co catalyst adsorbs oxygen atoms more strongly than the pure Pd catalyst.
一方、図10における「コバルト/パラジウム」の組み合わせからなる貴金属含有触媒での結果(○)に着目すると、この触媒のモデルは、コバルトからなるコア粒子(2層目および3層目)の表面にパラジウムの単原子層(最表面層)が形成されているものに相当するが、この触媒について酸素吸着前後に生じる自由エネルギーの変化量をEcs1とすると、Ecs1<Esの関係となることから、コバルトからなるコア粒子の表面にパラジウムの単原子層が形成されている貴金属含有触媒は、純Pd触媒よりも酸素吸着力が弱いことになる。ここで、コバルトからなるコア粒子の表面を、単原子層ではなく厚みの大きなパラジウム層で被覆した場合、そのパラジウム層の厚みが十分に大きければ、純Pd触媒(図10中●)とほぼ等しい強さで酸素を吸着するはずである。これらのことから、コア粒子の表面に存在している貴金属元素の厚みを制御することで、触媒の酸素吸着力をコア粒子単体の場合よりも適度に弱め、その結果、貴金属元素単体で構成される触媒(例えば前記の純Pd触媒)よりも酸素還元反応全体の進行を促進することが可能であると本発明者らは考えた。すなわち、触媒反応において酸素を引き付けることは触媒反応の開始に重要であり、同時に酸素の引き付け力が強すぎないことは、触媒反応が最後まで滞りなく進行する上で重量であるが、本発明の貴金属含有触媒において、コア粒子の表面に存在する貴金属元素の厚みを調整することで、こうした酸素吸着力を適度に制御して、より良好な触媒特性を確保でき、また、触媒特性の経時劣化をより高度に抑制できる。 On the other hand, paying attention to the result (◯) of the noble metal-containing catalyst composed of the combination of “cobalt / palladium” in FIG. 10, the model of this catalyst is the surface of the core particles (second layer and third layer) made of cobalt. This corresponds to the one in which a monoatomic layer (outermost surface layer) of palladium is formed. If the amount of change in free energy generated before and after oxygen adsorption is Ecs1 for this catalyst, Ecs1 <Es. A noble metal-containing catalyst in which a monoatomic layer of palladium is formed on the surface of the core particles made of is weaker in oxygen adsorption than a pure Pd catalyst. Here, when the surface of the core particle made of cobalt is covered with a thick palladium layer instead of a monoatomic layer, if the thickness of the palladium layer is sufficiently large, it is almost equal to a pure Pd catalyst (● in FIG. 10). It should adsorb oxygen with strength. From these, by controlling the thickness of the noble metal element present on the surface of the core particle, the oxygen adsorption force of the catalyst is moderately weakened compared to the case of the core particle alone, and as a result, it is composed of the noble metal element alone. The present inventors considered that it is possible to promote the progress of the entire oxygen reduction reaction than a catalyst (for example, the pure Pd catalyst described above). That is, attracting oxygen in the catalytic reaction is important for the initiation of the catalytic reaction, and at the same time, the fact that the oxygen attracting force is not too strong is a weight for the catalytic reaction to proceed smoothly until the end. In the noble metal-containing catalyst, by adjusting the thickness of the noble metal element present on the surface of the core particle, it is possible to appropriately control such oxygen adsorption force to ensure better catalyst characteristics, and to prevent deterioration of the catalyst characteristics over time. More highly controlled.
また、図11に、「コア粒子の有する遷移金属元素/コア粒子の表面に存在する貴金属元素」の組み合わせが「ニッケル/パラジウム」の貴金属含有触媒(図中○)、パラジウムのみから構成される触媒(純Pd、図中)、コバルトのみから構成される触媒(純Co)、および白金の未から構成される触媒(純Pt)を用いた場合の、水素イオンと酸素とから触媒反応によって水が生成する場合の各中間状態における自由エネルギーの変化を示す。図11における結果は、「ニッケル/パラジウム」の組み合わせからなる貴金属含有触媒については、モデルの2層目および3層目をニッケルとした以外は、図10の場合と同様にして求めたものである。この図11に示す結果も図10の場合と同様であり、「ニッケル/パラジウム」の組み合わせからなる貴金属含有触媒について酸素吸着前後に生じる自由エネルギーの変化量をEcs1とすると、Ecs1<Esの関係となることから、ニッケルからなるコア粒子の表面にパラジウムの単原子層が形成されている貴金属含有触媒は、純Pd触媒よりも酸素吸着力が弱いことになり、この結果も、コア粒子の表面に存在している貴金属元素の厚みを制御することで、触媒の酸素吸着力をコア粒子単体の場合よりも適度に弱め、その結果、貴金属元素単体で構成される触媒よりも酸素還元反応全体の進行を促進することが可能であることを示唆している。 Further, FIG. 11 shows a combination of a “noble metal element present on the surface of the core particle / the noble metal element present on the surface of the core particle” in which the combination is “nickel / palladium” (◯ in the figure), and a catalyst composed only of palladium (Pure Pd, in the figure), when using a catalyst composed only of cobalt (pure Co) and a catalyst composed solely of platinum (pure Pt), water is produced by catalytic reaction from hydrogen ions and oxygen. The change of the free energy in each intermediate state when generating is shown. The results in FIG. 11 were obtained in the same manner as in FIG. 10 except that the noble metal-containing catalyst composed of the combination of “nickel / palladium” was nickel in the second and third layers of the model. . The results shown in FIG. 11 are the same as those in FIG. 10, and the relationship of Ecs1 <Es is assumed, where Ecs1 is the amount of change in free energy that occurs before and after oxygen adsorption for a noble metal-containing catalyst composed of a combination of “nickel / palladium”. Therefore, the noble metal-containing catalyst in which the palladium monoatomic layer is formed on the surface of the core particle made of nickel has weaker oxygen adsorption than the pure Pd catalyst. By controlling the thickness of the precious metal element present, the oxygen adsorption capacity of the catalyst is moderately weakened compared to the case of the core particle alone, and as a result, the overall oxygen reduction reaction proceeds more than the catalyst composed of the precious metal element alone. It is suggested that it is possible to promote.
これらの結果から更に検討を重ねた結果、コア粒子の表面に存在している貴金属元素の厚みが、前記好適値の場合に、コア粒子の酸素吸着力をより良好に制御できることが判明した。 As a result of further investigations from these results, it was found that the oxygen adsorption force of the core particles can be better controlled when the thickness of the noble metal element present on the surface of the core particles is the above-mentioned preferred value.
なお、本明細書でいう貴金属元素の厚みは、例えばコア粒子の粒径とコア粒子の有する元素と貴金属元素とのモル比から求めることができる。コア粒子の粒径の測定は前記X線回折法を用いることができ、コア粒子の有する元素と、その表面に存在する貴金属元素とのモル比は、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法で測定できる。これらの値と、コア粒子の有する元素および貴金属元素の密度と原子量とから、貴金属含有触媒粒子1個当たりの貴金属元素の原子数を算出する。ある粒径のコア粒子の表面に、得られた原子数の貴金属元素が被覆されていることから、貴金属元素の厚みを求めることができる。コア粒子の粒径をdC、コア粒子の有する元素と貴金属元素とのモル比をS/C、コア元素の密度をρC、貴金属元素の密度をρs、コア元素の原子量をMC、貴金属元素の原子量をMSとすると、貴金属元素の厚みdSは次式で表すことができる。
dS=(dC/2)×〔{(S/C)×(MS/MC)×(ρC/ρS)+1}1/3−1〕本式に各数値を代入することで貴金属元素の厚みを算出できる。
Note that the thickness of the noble metal element in the present specification can be determined from, for example, the particle size of the core particle and the molar ratio of the element contained in the core particle to the noble metal element. The particle diameter of the core particle can be measured by using the X-ray diffraction method, and the molar ratio between the element of the core particle and the noble metal element present on the surface can be measured by high frequency inductively coupled plasma emission spectrometry. . From these values and the density and atomic weight of the element and the noble metal element of the core particle, the number of atoms of the noble metal element per noble metal-containing catalyst particle is calculated. Since the surface of the core particle having a certain particle diameter is coated with the obtained noble metal element having the number of atoms, the thickness of the noble metal element can be obtained. The particle size of the core particle is d C , the molar ratio of the element and the noble metal element of the core particle is S / C, the density of the core element is ρ C , the density of the noble metal element is ρ s , and the atomic weight of the core element is M C , When the atomic weight of the noble metal element is M S , the thickness d S of the noble metal element can be expressed by the following formula.
d S = (d C / 2) × [{(S / C) × (M S / M C ) × (ρ C / ρ S ) +1} 1/3 −1] Substituting each numerical value into this equation Can calculate the thickness of the noble metal element.
また、図10および図11における純Pt触媒の理論計算結果(図中◇)を見ると、純Pt触媒での酸素還元反応は、酸素吸着してからOH吸着する過程が律速段階であり、そこでは、0.84eV程度の自由エネルギー差があるが、この大きさに対して、図10における「コバルト/パラジウム」の組み合わせからなる貴金属含有触媒(図中○)および図11における「ニッケル/パラジウム」の組み合わせからなる貴金属含有触媒(図中○)では、各過程の自由エネルギー差が小さく、「コバルト/パラジウム」の組み合わせからなる貴金属含有触媒の方が各過程での自由エネルギー差がより小さい。これらの結果から、コア粒子の有する元素をコバルトまたはニッケルとし、コア粒子の表面に存在する貴金属元素をパラジウムとすることで、純Pt触媒に相当または純Pt触媒よりも良好な酸素還元活性を有する貴金属含有触媒を構成できる可能性があると、本発明者らは考えた。 10 and FIG. 11, the theoretical calculation results (◇ in the figure) of the pure Pt catalyst indicate that the oxygen reduction reaction with the pure Pt catalyst is a rate-determining step in which oxygen is adsorbed and then OH is adsorbed. Has a free energy difference of about 0.84 eV, but for this magnitude, a noble metal-containing catalyst (◯ in the figure) composed of a combination of “cobalt / palladium” in FIG. 10 and “nickel / palladium” in FIG. In the noble metal-containing catalyst (○ in the figure) consisting of the above combinations, the difference in free energy in each process is smaller, and in the noble metal-containing catalyst consisting of the combination of “cobalt / palladium”, the free energy difference in each process is smaller. From these results, the element having the core particle is made of cobalt or nickel, and the noble metal element existing on the surface of the core particle is made of palladium, so that it has an oxygen reduction activity equivalent to or better than that of the pure Pt catalyst. The present inventors thought that there was a possibility that a noble metal-containing catalyst could be constructed.
本発明者らは、前記の考えに基づいて実際に貴金属含有触媒を作製して、その触媒特性を評価した。その詳細は後記の実施例で示すが、これの評価結果から、本発明の貴金属含有触媒においては、コア粒子の有する元素をコバルトまたはニッケルとし、コア粒子の表面に存在する貴金属元素をパラジウムとすることがより好ましく、コア粒子の有する元素をコバルトとし、コア粒子の表面に存在する貴金属元素をパラジウムとすることが更に好ましい。 Based on the above idea, the present inventors actually produced a noble metal-containing catalyst and evaluated its catalytic properties. The details will be described in the examples described later. From the evaluation results, in the noble metal-containing catalyst of the present invention, the element contained in the core particle is cobalt or nickel, and the noble metal element present on the surface of the core particle is palladium. More preferably, the element contained in the core particle is cobalt, and the noble metal element present on the surface of the core particle is further preferably palladium.
次に、本発明の貴金属含有触媒の製造方法について説明する。本発明の貴金属含有触媒の製造方法としては、例えば、下記の3つの方法が挙げられる。 Next, the manufacturing method of the noble metal containing catalyst of this invention is demonstrated. Examples of the method for producing the noble metal-containing catalyst of the present invention include the following three methods.
第一の方法は、担体に担持させたコア粒子の表面に、置換めっき法により貴金属元素を付着させる方法である。 The first method is a method in which a noble metal element is attached to the surface of core particles supported on a carrier by a displacement plating method.
第二の方法は、スパッタリングによる方法である。担体に担持させたコア粒子の表面にスパッタリングで貴金属元素を付着させると、2原子層程度以上厚みで均一な表面層(貴金属元素の層)が形成される。この場合、表面層の厚みは、これを構成する貴金属元素の有効半径の4倍またはそれ以上であり、具体的には、0.5nmから0.8nm、またはそれ以上の厚みとなる。 The second method is a method by sputtering. When a noble metal element is deposited on the surface of the core particles supported on the carrier by sputtering, a uniform surface layer (noble metal element layer) having a thickness of about two atomic layers or more is formed. In this case, the thickness of the surface layer is four times or more than the effective radius of the noble metal element constituting the surface layer, specifically 0.5 nm to 0.8 nm or more.
第三の方法は、担体に担持させたコア粒子の表面に、真空蒸着により貴金属元素を付着させる方法である。 The third method is a method in which a noble metal element is attached to the surface of the core particle supported on the carrier by vacuum deposition.
なお、コア粒子をコバルトで構成し、かつコア粒子の表面に存在する貴金属元素をパラジウムとして本発明の貴金属含有触媒を構成する場合、コア粒子の直径dCo(nm)と、コア粒子の表面に存在するパラジウムとコア粒子を構成するコバルトとのモル比Pd/Coとの関係が、0.5<(dCo/2)×〔{(Pd/Co)×(MPd/MCo)×(ρCo/ρPd)+1}1/3−1〕<6.1となるように調整することが好ましい。ここで、MPd:パラジウムの原子量(106.4)、MCo:コバルトの原子量(58.93)、ρCo:コバルトの密度(8.90g/cm3)、ρPd:パラジウムの密度(12.02g/cm3)である。 When the core particle is composed of cobalt and the noble metal-containing catalyst of the present invention is configured using palladium as the noble metal element present on the surface of the core particle, the diameter d Co (nm) of the core particle and the surface of the core particle The relationship between the molar ratio Pd / Co of palladium present and cobalt constituting the core particles is 0.5 <(d Co / 2) × [{(Pd / Co) × (M Pd / M Co ) × ( It is preferable to adjust so that ρ Co / ρ Pd ) +1} 1/3 −1] <6.1. Here, M Pd : Atomic weight of palladium (106.4), M Co : Atomic weight of cobalt (58.93), ρ Co : Cobalt density (8.90 g / cm 3 ), ρ Pd : Palladium density (12 0.02 g / cm 3 ).
なお、前記の関係式におけるMPd、MCo、ρCoおよびρPdに前記の数値を代入すると、0.5<(dCo/2)×〔{(1.3369×Pd/Co)+1}1/3−1〕<6.1となる。 When the above numerical values are substituted into M Pd , M Co , ρ Co, and ρ Pd in the relational expression, 0.5 <(d Co /2)×[{(1.3369×Pd/Co)+1} 1/3 -1] <6.1.
ここで、コア粒子の表面に存在するパラジウムの厚みをdPd(nm)とした場合、dPdは、下記式(2)により求められる。 Here, when the thickness of palladium existing on the surface of the core particle is d Pd (nm), d Pd is obtained by the following formula (2).
よって、コア粒子をコバルトで構成し、かつコア粒子の表面に存在する貴金属元素をパラジウムとして本発明の貴金属含有触媒を構成する場合、コア粒子の直径dCoと、パラジウムとコバルトとのモル比Pd/Coとの関係が、0.5<(dCo/2)×〔{(1.3369×Pd/Co)+1}1/3−1〕<6.1となるように調整することが好ましい。すなわち、dCoとPd/Coとが上記の関係を満たすように調整しつつ貴金属含有触媒を製造することで、酸素吸着力をより良好に調節できるように、コア粒子表面のパラジウムの厚みを制御できる。 Therefore, when the noble metal-containing catalyst of the present invention is constituted with the core particle made of cobalt and the noble metal element present on the surface of the core particle as palladium, the molar ratio Pd of the core particle diameter d Co and palladium to cobalt is used. It is preferable to adjust so that the relationship with / Co is 0.5 <(d Co /2)×[{(1.3369×Pd/Co)+1} 1/3 −1] <6.1. . That is, by controlling the thickness of palladium on the surface of the core particles so that the oxygen adsorption force can be adjusted better by producing a noble metal-containing catalyst while adjusting so that dCo and Pd / Co satisfy the above relationship. it can.
<膜・電極構造体>
図12に本発明の膜・電極構造体(MEA)の一例(燃料電池用MEA)を模式的に示す。なお、図12はMEAの断面図であるが、一部の構成要素については断面であることを示す斜線を付していない。図12中、50は、本発明の貴金属含有触媒を触媒電極として適用した一体化MEAである。一体化MEA50は、電解質膜51、電解質膜51に塗布された触媒電極52、触媒電極52に接するように配置されたガス拡散層53、およびシール手段であるガスケット54を一体化して構成してある。55は、一体化MEA50に燃料などを供給するためのマニホールドである。56は、一体化MEA50の発電面であり、この発電面の一方に水素やメタノール水溶液などの燃料を、他方に空気などの酸化剤を供給することで発電する。
<Membrane / electrode structure>
FIG. 12 schematically shows an example (MEA for fuel cell) of the membrane / electrode structure (MEA) of the present invention. FIG. 12 is a cross-sectional view of the MEA, but some constituent elements are not hatched to indicate that they are cross sections. In FIG. 12, 50 is an integrated MEA to which the noble metal-containing catalyst of the present invention is applied as a catalyst electrode. The integrated MEA 50 is configured by integrating an electrolyte membrane 51, a catalyst electrode 52 applied to the electrolyte membrane 51, a gas diffusion layer 53 disposed so as to be in contact with the catalyst electrode 52, and a gasket 54 which is a sealing means. .
電解質膜51には、フッ素系や炭化水素系の電解質膜などを適用できる。また、前記の通り、触媒電極52に、本発明の貴金属含有触媒を適用している。本発明の貴金属含有触媒は、カソード極、アノード極の一方または両方に適用すればよいが、特にカソード極に適用する場合には、効率の向上が著しい。 As the electrolyte membrane 51, a fluorine-based or hydrocarbon-based electrolyte membrane can be applied. Further, as described above, the noble metal-containing catalyst of the present invention is applied to the catalyst electrode 52. The noble metal-containing catalyst of the present invention may be applied to one or both of the cathode electrode and the anode electrode, but particularly when applied to the cathode electrode, the efficiency is remarkably improved.
一体化MEA50は、MEAとその周辺部材とを取り扱い容易のために一体化したものであるが、電解質膜51と触媒電極52のみを一体化したMEAとして構成してもよい。 The integrated MEA 50 is an MEA and its peripheral members integrated for ease of handling, but may be configured as an MEA in which only the electrolyte membrane 51 and the catalyst electrode 52 are integrated.
本発明のMEAは、良好な触媒特性を有し、しかも耐久性に優れ、触媒特性の経時劣化が抑えられた本発明の貴金属含有触媒を適用していることから、低コストで高機能なMEAとなる。 Since the MEA of the present invention is applied with the noble metal-containing catalyst of the present invention having good catalytic properties, excellent durability, and suppressed deterioration of the catalytic properties with time, the MEA has high performance at low cost. It becomes.
<燃料電池>
図13に、本発明の燃料電池の一例を模式的に示す。図13中、60は、本発明の貴金属含有触媒を触媒電極として適用した一体化MEA50(本発明のMEA)を用いた燃料電池(燃料電池スタック)である。燃料電池スタック60は、集電板61、セパレータ(バイポーラプレート)62、および一体化MEA50を積層して構成している。なお、図13では、本発明の燃料電池の構成の理解を容易にするため、端部のセパレータや固定手段、燃料電池スタックの冷却手段などは省略し、積層の繰り返し構造は簡略化して示している。
<Fuel cell>
FIG. 13 schematically shows an example of the fuel cell of the present invention. In FIG. 13, reference numeral 60 denotes a fuel cell (fuel cell stack) using an integrated MEA 50 (MEA of the present invention) to which the noble metal-containing catalyst of the present invention is applied as a catalyst electrode. The fuel cell stack 60 is configured by stacking a current collector plate 61, a separator (bipolar plate) 62, and an integrated MEA 50. In FIG. 13, in order to facilitate understanding of the configuration of the fuel cell of the present invention, the separators and fixing means at the ends, the cooling means of the fuel cell stack, etc. are omitted, and the repeated structure of the stack is shown in a simplified manner. Yes.
例えば、家庭用の1kW級燃料電池スタックでは、1つのスタックで数十枚のMEAを使用する。
For example, in a
集電板61は、各発電面56で発電した電気的出力を直列に取り出すための手段であって、金属板を適用できる。セパレータ62は、各発電面56に水素やメタノール水溶液などの燃料や、空気などの酸化剤を均一に供給するための溝を有し、同時に電気的な導通を図るための手段であって、黒鉛系や金属系の材料で構成できる。集電板61やセパレータ62は、燃料電池の発電環境における耐腐食性を考慮することが長期安定発電の観点から望ましい。 The current collecting plate 61 is a means for taking out in series the electrical output generated by each power generating surface 56, and a metal plate can be applied. The separator 62 has a groove for uniformly supplying a fuel such as hydrogen or a methanol aqueous solution or an oxidizing agent such as air to each power generation surface 56, and is a means for simultaneously achieving electrical conduction. It can be made of a metal or metal material. It is desirable that the current collector 61 and the separator 62 take into account the corrosion resistance in the power generation environment of the fuel cell from the viewpoint of long-term stable power generation.
本発明の燃料電池は、図13に示すように複数のセルを積層して構成した燃料電池スタックであってもよく、簡単な場合には、ひとつのセルで構成する単セルであってもよい。 The fuel cell of the present invention may be a fuel cell stack configured by stacking a plurality of cells as shown in FIG. 13, or in a simple case, may be a single cell configured by one cell. .
本発明の燃料電池は、良好な触媒特性を有し、しかも耐久性に優れ、触媒特性の経時劣化が抑えられた本発明の貴金属含有触媒を適用していることから、低コストで高機能な燃料電池となる。特に数十枚のMEAを直列に積層して構成する燃料電池スタックとする場合には、本発明の貴金属含有触媒によるコスト削減効果が大きい。 Since the fuel cell of the present invention is applied with the noble metal-containing catalyst of the present invention having good catalytic characteristics, excellent durability, and suppressed deterioration of the catalytic characteristics with time, it is low in cost and highly functional. It becomes a fuel cell. In particular, when a fuel cell stack is formed by stacking several tens of MEAs in series, the cost reduction effect of the noble metal-containing catalyst of the present invention is great.
また、本発明の貴金属含有触媒は組成が簡単であることから、触媒製造における再現性がよく、特性のばらつきを抑制できるので、数十枚のMEAを使用する燃料電池スタックでも、MEA毎の特性均一化が容易である。 In addition, since the noble metal-containing catalyst of the present invention has a simple composition, it has good reproducibility in catalyst production and can suppress variation in characteristics. Therefore, even in a fuel cell stack using several tens of MEAs, the characteristics for each MEA Uniformization is easy.
<燃料電池発電システム>
図14に本発明の燃料電池発電システムの一例を模式的に示す。図14中、70は、本発明の貴金属含有触媒を触媒電極として適用した一体化MEA50を用いた燃料電池スタック60を発電部とした燃料電池発電システムである。家庭用の燃料電池システムでは、都市ガスなどを燃料とし、空気を酸化剤として燃料電池スタックの発電をする。家庭用の燃料電池システムの定格出力は一般には1kW級である。燃料電池発電システムをコージェネレーションシステムとして使用する場合は、燃料電池スタックの冷却によって回収した熱を家庭の熱源として同時に使用する。
<Fuel cell power generation system>
FIG. 14 schematically shows an example of the fuel cell power generation system of the present invention. In FIG. 14, reference numeral 70 denotes a fuel cell power generation system in which the fuel cell stack 60 using the integrated MEA 50 to which the noble metal-containing catalyst of the present invention is applied as a catalyst electrode is used as a power generation unit. In a household fuel cell system, power is generated from a fuel cell stack using city gas or the like as fuel and air as an oxidant. The rated output of a household fuel cell system is generally 1 kW class. When the fuel cell power generation system is used as a cogeneration system, the heat recovered by cooling the fuel cell stack is simultaneously used as a heat source for the home.
家庭用の燃料電池発電システムでは、システムとして4万時間から9万時間以上の寿命が要求されている。また、発電効率として35%LHV程度以上の効率が必要とされている。 A household fuel cell power generation system is required to have a life span of 40,000 hours to 90,000 hours or more. In addition, an efficiency of about 35% LHV or more is required as the power generation efficiency.
本発明の貴金属含有触媒を適用した燃料電池と、前記燃料電池を使った燃料電池発電システムによれば、発電に関わる触媒電極に、良好な触媒特性を有し、しかも耐久性に優れ、触媒特性の経時劣化が抑えられた本発明の貴金属含有触媒を適用していることから、信頼性と効率とを両立したシステムを実用的な価格で提供できる。 According to the fuel cell to which the noble metal-containing catalyst of the present invention is applied, and the fuel cell power generation system using the fuel cell, the catalyst electrode related to power generation has good catalytic characteristics and excellent durability, and catalytic characteristics. Since the noble metal-containing catalyst of the present invention in which deterioration with time is suppressed is applied, it is possible to provide a system with both reliability and efficiency at a practical price.
また、本発明の貴金属含有触媒を適用した本発明の燃料電池、および前記燃料電池を用いた本発明の燃料電池発電システムは、自動車やバイクなどの移動体用燃料電池電源にも適用できる。移動体用燃料電池電源の定格出力は一般には数kW級から100kW級であり、使用する触媒量も増える。これらの場合も、家庭用の場合と同様に、信頼性と効率とを両立した燃料電池発電システムを実用的な価格で提供できる。 Moreover, the fuel cell of the present invention to which the noble metal-containing catalyst of the present invention is applied and the fuel cell power generation system of the present invention using the fuel cell can also be applied to a fuel cell power source for moving bodies such as automobiles and motorcycles. The rated output of the fuel cell power source for moving bodies is generally several kW class to 100 kW class, and the amount of catalyst to be used increases. In these cases as well, as in the case of home use, a fuel cell power generation system having both reliability and efficiency can be provided at a practical price.
更に、本発明の貴金属含有触媒を適用した本発明の燃料電池、および前記燃料電池を用いた本発明の燃料電池発電システムは、携帯用途などの小型の燃料電池電源にも適用できる。小型の塩量電池電源の定格出力は一般に数から数十W級であり、触媒の使用量は少ないが、信頼性と製造の容易さの点で実用的な燃料電池発電システムを提供できる。 Furthermore, the fuel cell of the present invention to which the noble metal-containing catalyst of the present invention is applied and the fuel cell power generation system of the present invention using the fuel cell can also be applied to a small fuel cell power source for portable use and the like. The rated output of a small salt battery power supply is generally several to several tens of watts and the amount of catalyst used is small, but a practical fuel cell power generation system can be provided in terms of reliability and ease of manufacture.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.
実施例1
まず、Co(NO3)2・6H2O:2.47gを50質量%濃度のエタノール水溶液:10mlに溶解させ、この溶液と導電性カーボン[CABOT社製「バルカンXC72R(商品名)」]:2.00gとを乳鉢で混合した。この混合物を50℃、大気中で12時間乾燥した後、3体積%の水素を含むアルゴンガス雰囲気にて500℃で3時間焼成することで、コバルトを担持した導電性カーボンを得た。このコバルトを担持した導電性カーボンについて高周波誘導プラズマ発光分析にてコバルトの担持量を測定した結果、20.0質量%であった。また、X線回折法により得られた回折スペクトルからコバルトの結晶子径を算出した結果、25nmであったことからコバルトの平均粒子径は25nmと見積もられた。
Example 1
First, Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O: 2.47 g was dissolved in 50% by weight ethanol aqueous solution: 10 ml, and this solution and conductive carbon [“Vulcan XC72R (trade name)” manufactured by CABOT]]: 2.00 g was mixed with a mortar. The mixture was dried at 50 ° C. in the atmosphere for 12 hours and then calcined at 500 ° C. for 3 hours in an argon gas atmosphere containing 3% by volume of hydrogen to obtain conductive carbon carrying cobalt. The amount of cobalt supported on the conductive carbon supporting cobalt was measured by high-frequency induction plasma emission analysis and found to be 20.0% by mass. Moreover, as a result of calculating the crystallite diameter of cobalt from the diffraction spectrum obtained by the X-ray diffraction method, it was 25 nm. Therefore, the average particle diameter of cobalt was estimated to be 25 nm.
次にPdCl2を0.12g含む水溶液100mlに、前記のコバルトが担持された導電性カーボンを0.50g添加し、50℃に保持しながら1時間攪拌した。この工程において、置換めっきにより、コバルト上にパラジウムが下記式(3)式に示すように析出する。
Pd2+ + Co → Pd + Co2+ (3)
Next, 0.50 g of the conductive carbon carrying cobalt was added to 100 ml of an aqueous solution containing 0.12 g of PdCl 2 and stirred for 1 hour while maintaining at 50 ° C. In this step, palladium is deposited on cobalt as shown in the following formula (3) by displacement plating.
Pd 2+ + Co → Pd + Co 2+ (3)
置換めっきの後、濾過、純水による洗浄を行い、50℃で12時間乾燥させることで、コバルトで構成されたコア粒子の表面にパラジウムが層状に存在する貴金属含有触媒を得た。得られた貴金属含有触媒について、高周波誘導プラズマ発光分析にてパラジウムおよびコバルトの担持量を測定した結果、パラジウムが12.6質量%、コバルトが11.6質量%であり、パラジウムとコバルトのモル比Pd/Coは0.6であった。 After displacement plating, filtration, washing with pure water were performed, and drying was performed at 50 ° C. for 12 hours to obtain a noble metal-containing catalyst in which palladium was present in layers on the surface of core particles composed of cobalt. The obtained noble metal-containing catalyst was measured for the amount of palladium and cobalt supported by high-frequency induction plasma emission analysis. As a result, palladium was 12.6% by mass, cobalt was 11.6% by mass, and the molar ratio of palladium to cobalt Pd / Co was 0.6.
また、得られた貴金属含有触媒の透過型電子顕微鏡写真を図15に示す。粒子の外周部のコントラストが異なっており、コバルトのコアをパラジウムが被覆した構造になっていることが分かる。 Further, a transmission electron micrograph of the obtained noble metal-containing catalyst is shown in FIG. It can be seen that the contrast of the outer periphery of the particles is different, and the cobalt core is covered with palladium.
実施例1の貴金属含有触媒において、コアのコバルトは置換めっきにより30質量%が溶出した。そのため、コバルトのコアの直径は22nmに減少していると考えられる。更に、パラジウムの厚みdPdは、コバルトのコア直径dCo(nm)、およびパラジウムとコバルトのモル比Pd/Coから、前記の関係式によって算出でき、2.4nmである。 In the noble metal-containing catalyst of Example 1, 30% by mass of core cobalt was eluted by displacement plating. Therefore, the diameter of the cobalt core is considered to be reduced to 22 nm. Further, the palladium thickness d Pd can be calculated from the cobalt core diameter d Co (nm) and the molar ratio Pd / Co of palladium and cobalt by the above relational expression, and is 2.4 nm.
実施例2
PdCl2を0.03g含む溶液100mlに、実施例1で用いたものと同じコバルトが担持された導電性カーボンを0.50g添加する他は、実施例1と同様にして貴金属含有触媒を得た。得られた貴金属含有触媒について、高周波誘導プラズマ発光分析にてパラジウムおよびコバルトの担持量を測定した結果、パラジウムが3.3質量%、コバルトが16.9質量%であり、パラジウムとコバルトのモル比Pd/Coは0.1であった。実施例1と同様にして実施例2の貴金属含有触媒におけるコバルトのコアの直径およびパラジウムの厚みを算出した結果、コバルトのコアの直径は24nm、パラジウムの厚みは0.5nmであった。
Example 2
A noble metal-containing catalyst was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.50 g of conductive carbon carrying the same cobalt as used in Example 1 was added to 100 ml of a solution containing 0.03 g of PdCl 2 . . With respect to the obtained noble metal-containing catalyst, the supported amounts of palladium and cobalt were measured by high frequency induction plasma emission analysis. As a result, palladium was 3.3% by mass, cobalt was 16.9% by mass, and the molar ratio of palladium to cobalt Pd / Co was 0.1. The cobalt core diameter and palladium thickness in the noble metal-containing catalyst of Example 2 were calculated in the same manner as in Example 1. As a result, the cobalt core diameter was 24 nm and the palladium thickness was 0.5 nm.
比較例1
添川理化学株式会社のパラジウムを比較例1の触媒とした。
Comparative Example 1
The catalyst of Soekawa Rikagaku Co., Ltd. was used as the catalyst of Comparative Example 1.
比較例2
以下のようにして作製した導電性カーボンに白金が担持された触媒を比較例2の触媒として用いた。まず導電性カーボン(ライオン社製「ケッチェンブラックEC」):0.42g、28.2質量%のH2PtCl6を含む水溶液:2.2g、37質量%のHCHOを含む水溶液:0.52g、および水:500mlを混合し、1mol/lのNaOH水溶液でpHを8に調整した後、70℃に昇温し、前記NaOH水溶液でpHを8に保持しながら3時間攪拌し続けた。その後、前記の溶液について濾過、純水による洗浄を行い、80℃で12時間以上乾燥させることで導電性カーボンに白金が担持された触媒を得た。得られた触媒について、高周波誘導プラズマ発光分析にて白金の担持量を測定した結果、56質量%であった。
Comparative Example 2
A catalyst in which platinum was supported on conductive carbon produced as follows was used as the catalyst of Comparative Example 2. First, conductive carbon (“Ketjen Black EC” manufactured by Lion): 0.42 g, aqueous solution containing 28.2% by mass of H 2 PtCl 6 : 2.2 g, aqueous solution containing 37% by mass of HCHO: 0.52 g , And water: 500 ml was mixed, and the pH was adjusted to 8 with 1 mol / l NaOH aqueous solution. Then, the temperature was raised to 70 ° C., and stirring was continued for 3 hours while maintaining the pH at 8 with the NaOH aqueous solution. Thereafter, the solution was filtered, washed with pure water, and dried at 80 ° C. for 12 hours or more to obtain a catalyst having platinum supported on conductive carbon. With respect to the obtained catalyst, the amount of platinum supported was measured by high frequency induction plasma emission spectrometry. As a result, it was 56% by mass.
実施例1〜2および比較例1〜2の触媒について、酸素還元活性を評価した。評価方法は回転ディスク電極を用いた電気化学的評価とした。作用極には、ディスク電極上に各触媒を純水に分散させた溶液を滴下し、減圧乾燥させた後、0.1質量%のNafion(登録商標)溶液を触媒の上から滴下、減圧乾燥したものを用いた。作用極上の触媒量は0.2mg/cm2、Nafion(登録商標)量は0.05mg/cm2となるようにした。対極には白金線、参照極にはAg/AgCl(飽和KCl)を用いた。電解液には0.5mol/lの硫酸水溶液を用い、温度は35℃とした。酸素還元活性評価前に、窒素で電解液をバブリングしながら、0.03〜1.2V[vs.NHE(Normal Hydrgen Electrode)]の範囲で電位走印を行い、水素脱離電気量を求めた。その後、窒素でバブリングしながら0.2〜1.1V(vs.NHE)の範囲で電位走印を行い、得られた電流をバックグランド電流とした。次に酸素でバブリングしながら0.2〜1.1V(vs.NHE)の範囲で電位走印を行い、得られた電流からバックグランド電流を引いたものを酸素還元電流とした。また、酸素還元電流の測定時は作用極のディスク電極を、種々の回転数で回転させた。回転数は400、625、900、1600、および2500rpmである。酸素の還元電流は、回転数が速くなるに従って反応物質の供給量が増えるために増加する。測定された所定電位における酸素還元電流値i(mA)の逆数と、電極の角速度ω(rad/s)の−1/2乗の関係は、下記式(4)に示すKoutecky−Levich式で表される。 About the catalyst of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2, oxygen reduction activity was evaluated. The evaluation method was electrochemical evaluation using a rotating disk electrode. To the working electrode, a solution in which each catalyst is dispersed in pure water is dropped on a disk electrode and dried under reduced pressure. Then, a 0.1 mass% Nafion (registered trademark) solution is dropped from above the catalyst and dried under reduced pressure. What was done was used. The amount of catalyst on the working electrode was 0.2 mg / cm 2 and the amount of Nafion (registered trademark) was 0.05 mg / cm 2 . A platinum wire was used for the counter electrode and Ag / AgCl (saturated KCl) was used for the reference electrode. A 0.5 mol / l sulfuric acid aqueous solution was used as the electrolyte, and the temperature was 35 ° C. Before the oxygen reduction activity evaluation, 0.03 to 1.2 V [vs. Potential scrambling was performed in the range of NHE (Normal Hydrogen Electrode)] to determine the amount of hydrogen desorption. Thereafter, potential scavenging was performed in the range of 0.2 to 1.1 V (vs. NHE) while bubbling with nitrogen, and the obtained current was used as the background current. Next, potential scrambling was performed in the range of 0.2 to 1.1 V (vs. NHE) while bubbling with oxygen, and the oxygen current was obtained by subtracting the background current from the obtained current. When measuring the oxygen reduction current, the working electrode disk electrode was rotated at various rotational speeds. The number of revolutions is 400, 625, 900, 1600, and 2500 rpm. The oxygen reduction current increases as the number of reactants supplied increases as the rotational speed increases. The relationship between the reciprocal of the measured oxygen reduction current value i (mA) at the predetermined potential and the -1/2 power of the angular velocity ω (rad / s) of the electrode is expressed by the Koutecky-Levich equation shown in the following equation (4). Is done.
ここでiK:活性支配電流(mA)、n:反応電子数、F:ファラデー定数(C/mol)、A:ディスク電極の幾何面積(cm2)、c:反応物活量(mol/ml)、D:反応物の拡散係数(cm2/s)、v:溶液の動粘度係数(cm2/s)であり、電極の回転数f(rpm)と角速度ω(rad/s)の関係はω=2πf/60である。前記式(4)において、種々の角速度ωのときに得られる酸素還元電流値iの近似線のω−1/2=0(ω=∞、すなわち反応物の供給量が無限大)の切片からiKの逆数を求めることができる。従って、得られたiKは反応物の拡散の影響がない触媒の正味の活性となる。なお、酸素還元活性は、前記iKを事前に求めた水素脱離電気量で除した値で比較した。ここで水素脱離電気量は触媒の反応表面積に比例する値であるため、酸素還元活性は単位反応表面積当りの酸素還元電流を意味している。 Where i K : activity-dominated current (mA), n: number of reaction electrons, F: Faraday constant (C / mol), A: geometric area (cm 2 ) of disk electrode, c: activity of reactant (mol / ml) ), D: diffusion coefficient of the reactant (cm 2 / s), v: kinematic viscosity coefficient (cm 2 / s) of the solution, and the relationship between the rotation speed f (rpm) of the electrode and the angular velocity ω (rad / s) Is ω = 2πf / 60. In the equation (4), from the intercept of ω −1/2 = 0 (ω = ∞, that is, the supply amount of the reactant is infinite) of the approximate line of the oxygen reduction current value i obtained at various angular velocities ω. the reciprocal of i K can be obtained. Therefore, i K obtained becomes net activity there is no influence of the diffusion of reactants the catalyst. The oxygen reduction activity was compared with the value obtained by dividing the hydrogen desorption electricity quantity obtained the i K in advance. Here, since the amount of electricity desorbed from hydrogen is a value proportional to the reaction surface area of the catalyst, the oxygen reduction activity means the oxygen reduction current per unit reaction surface area.
表2に各触媒の0.7V(vs.NHE)における酸素還元活性を示す。 Table 2 shows the oxygen reduction activity of each catalyst at 0.7 V (vs. NHE).
表2から明らかなように、実施例1〜2の貴金属含有触媒は、比較例1〜2の触媒よりも高い酸素還元活性を示している。 As is apparent from Table 2, the noble metal-containing catalysts of Examples 1 and 2 show higher oxygen reduction activity than the catalysts of Comparative Examples 1 and 2.
また、図16に実施例1〜2および比較例1の触媒のPdの厚みの逆数と、0.7V(vs.NHE)における酸素還元活性との関係を示す。比較例2の白金触媒の0.7V(vs.NHE)における酸素還元活性は1.63A/Cであるため、これより高い酸素還元活性を得るためには、図16の結果から、パラジウムの厚みdPdの逆数が0.16<dPd −1<2.05(nm−1)の範囲にあればよい。従ってパラジウムの厚みdPdの範囲は、0.5<dPd<6.1(nm)が望ましい。よって、前記式(2)から、コバルトで構成されたコア粒子の直径dCo(nm)と、パラジウムとコバルトとのモル比Pd/Coとの関係は、0.5<(dCo/2)×〔{(Pd/Co)×(MPd/MCo)×(ρCo/ρPd)+1}1/3−1〕<6.1を満足することが好ましい。 FIG. 16 shows the relationship between the reciprocal of the Pd thickness of the catalysts of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 and the oxygen reduction activity at 0.7 V (vs. NHE). Since the oxygen reduction activity at 0.7 V (vs. NHE) of the platinum catalyst of Comparative Example 2 is 1.63 A / C, in order to obtain an oxygen reduction activity higher than this, from the result of FIG. reciprocal of d Pd is sufficient if the range of 0.16 <d Pd -1 <2.05 ( nm -1). Accordingly, the range of the palladium thickness d Pd is preferably 0.5 <d Pd <6.1 (nm). Therefore, from the above formula (2), the relationship between the diameter dCo (nm) of the core particles composed of cobalt and the molar ratio Pd / Co of palladium and cobalt is 0.5 <(d Co / 2) × It is preferable that [{(Pd / Co) × (M Pd / M Co ) × (ρ Co / ρ Pd ) +1} 1/3 −1] <6.1 is satisfied.
1 触媒金属
10 貴金属元素
20 コア粒子
30 担体
1
Claims (16)
前記触媒金属は、コア粒子と前記コア粒子の表面に存在する貴金属元素とから構成されており、かつ粒径が1〜30nmであり、
前記コア粒子の有する元素における酸素吸着の前後での自由エネルギー変化量をEc、前記貴金属元素における酸素吸着の前後での自由エネルギー変化量をEsとしたとき、Ec>Esであることを特徴とする貴金属含有触媒。 A noble metal-containing catalyst composed of a catalyst metal and a carrier supporting the catalyst metal,
The catalyst metal is composed of a core particle and a noble metal element present on the surface of the core particle, and has a particle size of 1 to 30 nm.
Ec> Es, where Ec is the amount of change in free energy before and after oxygen adsorption in the element of the core particle, and Es is the amount of change in free energy before and after oxygen adsorption in the noble metal element. Precious metal-containing catalyst.
担体に担持させたコア粒子の表面に、置換めっき法により貴金属元素を付着させることを特徴とする貴金属含有触媒の製造方法。 A method for producing a noble metal-containing catalyst according to any one of claims 1 to 11,
A method for producing a noble metal-containing catalyst, comprising depositing a noble metal element on a surface of a core particle supported on a carrier by a displacement plating method.
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