JP2008506513A

JP2008506513A - 電気化学的酸化反応用の金属合金およびその製造方法

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Publication number: JP2008506513A
Application number: JP2007520727A
Authority: JP
Inventors: リーシンカオ; ユーミンツァウ; カストロエモリーデ
Original assignee: Pemeas GmbH
Current assignee: BASF Fuel Cell GmbH
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2008-03-06
Also published as: US20060014637A1; CN100525904C; WO2006008001A3; US20090264281A1; CN1997449A; KR20070058435A; WO2006008001A2; EP1781407A2

Abstract

【課題】本発明は、高度に合金化した担持または非担持白金−ルテニウム触媒を、対応する水和酸化物または水酸化物の同時析出とそれに続く還元によって製造する方法に関する。
【解決手段】白金およびルテニウムの水和酸化物の同時析出は、一方は酸性、他方は塩基性としたこの２種類の金属の前駆体溶液を両水和酸化物が溶解できない中性に近いｐＨになるまで混合することで可能となる。
【選択図】なし

Description

本発明は、電解酸化反応用の触媒に関し、特に、ダイレクトメタノール燃料電池のアノードの活性成分として好適な白金−ルテニウム二元合金に関する。

アノードにて純メタノールまたはメタノール水溶液の酸化が起こる膜式電気化学発電装置としてのダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）が広く知られている。エタノールなどの他の軽質アルコールまたはシュウ酸などの酸化されやすい物質がダイレクト型燃料電池のアノードへの供給原料として使用できるが、本発明の触媒は、このようなあまり一般的ではない用途にも有用である。

通常、水素（純粋もしくは混合物の状態）をアノード室で酸化させる他のタイプの低温度燃料電池と比較して、ＤＭＦＣは、エネルギー密度の点で非常に有利で、かつ、水素よりも容易かつ迅速に充填できる液体燃料を使用することから、非常に魅力的である。その一方で、アルコール燃料の電解酸化は、反応速度が遅く、実利的な電流密度および電位で実行するには、精密に調整した触媒を要するという特徴がある。ＤＭＦＣは、電解質としてイオン交換膜を用いており、こうした部材は１００℃を大幅に超える温度には耐えられないため、温度条件が非常に厳しい。これがメタノールあるいは他のアルコール燃料の酸化速度にとっては非常にマイナスで、アノード用触媒を改良しようする試みは、少なくともこの２０年間絶え間なく続けられてきた。

当業者には周知であるが、軽質アルコールの酸化用の触媒物質としては、白金と他の貴金属との二元または三元複合物に由来するものが最適であり、とりわけ、触媒活性および安定性の点で白金−ルテニウム二元合金が好ましい。これらは既に触媒ブラックや担持触媒、例えば、活性炭担持触媒として使用されており、ほとんどの場合、電極構造、好ましくはイオン交換膜に接続するのに適したガス拡散電極構造に組み込まれている。

しかしながら、白金とルテニウムを融合させて真の意味での合金とするのは非常に難しい。先行技術に開示されている典型的なＰｔ：Ｒｕが１：１の複合物でも、部分的に合金化された混合物しか得られないのが常である。先行技術による白金とルテニウムの二元複合物の製造方法は、通常はこの２種類の金属の適切な化合物の酸化物または水酸化物の混合粒子、あるいは金属コロイド粒子を炭素担体に共蒸着することから開始される。

例えば、触媒を調製するひとつの実行可能な方法は、白金亜硫酸化合物Ｈ_３Ｐｔ（ＳＯ_３）_２ＯＨ（ＰＳＡ）の調製を開示している米国特許３，９９２，５１２号の開示から開始される。すなわち、対応するＲｕＳＡを同様の経路で調製し、これら前駆体を過酸化水素と反応させ、炭素担体に吸着させてから還元する。このプロセスでは、硫黄および／または非晶質酸化物相を含む合金触媒が生成されることが多い。

Ｂoｎｎｅｍａｎｎ等が、有機溶剤中で界面活性剤を用いて外殻を安定化させたＰｔとＲｕの混合コロイド粒子を基にした方法を開示している（Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．，Ｉｎｔ．Ｅｄ．Ｅｎｇｌ．１９９１，３０，８０４）。しかしながら、コロイド粒子を担体に吸着させた後に、界面活性剤を除去するために「反応アニーリング処理」が必要である。この処理は非常に複雑で、かつアニーリング中に発火する危険がある。従って、商業化に向いているとはいえない。

Ｌｅｅ他によるＪ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ，２００２，１４９（１０），Ａ１２９９では、ＴＨＦ中で金属塩化物をＬｉＢＨ_４を用いて還元して合金コロイド粒子を生成し、炭素上に堆積させるという新しい方法を開示している。この方法は、手順が複雑でかつ有毒な有機溶剤を使用することに加え、相当量の非晶相を有する触媒が生成される。

上記の欠点に加え、これら先行技術の方法は、望ましい特性を有する触媒が得られないことがあり、また、他にも制約を受けることがある。当技術分野では周知だが、メタノール酸化用の好ましいＰｔＲｕ合金を得るには、この２種類の元素が原子スケールで十分混合されている必要がある。例えば、ＰＳＡおよびＲｕＳＡの酸化は遅く、また、不完全なプロセスであって、多少の硫黄を含む混合水和酸化物が生成される。加えて、この混合水和酸化物を還元するには高い温度が必要で、これが相分離を誘発しやすい。ＬｉＢＨ_４を用いたＴＨＦ中での還元もまた、不完全なプロセスであることがわかっている。この有機溶剤中で外殻を安定させたコロイドを用いる方法では、全金属担持量が３０％未満の触媒しか生成できない。一般に、メタノールを酸化させる用途では、６０％超の担持量が必要である。

本発明の目的は、メタノールおよび他の有機燃料の酸化に対して高い触媒活性を示す高度に合金化した白金−ルテニウム複合物を得る方法を提供することである。本発明の別の目的は、ＣＯ存在下での水素ガス、例えばＰＥＭ燃料電池に用いられる改質ガス中の水素ガスの酸化に対して高い活性を有する触媒を提供することである。本発明の更に別の目的は、軽質有機分子の酸化を高効率に行える電気化学プロセスを提供することである。

一態様として、本発明は、白金およびルテニウムの前駆錯体から合金化した白金−ルテニウム触媒を製造する方法であって、酸性（ｐＨ＜７）溶液中の一方の錯体を塩基性（ｐＨ＞７）溶液中の他方の錯体に（またはその逆）ゆっくりと添加する中和工程を含む方法から構成される。この混合プロセスでは、混合物のｐＨが、両錯体が溶解していられない値へと徐々に移行することとなる。換言すれば、ｐＨが４〜１０の範囲で不溶性の水和酸化物または水酸化物が生成される。これにより、金属水酸化物／酸化物の沈殿物が、完全に混合した状態で同時に生成される。別の態様として、これに続く還元によって、２種類の金属元素の原子スケールでの混合が達成される。

第３の態様として、本発明は、水和水酸化物／酸化物の同時析出とそれに続く水和水酸化物／酸化物の還元によって得られた白金−ルテニウム合金化触媒を備えた燃料電池のアノード室におけるメタノールまたは他の燃料を酸化させる電気化学プロセスから構成される。

白金およびルテニウムは、混合金属錯体の酸性溶液に水酸化物イオンを導入すると、瞬時に水和ルテニウム酸化物が生成され、その一方で水和白金酸化物がそれよりも遥かに緩やかな速度で生成されるという化学的性質を有する。そのため、この混合水和酸化物前駆体においては相分離が不可避で、還元後には分相したＰｔおよびＲｕが生じる。この問題を解決するため、本発明は新しい化学プロセスに着目している。この方法では、白金の独特な化学的性質を利用している。白金酸Ｈ_２Ｐｔ（ＯＨ）_６は、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＫＯＨ、ＮａＯＨ溶液などの高ｐＨ（塩基性）溶液には可溶でＫ_ｘＨ_２−ｘＰｔ（ＯＨ）_６あるいはＮａ_ｘＨ_２−ｘＰｔ（ＯＨ）_６を生じるが、中性溶液には溶解しない。溶液のｐＨが低下すると、水和白金酸化物の析出が誘発される。本発明によるこの混合水和酸化物の同時生成の重要な点は、ｐＨを低下させる酸性化剤としてＲｕ化合物を用いることにある。

この方法では、この２種類の金属錯体が溶解するｐＨの異なる溶液（Ｒｕは酸性、Ｐｔは塩基性）を混合し、両者がともに不溶となって同時析出が起こるように、最終的にｐＨが４と１０の間、より好ましくは４と８．５の間になるようにする。好ましい実施態様では、酸性のＲｕＣｌ_３溶液をＰｔ^ＩＶ（Ｈ_２Ｏ）（ＯＨ）_５またはＰｔ^ＩＶ（ＯＨ）_６、およびＫ_２ＣＯ_３（Ｎａ_２ＣＯ_３、ＫＯＨ、ＮａＯＨなどの他の塩基性物質を用いてもよい）を含む溶液に添加することで中和反応を起こさせる。

ＲｕＣＩ_３＋Ｈ_２Ｐｔ（ＯＨ）_６＋Ｋ_２ＣＯ_３
→Ｒｕ（Ｈ_２Ｏ）_ａ（ＯＨ）_３＋Ｐｔ（Ｈ_２Ｏ）_ｂ（ＯＨ）_４
→Ｒｕ_２Ｏ_３ｘＨ_２Ｏ＋ＰｔＯ_２・ｙＨ_２Ｏ

ＲｕＣｌ_３ｘＨ_２Ｏの溶液は解離のためｐＨは約１．５である。
ＲｕＣｌ_３（Ｈ_２Ｏ）_３→ＲｕＣｌ_３（Ｈ_２Ｏ）_２（ＯＨ）⁻＋Ｈ^＋．

析出した水和ＲｕＯ_２と水和ＰｔＯ_２は、炭素基質、好ましくはバルカンＸＣ−７２やケッチェンブラックなどの高表面積導電性カーボンブラックに吸着させることができる。吸着した混合酸化物粒子は、その場でホルムアルデヒド、ギ酸、ホウ化水素、亜リン酸塩などの還元剤によって吸着合金へと還元することができる。この還元は、ろ過し、高温下で水素または水素／不活性ガス混合物の気流中で乾燥した後に行うこともできる。

上述した手順は、Ｐｔ／Ｒｕ原子比率が１以下のＰｔＲｕ合金触媒に対して効果的である。Ｐｔ／Ｒｕ原子比率が１を超える触媒の場合は、最終的な溶液のｐＨが高すぎて混合水和酸化物の析出がうまくいかない可能性がある。この場合は、ＲｕＣｌ_３溶液を白金酸＋Ｋ_２ＣＯ_３溶液に添加している最中に酢酸などの酸をＲｕＣｌ_３溶液に添加して過剰なＫ_２ＣＯ_３を中和することが好ましい。

ＲｕＣｌ_３の白金酸＋Ｋ_２ＣＯ_３への添加は、本発明の方法の好ましい一実施態様に過ぎない。本発明の一部であるもう一つの方法では、同様の混合水和酸化物混合物を逆のやり方で、すなわち、Ｒｕ化合物を塩基性溶液に溶解し、例えばＲｕＣｌ_３と次亜塩素酸イオンを水酸化ナトリウム溶液中で反応させてＲｕＯ_４ ^−２溶液を調製し、白金酸をゆっくり添加して中和反応を起こさせることによって生成する。

実施例１
８０％ＰｔＲｕ担持ケッチェンブラックＥＣカーボン（ライオン株式会社（日本）製）：
８０％ＰｔＲｕ担持ケッチェンブラックＥＣカーボンを以下のようにして調製した。超音波コーンを用いて８ｇのケッチェンブラックＥＣカーボンを２８０ｍｌの脱イオン水に５分間分散させた。２７．４０ｇのＫ_２ＣＯ_３を２７２０ｍｌの脱イオン水に溶解した。３２．９４ｇのヘキサヒドロキシ白金酸二水素Ｈ_２Ｐｔ（ＯＨ）_６（白金酸またはＰＴＡともいう）（Ｐｔ約６４％）をこのＫ_２ＣＯ_３溶液に加熱・撹拌しながら添加し、完全に溶解させた。続いて、上記のケッチェンブラックスラリーをこのＰＴＡ＋Ｋ_２ＣＯ_３溶液に加えた。この混合物を３０分間沸騰させた後、２６．７６ｇのＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏ（Ｒｕ約４０．８２ｗｔ％）を５００ｍｌの脱イオン水に溶解したＲｕＣｌ_３溶液を約１５ｍｌ／分の割合でスラリーに添加した。スラリーを沸点温度にて３０分間撹拌した。１９．２ｍｌの３７ｗｔ％ホルムアルデヒドを１００ｍｌに希釈したものを５ｍｌ／分の割合でスラリーに添加した。３０分間、温度を沸点に維持した。スラリーをろ過し、１リットルの脱イオン水で５回洗浄した。この触媒ケーキを８０℃、真空下で乾燥した。最終サンプルは、１時間ボールミルにかけた。

実施例２
６０％ＰｔＲｕ担持ケッチェンブラックＥＣカーボン（ライオン株式会社（日本）製）：
６０％ＰｔＲｕ担持ケッチェンブラックＥＣカーボンを以下のようにして調製した。シルバーソンミキサーを用いて２０ｇのケッチェンブラックＥＣカーボンを７５０ｍｌの脱イオン水に１５分間分散させた。２５．６９ｇのＫ_２ＣＯ_３を２２５０ｍｌの脱イオン水に溶解した。このＫ_２ＣＯ_３溶液に、３０．８８ｇのＰＴＡを加熱・撹拌しながら溶解した。続いて、このＰＴＡ＋Ｋ_２ＣＯ_３溶液に上記ケッチェンブラックスラリーを加えた。この混合物を３０分間沸騰させた後、２５．０８ｇのＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏを５００ｍｌの脱イオン水に溶解したＲｕＣｌ_３溶液を約１５ｍｌ／分の割合でスラリーに添加した。スラリーを沸点温度にて３０分間撹拌した。１８．０ｍｌの３７ｗｔ％ホルムアルデヒドを脱イオン水で１００ｍｌに希釈したものを５ｍｌ／分の割合でスラリーに添加した。３０分間、温度を沸点に維持した。スラリーをろ過し、１リットルの脱イオン水で５回洗浄した。この触媒ケーキを８０℃、真空下で乾燥した。最終サンプルは１時間ボールミルにかけた。

実施例３
原子比率１：１のＰｔＲｕブラック：
ＰｔＲｕブラックを以下のようにして調製した。２５．６９ｇのＫ_２ＣＯ_３を３０００ｍｌの脱イオン水に溶解した。このＫ_２ＣＯ_３溶液に、３０．８８ｇのＰＴＡを加熱・撹拌しながら溶解した。この混合物を３０分間沸騰させた後、２５．０８ｇのＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏを５００ｍｌの脱イオン水に溶解したＲｕＣｌ_３溶液を約１５ｍｌ／分の割合でこのＫ_２ＣＯ_３＋ＰＴＡ溶液に添加した。沈殿液を沸点温度にて３０分間撹拌した。この沈殿液に、１８．０ｍｌの３７ｗｔ％ホルムアルデヒドを１００ｍｌに希釈したものを５ｍｌ／分の割合で添加した。３０分間、温度を沸点に維持した。沈殿液をろ過し、１リットルの脱イオン水で５回洗浄した。この触媒ケーキを８０℃、真空下で乾燥した。最終サンプルは１時間ボールミルにかけた。

実施例４
原子比率１：３のＰｔＲｕブラック：
ＰｔＲｕ_３ブラックを以下のようにして調製した。１４．９７ｇのＫ_２ＣＯ_３を１０００ｍｌの脱イオン水に溶解した。このＫ_２ＣＯ_３溶液に、６．１２ｇのＰＴＡを加熱・撹拌しながら溶解した。この混合物を３０分間沸騰させた後、１４．９１ｇのＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏを４００ｍｌの脱イオン水に溶解したＲｕＣｌ_３溶液をこのＫ_２ＣＯ_３＋ＰＴＡ溶液に約１５ｍｌ／分の割合で添加した。沈殿液を沸点温度にて３０分間撹拌した。この沈殿液に、６．３５ｇの３７ｗｔ％ホルムアルデヒドを１００ｍｌに希釈したものを５ｍｌ／分の割合で添加した。３０分間、温度を沸点に維持した。沈殿液をろ過し、１リットルの脱イオン水で５回洗浄した。この触媒ケーキを８０℃、真空下で乾燥した。最終サンプルは１時間ボールミルにかけた。

実施例５
原子比率１：２のＰｔＲｕブラック：
ＰｔＲｕ_２ブラックを以下のようにして調製した。１２．５４ｇのＫ_２ＣＯ_３を１０００ｍｌの脱イオン水に溶解した。このＫ_２ＣＯ_３溶液に７．６７ｇのＰＴＡを加熱・撹拌しながらに溶解した。この混合物を３０分間沸騰させた後、１２．４７ｇのＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏを４００ｍｌの脱イオン水に溶解したＲｕＣｌ_３溶液を約１５ｍｌ／分の割合でこのＫ_２ＣＯ_３＋ＰＴＡ溶液に添加した。沈殿液を沸点にて３０分間撹拌した。この沈殿液に、６．１３ｇの３７ｗｔ％ホルムアルデヒドを１００ｍｌに希釈したものを５ｍｌ／分の割合で添加した。３０分間、温度を沸点に維持した。沈殿液をろ過し、１リットルの脱イオン水で５回洗浄した。この触媒ケーキを８０℃、真空下で乾燥した。最終サンプルは１時間ボールミルにかけた。

実施例６
原子比率２：１のＰｔＲｕブラック：
Ｐｔ_２Ｒｕブラックを以下のようにして調製した。１０．３２ｇのＫ_２ＣＯ_３を１２５０ｍｌの脱イオン水に溶解した。このＫ_２ＣＯ_３溶液に、１２．４１ｇのＰＴＡを加熱・撹拌しながら溶解した。この混合物を３０分間沸騰させた後、５．０４ｇのＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏと５．００ｇの酢酸（９９．９％）を２５０ｍｌの脱イオン水に溶解したＲｕＣｌ_３溶液を約１０ｍｌ／分の割合でこのＫ_２ＣＯ_３＋ＰＴＡ溶液に添加した。沈殿液を沸点温度にて３０分間撹拌した。この沈殿液に６．８ｇの３７ｗｔ％ホルムアルデヒドを１００ｍｌに希釈したものを５ｍｌ／分の割合で添加した。３０分間、温度を沸点に維持した。沈殿液をろ過し、１リットルの脱イオン水で５回洗浄した。この触媒ケーキを８０℃、真空下で乾燥した。最終サンプルは１時間ボールミルにかけた。

実施例７
原子比率３：１のＰｔＲｕブラック：
Ｐｔ_３Ｒｕブラックを以下のようにして調製した。１１．０８ｇのＫ_２ＣＯ_３を１２５０ｍｌの脱イオン水に溶解した。このＫ_２ＣＯ_３溶液に１３．３２ｇのＰＴＡを加熱・撹拌しながら溶解した。この混合物を３０分間沸騰させた後、３．６１ｇのＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏと６．６０ｇの酢酸（９９．９％）を脱イオン水２５０ｍｌに溶解したＲｕＣｌ_３溶液を約１０ｍｌ／分の割合でこのＫ_２ＣＯ_３＋ＰＴＡ溶液に添加した。沈殿液を沸点温度にて３０分間撹拌した。この沈殿液に、５．７６ｇの３７ｗｔ％ホルムアルデヒドを１００ｍｌに希釈したものを５ｍｌ／分の割合で添加した。３０分間、温度を沸点に維持した。沈殿液をろ過し、１リットルの脱イオン水で５回洗浄した。この触媒ケーキを８０℃、真空下で乾燥した。この最終サンプルは、１時間ボールミルにかけた。

実施例８
３０％ＰｔＲｕ担持バルカンＸＣ−７２：
３０％ＰｔＲｕ担持バルカンＸＣ−７２を以下のようにして調製した。シルバーソンミキサーを用いて７０ｇのバルカンＸＣ−７２を２．５リットルの脱イオン水に１５分間分散させた。２５．６９ｇのＫ_２ＣＯ_３を５００ｍｌの脱イオン水に溶解した。３０．８８ｇのＰＴＡをこのＫ_２ＣＯ_３溶液に加熱・撹拌しながら溶解した。続いて、このＫ_２ＣＯ_３＋ＰＴＡ溶液を上記のカーボンブラックスラリーに加えた。この混合物を３０分間沸騰させた後、２５．０８ｇのＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏを５００ｍｌの脱イオン水に溶解したＲｕＣｌ_３溶液を約１５ｍｌ／分の割合でスラリーに添加した。スラリーを沸点温度にて３０分間撹拌した。１８．０ｍｌの３７ｗｔ％ホルムアルデヒドを１００ｍｌに希釈したものを５ｍｌ／分の割合でスラリーに添加した。３０分間、温度を沸点に維持した。スラリーをろ過し、１リットルの脱イオン水で５回洗浄した。この触媒ケーキを８０℃、真空下で乾燥した。最終サンプルは、１時間ボールミルにかけた。

実施例９
４０％ＰｔＲｕ担持バルカンＸＣ−７２：
４０％ＰｔＲｕ担持バルカンＸＣ−７２を以下のようにして調製した。シルバーソンミキサーを用いて４８ｇのバルカンＸＣ−７２を１．４８リットルの脱イオン水に１５分間分散させた。２７．４０ｇのＫ_２ＣＯ_３を５００ｍｌの脱イオン水に溶解した。３２．９４ｇＰＴＡをこのＫ_２ＣＯ_３溶液に加熱・撹拌しながら溶解した。続いて、このＫ_２ＣＯ_３＋ＰＴＡ溶液を上記のカーボンブラックスラリーに加えた。この混合物を３０分間沸騰させた後、２６．７６ｇのＲｕＣｌ_３・ｘＨ_２Ｏを５００ｍｌの脱イオン水に溶解させたＲｕＣｌ_３溶液を約１５ｍｌ／分の割合でスラリーに添加した。スラリーを沸点温度にて３０分間撹拌した。１９．２ｍｌの３７ｗｔ％ホルムアルデヒドを１００ｍｌに希釈したものを５ｍｌ／分の割合でスラリーに添加した。３０分間、温度を沸点に維持した。スラリーをろ過し、１リットルの脱イオン水で５回洗浄した。この触媒ケーキを８０℃、真空下で乾燥した。最終サンプルは、１時間ボールミルにかけた。

比較例１０
先行技術Ｉによる３０％ＰｔＲｕ担持バルカンＸＣ−７２：
比較参照サンプルとしての３０％ＰｔＲｕ担持バルカンＸＣ−７２を以下のようにして調製した。テフロン被覆容器で１０リットルの脱イオン水を５１２ｍｌの４０ｇ／ｌルテニウム亜硫酸（Ｈ_２Ｒｕ（ＳＯ_３）_２ＯＨ）および１９７．６ｍｌの２００ｇ／ｌ白金亜硫酸（Ｈ_３Ｐｔ（ＳＯ_３）_２ＯＨ）と撹拌しながら混合した。この溶液のｐＨを希釈したアンモニア溶液で４．０に調整した。この溶液に１４０ｇのバルカンＸＣ−７２炭素担体を撹拌しながら添加した。このスラリーに１０００ｍｌの３０％Ｈ_２Ｏ_２を２〜４ｍｌ／分の割合でゆっくりと添加した。添加終了後、スラリーを室温で１時間撹拌し、ｐＨを４．０に調整した。次いで、６００ｍｌの３０％Ｈ_２Ｏ_２を更に添加した。このスラリーを、ｐＨを４．０に維持しつつ更に１時間撹拌した。スラリーの温度を７０℃にし、ｐＨを４．０に維持したまま１時間７０℃に保った。この高温の触媒スラリーをろ過し、１．０リットルの高温の脱イオン水で洗浄した。この触媒を１２５℃で１５時間乾燥し、Ｈ_２を用いて２３０℃で還元した。

比較例１１
先行技術Ｉによる６０％ＰｔＲｕ担持バルカンＸＣ−７２：
６０％ＰｔＲｕ担持バルカンＸＣ−７２を以下のようにして調製した。テフロン被覆容器で１０リットルの脱イオン水を５１２ｍｌの４０ｇ／ｌルテニウム亜硫酸および１９７．６ｍｌの２００ｇ／ｌ白金亜硫酸と撹拌しながら混合した。この溶液のｐＨを希釈したアンモニア溶液で４．０に調整した。この溶液に４０ｇのバルカンＸＣ−７２炭素担体を撹拌しながら添加した。このスラリーに１０００ｍｌの３０％Ｈ_２Ｏ_２を２〜４ｍｌ／分の割合でゆっくりと添加した。添加終了後、スラリーを室温で１時間撹拌し、ｐＨを４．０に調整した。次いで６００ｍｌの３０％Ｈ_２Ｏ_２を更に添加した。このスラリーを、ｐＨを４．０に維持しつつ更に１時間撹拌した。スラリーの温度を７０℃にし、ｐＨを４．０に維持したまま１時間７０℃に保った。この高温の触媒スラリーをろ過し、１．０リットルの高温の脱イオン水で洗浄した。この触媒を１２５℃で１５時間乾燥し、Ｈ_２を用いて２３０℃で還元した。

比較例１２
先行技術ＩＩによる３０％ＰｔＲｕ担持バルカンＸＣ−７２：
バルカン３０％ＰｔＲｕ担持ＸＣ−７２を以下のようにして調製した。３５ｇのバルカンＸＣ−７２を１．０リットルのアセトンに激しく撹拌しながら１０分間懸濁させた。別の５リットル平底フラスコで、２１．９ｇのＰｔ（ａｃａｃ）_２および２２．２ｇのＲｕ（ａｃａｃ）_３（ａｃａｃ＝アセチルアセトネート）を１．５リットルのアセトンに溶解した。次いで、このカーボン分散液をこのフラスコでＰｔ／Ｒｕ溶液と混合した。フラスコを水槽を用いて２５℃に維持しつつ、生じた混合物を３０分間撹拌した。こうして得られたスラリーを３０分間超音波処理し、次いでフラスコを６０℃の水槽に入れて蒸発させた。アセトンは凝縮器で回収した。乾燥触媒ケーキを粉砕して微粉末にし、これを筒状の反応器に入れ、ＰｔおよびＲｕ前駆体が完全に分解するようにアルゴン気流中で３００℃に加熱した。最後にこの触媒を１５％Ｈ_２／Ａｒ気流中で３時間還元した。

図面の詳細な説明とサンプルの特性
上記実施例で得られた１２種類の触媒をＸ線回折（ＸＲＤ）分析にかけた。表１は、その特性の概要をまとめたものである。Ｘ線拡大分析に基づき、シェラーの式を用いて微結晶サイズを計算した。通常、Ｐｔ含有率の高いＰｔＲｕ合金は、純粋な白金に近い面心結晶を有する。すなわち、ルテニウム原子が単に白金原子と置換されて格子定数の減少を生じている。合金相の組成は、その合金が、単にピークの位置がずれ、形状がわずかに変わっているだけで同じＸＲＤパターンを有していれば、２２０ピークの位置から計算できる。計算した「原子スケールでのＸＲＤによるＰｔ：Ｒｕ比」がバルクＰｔ：Ｒｕ比に非常に近ければ、この触媒は良質な合金であると判断される。そうでなければ、結晶質であれ非晶質であれ、相当量の金属単相が存在していると推定される。実施例４および５に対応するサンプルは、白金含有量よりもルテニウム含有量が多いため、他のサンプルとは異なるＸＲＤパターンを有する。これは、本発明による５種類の触媒に対応するＸＲＤスペクトルを示した図１に明確に現れている。曲線はそれぞれ、実施例４のＰｔＲｕ_３のサンプル（１０１）、実施例５のＰｔＲｕ_２のサンプル（１０２）、実施例３のＰｔＲｕのサンプル（１０３）、実施例６のＰｔ_２Ｒｕのサンプル（１０４）、実施例７のＰｔ_３Ｒｕのサンプル（１０５）に関する。前駆体としてＰＴＡおよびＲｕＣｌ_３を用いた実施例１〜３および６〜８では、ほぼ完全なＰｔＲｕ合金が形成された。

一方、サンプル９の２種類の比率（原子スケール比およびバルク比）の比較的大きな差は、相当な金属単相が存在していることを示唆するものである。サンプル９のＸＲＤグラフの２２０ピークには、ショルダーがあると考えられる。また、このデータによると、微結晶サイズは金属担持量とはほぼ無関係であることがわかる。実施例１０は、計算したＰｔ：Ｒｕ比がバルク比の５０：５０からかなり離れていることから、合金の性質としては劣っている。サンプル１０および１１のＸＲＤスペクトルは、相当量のルテニウム金属単相（２θ４６のピークが広がってショルダーとなっていることからわかるように）および非晶質ＲｕＯ_２相を示している。ＥＤＡＸ分析でも、バックグラウンドレベルの３〜４倍程度の硫黄（おそらくは前駆体の亜硫酸塩錯体に由来）の量を示している。これらが以下に述べるように、サンプル１０および１１の低いＲＤＥ性能の要因となっている。Ｐｔ（ａｃａｃ）_２およびＲｕ（ａｃａｃ）_３を用いて調製した比較例１２の触媒は、原子スケールでのＸＲＤによるＰｔ：Ｒｕ比とバルクＰｔ：Ｒｕ比が非常に近いにも関わらず、ＸＲＤスペクトルに示すように、相当量の非晶相とおそらくは金属単相を有している。

こうしたことが、本発明（以下のＲＤＥ試験参照）における触媒と比較して性能が劣る要因であろう。通常、金属ブラック触媒は、小さいサイズでの制御が難しい。本発明で調製したＰｔＲｕブラック触媒では、結晶の大きさは全て２．４〜３．２ｎｍの範囲である。これは、本発明においては、結晶の大きさの制御がいずれもうまく行われていることを示している。また、本発明の触媒では、原子スケールＰｔ：Ｒｕ比がいずれもバルク比に非常に近く、最小限度の金属単相しか含まない非常に均質な合金が形成されていることを示している。

回転円盤電極（ＲＤＥ）によって触媒性能の試験を行った。各担持または非担持触媒１６．７ｍｇを５０ｍｌのアセトンと混合して希釈触媒インクを調製した。このインクを直径６ｍｍのガラス状炭素回転電極の先端に４回、合計２０μｌ塗布した。電極を、１Ｍメタノールを含む５０℃の０．５ＭのＨ_２ＳＯ_４溶液に入れた。白金の対極とＨｇ／Ｈｇ_２ＳＯ_４の参照電極をガムリ製定電位電解装置に回転子（パインインスツルメント製）、回転円盤電極（パーキンエルマー製）とともに接続した。回転数１６００ＲＰＭで電位走査（１０ｍＶ／ｓ）をかけ、溶解したメタノールの酸化を示す水平部を記録した。曲線の上昇部をメタノール酸化に対する活性の程度として用いた。この上昇部の立ち上がりが負の大きい値で生じる方が、触媒は活性が高い。

図２は、ＰＴＡ＋ＲｕＣｌ_３を用いた方法で調製した３０％ＰｔＲｕ（１：１）触媒が、３０％触媒の中ではメタノール酸化に対する電気化学的活性が最も高いことを示している。（２０１）は実施例８で調製した本発明の触媒に対応する走査結果を示し、曲線（２０２）と（２０３）は、それぞれ実施例１２と１０の先行技術のサンプルに対応する。

図３は、担持量６０％ＰｔＲｕ（１：１）では、本発明の方法に従って調製した触媒が、亜硫酸を用いた方法で調製した触媒（非常に低い性能しか得られない）よりも性能が高いことを示している。（２１０）は実施例２のサンプルについての走査結果であり、（２１１）は実施例１１のサンプルについての走査結果である。

同じ傾向が、図４に示すようにＰｔＲｕブラック（原子比率１：１）でも観察された。（２２０）は実施例３のサンプルについての走査結果であり、（２２１）は亜硫酸ルートで得られた非担持ＰｔＲｕブラックの記録されている走査結果である。

図５は、Ｐｔ：Ｒｕの比率がメタノール酸化率に大きく影響することを示している。触媒活性は、Ｐｔ：Ｒｕの比率とともに劇的に増加する。実施例６（２３０）によるＰｔ：Ｒｕ比が２：１の触媒の触媒活性は、ピーク電流からすると実施例３（２３２）のＰｔ：Ｒｕ比が１：１の触媒の約３倍である。しかし、Ｐｔ：Ｒｕ比が３：１の実施例７の触媒（２３１）は、Ｐｔ：Ｒｕ比が２：１の場合（２３０）と同じ程度の活性を示している。Ｐｔ：Ｒｕ比が１未満の触媒は、Ｐｔ：Ｒｕ比が１以上の触媒よりも活性が低い。例えば、（２３３）は実施例５のＰｔＲｕ_２の走査結果であり、（２３４）は実施例４のＰｔＲｕ_３の走査結果である。これらのデータから、Ｐｔ：Ｒｕ触媒は、Ｐｔ：Ｒｕ比が２：１前後のときに質量活性（グラム当たりの電流）が最大になることがわかる。

上記の記述は本発明を制限するものではなく、本発明はその範囲を逸脱することなく種々の実施形態で実施されるものであり、またその範囲は添付の請求項にのみ規定されるものである。本出願の記述および請求項における「からなる」およびそのバリエーションである「から構成されている」、「から構成された」などの語は、他の構成要素または追加成分の存在を除外するものではない。

図１は、本発明の方法に従って調製した５種類の触媒についてのＸＲＤスペクトルを示す。図２は、市販のサンプルと比較した本発明の３種類の３０％ＰｔＲｕ担持触媒のメタノール酸化率を示す。図３は、市販のサンプルと比較した本発明の３種類の６０％ＰｔＲｕ担持触媒のメタノール酸化率を示す。図４は、先行技術による２種類の同様な触媒と比較した本発明の１：１ＰｔＲｕブラック触媒のメタノール酸化率を示す。図５は、原子比率の異なる数種類のＰｔＲｕブラックのメタノール酸化率を示す。

Claims

白金前駆体を含む第一の溶液とルテニウム前駆体を含む第二の溶液であって、前記２種類の溶液の一方は塩基性で他方は酸性である第一および第二の溶液を調製すること、およびｐＨが４と１０の間の最終溶液を得て白金およびルテニウムの水和酸化物および／または水酸化物を同時に析出させるまで前記第一の溶液と前記第二の溶液を混合することからなる、合金化された白金−ルテニウム触媒の製造方法。
白金前駆体を含む第一の溶液は塩基性で、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、ＫＯＨ、ＮａＯＨのうちの少なくとも一種を含む請求項１に記載の方法。
前記白金前駆体が白金酸である、請求項２に記載の方法。
第二の溶液は酸性で、前記ルテニウム前駆体はＲｕＣｌ_３である、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
第二の溶液は、更に酸、特に酢酸を含む、請求項４に記載の方法。
ルテニウム前駆体を含む第二の溶液はＲｕＯ_４ ^−２イオンを含む塩基性溶液であり、第一の溶液は白金酸の酸性溶液である請求項１に記載の方法。
前記ＲｕＯ_４ ^−２イオンを含む塩基性溶液は、ＲｕＣｌ_３と次亜塩素酸イオンを水酸化ナトリウム溶液中で反応させて得られるものである、請求項６に記載の方法。
前記２種類の溶液の少なくとも一方は懸濁させた炭素粉末を含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
前記炭素粉末は導電性カーボンブラックである請求項８に記載の方法。
前記析出させた白金およびルテニウムの水和酸化物および／または水酸化物を、引き続き前記最終溶液に還元剤を添加して還元させる、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
前記還元剤は、ホルムアルデヒド、ギ酸、ホウ化水素、亜リン酸塩からなる群から選択される請求項１０に記載の方法。
前記析出させた白金およびルテニウムの水和酸化物および／または水酸化物を、ろ過および乾燥後に、水素を含む気流中で高温にて還元させる、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
請求項１から１２のいずれかに記載の方法によって得られる合金化した白金−ルテニウム触媒。
Ｐｔ：Ｒｕの原子比率が１より大きい、特に２以上である、請求項１３に記載の触媒。
請求項１３または１４に記載の触媒を組み込んだガス拡散電極構造。
請求項１５に記載のガス拡散電極からなる電解酸化プロセス用電池、特に燃料電池。
請求項１６の電池を用いることを特徴とする有機分子の電解酸化プロセス。
前記有機分子はメタノールまたは他のアルコールからなる請求項１７に記載のプロセス。