JP2009283213A - Catalyst for fuel cell, method for manufacturing catalyst for fuel cell, and electrode for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the method for manufacturing a catalyst enhancing performance per surface area by making small the particle size of metal clusters in which metal is covered with ligands as an electrode catalyst for a fuel cell, and to provide an electrode for the fuel cell manufactured by using this. <P>SOLUTION: The catalyst uses metal clusters containing non-platinum elements as a catalytic activity component, the metal cluster includes metals having different valences, and performance per catalyst surface area is enhanced by making small particle size of the metal clusters. The electrode for achieving high performance without using carbon carriers is realized by applying the catalyst to the electrode catalyst of the fuel cell. Since the electrode is made thin, resistance is decreased, and the electrode is applied to a DMFC and a PEFC as a high performance electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属クラスタよりなる燃料電池用触媒の製造方法と、その結果を利用した燃料電池用電極に関する。   The present invention relates to a method for producing a catalyst for a fuel cell comprising a metal cluster, and a fuel cell electrode utilizing the result.

自動車や一般家庭用の分散型燃料電池として固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下PEFCと略す)が開発されている。また、携帯用電子機器の電源としてメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池(以下、DMFCと略す)が開発されている。   Polymer electrolyte fuel cells (hereinafter abbreviated as PEFC) have been developed as distributed fuel cells for automobiles and general households. In addition, a direct methanol fuel cell (hereinafter abbreviated as DMFC) using methanol as a fuel has been developed as a power source for portable electronic devices.

燃料電池の動作原理を以下に説明する。燃料電池は、燃料を酸化するアノード電極と、酸素を還元するカソード電極と、両電極間に設けられた水素イオンを透過する電解質膜を主要な構成とする。燃料電池の動作原理の概略を、DMFCを例にとって説明する。   The operation principle of the fuel cell will be described below. The fuel cell mainly includes an anode electrode that oxidizes fuel, a cathode electrode that reduces oxygen, and an electrolyte membrane that transmits hydrogen ions provided between the two electrodes. An outline of the operation principle of the fuel cell will be described by taking DMFC as an example.

DMFCはアノード極(燃料極)とカソード極(空気極)から構成される。アノード極では(1)式に示すように、燃料であるメタノールと水が反応して水素イオン(以下、H+と略す)と電子(以下、e-と略す)及びCO2が生成する。一方、カソード極では(2)式に示すように、電解質膜を透過したH+と外部から供給された空気中のO2とが反応して水を生成する。 The DMFC is composed of an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (air electrode). At the anode electrode, as shown in the equation (1), methanol, which is a fuel, reacts with water to generate hydrogen ions (hereinafter abbreviated as H + ), electrons (hereinafter abbreviated as e ), and CO 2 . On the other hand, as shown in the formula (2), H + that has passed through the electrolyte membrane reacts with O 2 in the air supplied from the outside to generate water as shown in the formula (2).

(数1)
アノード極での反応:CH3OH+H2O → 6H++CO2+6e- …(1)
(Equation 1)
Reaction at anode electrode: CH 3 OH + H 2 O → 6H + + CO 2 + 6e (1)

(数2)
カソード極での反応:6H++3/2O2+6e- → 3H2O …(2)
(Equation 2)
Reaction at cathode electrode: 6H + + 3 / 2O 2 + 6e → 3H 2 O (2)

上記アノード極とカソード極を外部回路で継ぐことにより、電流を得ることができる。以上のように、アノード極とカソード極からなる電極は燃料電池の心臓部である。DMFCでは一般にカソード極の電極材料に白金、アノード極の電極材料に白金−ルテニウムを使用している。また、PEFCではアノード極とカソード極の両方で白金が使用される。   A current can be obtained by connecting the anode and cathode with an external circuit. As described above, the electrode composed of the anode and cathode is the heart of the fuel cell. In DMFC, platinum is generally used as the cathode electrode material and platinum-ruthenium is used as the anode electrode material. In PEFC, platinum is used for both the anode and cathode.

燃料電池では白金が重要な構成材料であるが、非常に高価である。このため、日本化学会誌、1988、(8)、p.1426〜1432(非特許文献1)には、触媒の性能を高めて白金の使用量を低減する検討がされている。   Platinum is an important component in fuel cells, but it is very expensive. For this reason, the Chemical Society of Japan, 1988, (8), p. 1426-1432 (Non-patent Document 1) has been studied to improve the performance of the catalyst and reduce the amount of platinum used.

また、一般的に、触媒性能は触媒活性点の量(表面積)と質(表面積当たりの性能)で左右される。触媒表面積が大きくなると反応を活性化する場が多くなるため性能が向上する。Electrochimica Acta 50、2004、p817−821(非特許文献2)では、触媒活性点の量、つまり触媒表面積を増大するために、触媒活性点となる金属クラスタの粒径を小さくして、これを高表面積のカーボン担体上に分散させることで触媒単位重量当たりの表面積を増大し、性能を向上することが検討されていた。具体的には、金属クラスタのカーボン担体上での分散を良くする目的のために、触媒製造過程に分散剤等を添加していた。   In general, the catalyst performance depends on the amount (surface area) and quality (performance per surface area) of the catalyst active site. As the surface area of the catalyst increases, the number of fields for activating the reaction increases, so the performance improves. In Electrochimica Acta 50, 2004, p817-821 (Non-patent Document 2), in order to increase the amount of catalyst active sites, that is, the surface area of the catalyst, the particle size of the metal cluster serving as the catalyst active sites is reduced and increased. It has been studied to improve the performance by increasing the surface area per unit weight of the catalyst by dispersing it on a carbon support having a surface area. Specifically, for the purpose of improving the dispersion of the metal clusters on the carbon support, a dispersant or the like has been added to the catalyst production process.

日本化学会誌、1988、(8)、p.1426〜1432The Chemical Society of Japan, 1988, (8), pp. 1426-1432. Electrochimica Acta 50、2004、p817−821Electrochimica Acta 50, 2004, p817-821

上記のように白金の量を低減した触媒の開発が進められているものの、白金を超える性能の触媒の開発はいまだ達成されていない。上記の非特許文献2の方法では、触媒の分散を向上させるためカーボン担体を使用しており、電極厚みが増大することで電気抵抗が増大して電極触媒性能が低下する。また、触媒活性点の量を増やすことで触媒性能を向上することはできるが、触媒の質は向上させていないため、触媒性能には限界があった。   Although the development of a catalyst with a reduced amount of platinum has been promoted as described above, the development of a catalyst having a performance exceeding that of platinum has not yet been achieved. In the method of Non-Patent Document 2 described above, a carbon support is used in order to improve the dispersion of the catalyst. As the electrode thickness increases, the electrical resistance increases and the electrode catalyst performance decreases. Further, although the catalyst performance can be improved by increasing the amount of the catalyst active site, the catalyst performance has been limited because the quality of the catalyst has not been improved.

そこで本発明の課題は、白金を使わずとも充分な電池性能を発揮可能な燃料電池用の触媒を提供することにある。特に、アノード極,カソード極の反応を活性化させる燃料電池用の触媒を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell catalyst capable of exhibiting sufficient cell performance without using platinum. In particular, an object of the present invention is to provide a fuel cell catalyst that activates the reaction between the anode and cathode.

上記課題を解決するためには、触媒の質である触媒比活性を向上させることが必要である。本発明は、電極触媒の活性成分として、白金以外の金属から構成される粒径200Å以下の金属クラスタ触媒を使用する。また、燃料電池用電極を、当該金属クラスタ粒子と電解質膜から構成する。その結果、活性金属の表面積当たりの触媒性能を向上させることができる。   In order to solve the above problems, it is necessary to improve the specific catalyst activity which is the quality of the catalyst. In the present invention, a metal cluster catalyst having a particle size of 200 mm or less composed of a metal other than platinum is used as an active component of the electrode catalyst. The fuel cell electrode is composed of the metal cluster particles and an electrolyte membrane. As a result, the catalyst performance per surface area of the active metal can be improved.

上記課題を解決する本願発明の特徴は、酸素原子の吸着点となる金属クラスタを最適な距離を確保して分散させる分散剤を用いる触媒の製造方法にある。金属クラスタは酸素原子の吸着点となる。金属クラスタを最適な距離を確保して分散することで、供給される酸素原子が過不足なく金属クラスタ上に形成された酸素格子欠陥に取り込まれ、酸素還元反応が容易に反応できる。分散剤としては、窒素原子を含有することが好ましく、ポリビニルピロリジン(以下、PVPと略す),1−メチルイミダゾールなどがある。   A feature of the present invention that solves the above-described problem resides in a method for producing a catalyst using a dispersing agent that disperses metal clusters serving as adsorption points of oxygen atoms while ensuring an optimum distance. Metal clusters serve as adsorption points for oxygen atoms. By ensuring that the metal clusters are dispersed at an optimum distance, the supplied oxygen atoms can be taken into oxygen lattice defects formed on the metal clusters without excess or deficiency, and the oxygen reduction reaction can be easily reacted. The dispersant preferably contains a nitrogen atom, and includes polyvinylpyrrolidine (hereinafter abbreviated as PVP), 1-methylimidazole, and the like.

金属クラスタ同士が近づきすぎると、金属クラスタ同士が凝集し、その結果、金属クラスタの粒径が増大し、活性金属単位重量当たりの反応に有効となる表面積が減少する。金属クラスタ間の最適な距離とは、金属クラスタの粒径よりも大きな距離であり、このような距離を確保して金属クラスタを分散させることが重要である。   When the metal clusters are too close to each other, the metal clusters are aggregated. As a result, the particle size of the metal clusters increases, and the surface area effective for the reaction per unit weight of the active metal decreases. The optimum distance between the metal clusters is a distance larger than the particle size of the metal clusters, and it is important to secure the distance to disperse the metal clusters.

上記構成によれば、触媒活性成分となる金属クラスタを微粒化することで、触媒表面積当たりの性能、つまり触媒の質を大幅に向上させることができ、高活性の金属クラスタ粒子よりなる燃料電池用触媒を提供することができる。また、高効率の燃料電池用電極を提供することができる。   According to the above configuration, the performance per catalyst surface area, that is, the quality of the catalyst can be greatly improved by atomizing the metal cluster as the catalytically active component, and for fuel cells made of highly active metal cluster particles. A catalyst can be provided. In addition, a highly efficient fuel cell electrode can be provided.

金属クラスタは、電解質膜に直接担持して使用することが好ましい。通常は、触媒活性点の量、つまり表面積を増大する目的で金属クラスタをカーボン担体に担持している。しかしカーボン担体を用いると電極触媒が厚くなるため電気抵抗が大きくなる、またガスの拡散が悪くなるため電極反応が進行しにくくなるという問題点も生じる。本発明では、触媒の活性金属である金属クラスタの電極反応活性が極めて高いため、担体に分散させなくても高活性の電極触媒を提供することが可能である。   The metal cluster is preferably used by directly supporting it on the electrolyte membrane. Usually, metal clusters are supported on a carbon support for the purpose of increasing the amount of catalyst active sites, that is, the surface area. However, when the carbon support is used, the electrode catalyst becomes thick, so that the electric resistance is increased, and the gas diffusion becomes worse, so that the electrode reaction is difficult to proceed. In the present invention, since the electrode reaction activity of the metal cluster which is the active metal of the catalyst is extremely high, it is possible to provide a highly active electrode catalyst without being dispersed on the support.

本発明で特に注目し、検討,評価した金属クラスタの特徴は、クラスタ中に異なる価数の金属を有することである。これまでの検討によると、価数は、0価のものと、2価以上のものとが混在することが好ましい。例えば、金属クラスタがパラジウムを含み、パラジウムの価数が0価のものと2価より大きい価数のものとを含むことが好ましい。さらにその際、0価のパラジウム原子より、2価より大きい価数のパラジウム原子の割合が多いことが望ましい。   A feature of metal clusters that have been particularly noted, studied and evaluated in the present invention is that the clusters have different valence metals. According to the examination so far, it is preferable that the valence is a mixture of a valence of 0 and a valence of 2 or more. For example, it is preferable that the metal cluster includes palladium, and the palladium valence includes zero valence and valence higher than divalence. Further, at that time, it is desirable that the proportion of palladium atoms having a valence greater than divalent is larger than that of zero-valent palladium atoms.

本願の触媒は、PEFCやDMFC等のいずれの燃料電池、またアノード電極とカソード電極のいずれの電極にも使用可能である。上記の金属クラスタ触媒を電解質膜に直接担持して使用できる。上記本願の触媒により、白金を使わず、または白金量を低減して電極触媒を構成することにより、白金を用いた触媒よりも使用金属の価格当たりの電極性能を向上した触媒を提供することができ、燃料電池のコストの低減が可能となる。   The catalyst of the present application can be used for any fuel cell such as PEFC or DMFC, and any electrode of an anode electrode and a cathode electrode. The metal cluster catalyst can be used by directly supporting it on the electrolyte membrane. By providing the electrode catalyst without using platinum or by reducing the amount of platinum by using the catalyst of the present application, it is possible to provide a catalyst with improved electrode performance per price of the metal used than the catalyst using platinum. It is possible to reduce the cost of the fuel cell.

さらに本発明の特徴は、上記の燃料電池を備えた携帯用電子機器または燃料電池システムにある。   Further, the present invention is characterized in a portable electronic device or a fuel cell system provided with the above fuel cell.

本発明は、クラスタの分散には炭素担体を使用しないか、使用しても少量であることが好ましい。具体的には、触媒中の炭素重量割合20%以下とすることが好ましい。従来の燃料電池用の電極の触媒では、活性成分となる白金40〜50wt%に対し、カーボン担体約50〜60wt%をもちいる。導電性の高いカーボン担体(ケッチェンブラックECまたはバルカンXC−72R)であっても、電気抵抗が高くなるという影響がある。カーボン担体の量を可能な限り低減するか、または担体を使用せずに活性金属だけから構成される触媒を適用することにより、触媒での電気抵抗を低減することができる。   In the present invention, it is preferable that a carbon carrier is not used for dispersing the clusters, or a small amount is used even if it is used. Specifically, the carbon weight ratio in the catalyst is preferably 20% or less. In a conventional catalyst for an electrode for a fuel cell, about 50 to 60 wt% of a carbon carrier is used for 40 to 50 wt% of platinum as an active component. Even a highly conductive carbon support (Ketjen Black EC or Vulcan XC-72R) has the effect of increasing the electrical resistance. By reducing the amount of the carbon support as much as possible, or by applying a catalyst composed only of an active metal without using a support, the electrical resistance at the catalyst can be reduced.

また、本発明の金属クラスタは50Å以下の微粒子で、金属クラスタだけで高い性能を発現できるため、触媒中のカーボン担体量は極力低減できる。   In addition, the metal cluster of the present invention is a fine particle of 50 mm or less, and can exhibit high performance only with the metal cluster, so that the amount of carbon support in the catalyst can be reduced as much as possible.

上記本発明によれば、従来の燃料電池用白金触媒よりも使用金属の価格当たりの電極性能を向上した触媒を提供できる。従って、この触媒を燃料電池の電極触媒に適用することで、低コストの燃料電池システムを実現可能とする。   According to the present invention, it is possible to provide a catalyst with improved electrode performance per price of metal used compared to conventional platinum catalysts for fuel cells. Therefore, a low-cost fuel cell system can be realized by applying this catalyst to an electrode catalyst of a fuel cell.

本発明の触媒製造方法及びこれを用いて作製した燃料電池用電極は、触媒の活性金属となる該金属クラスタ粒径を小さくすることにより、前記活性金属の表面積当たりの触媒性能を向上し、本触媒製造方法で作製した金属クラスタを、直接、電解質膜上に分散することを特徴とする。この燃料電池用電極では従来、金属クラスタを分散する目的で使用していたカーボン担体を使用しなくても良い。触媒製造では分散剤を用いることで、酸素原子の吸着点となる金属クラスタを最適な距離を確保して分散することで、供給される酸素原子が過不足なく金属クラスタ上に形成された酸素格子欠陥に取り込まれることで、酸素還元反応が容易に反応できるようにするものである。   The catalyst manufacturing method of the present invention and a fuel cell electrode produced using the same improve the catalyst performance per surface area of the active metal by reducing the particle size of the metal cluster that becomes the active metal of the catalyst. The metal cluster produced by the catalyst production method is directly dispersed on the electrolyte membrane. In this fuel cell electrode, it is not necessary to use a carbon support that has been used for the purpose of dispersing metal clusters. In the catalyst production, a dispersing agent is used to disperse the metal clusters that serve as the adsorption points of oxygen atoms while ensuring an optimum distance, so that the oxygen lattices formed on the metal clusters without excess or deficiency are supplied. By being taken into the defect, the oxygen reduction reaction can be easily reacted.

本発明の燃料電池用の触媒は、異なる価数の金属原子を有する金属クラスタを用いたことを特徴とする。金属クラスタとは、金属間に結合をもつ3個以上の金属原子よりなる集団で周囲が配位子で覆われた分子と定義される。金属クラスタは、バルク金属(金属の単体)と金属錯体の中間に位置づけられる一群の特異な化合物である。燃料電池のカソードでの推測される反応機構を説明する。最初に触媒であるパラジウムクラスタ中のPd0が電解液中の水素イオンを吸着する。次にこの吸着サイトに隣接した、Pd2+以上の酸化された金属イオンが、吸着した水素と反応してH2Oを生成する。酸素が脱離して形成された酸素欠陥箇所には、カソード極に供給された空気中の酸素が取り込まれて、再度、水素イオンの吸着サイトを形成する。以上記述した反応経路を繰り返すことにより、(2)式に示す酸化反応を持続することが可能となる。 The catalyst for a fuel cell of the present invention is characterized by using metal clusters having metal atoms with different valences. A metal cluster is defined as a molecule consisting of a group of three or more metal atoms having a bond between metals and surrounded by a ligand. Metal clusters are a group of unique compounds that are positioned between bulk metals (a simple metal) and metal complexes. A presumed reaction mechanism at the cathode of the fuel cell will be described. First, Pd 0 in the palladium cluster as a catalyst adsorbs hydrogen ions in the electrolytic solution. Next, oxidized metal ions of Pd 2+ or more adjacent to the adsorption site react with the adsorbed hydrogen to generate H 2 O. Oxygen in the air supplied to the cathode electrode is taken into oxygen defect sites formed by desorption of oxygen, and hydrogen ion adsorption sites are formed again. By repeating the reaction route described above, the oxidation reaction shown in the formula (2) can be maintained.

価数は、0価と2価以上の価数が混在することが好ましい。特に、2価以上の価数の金属イオンのモル数が、0価の金属のモル数よりも大きいものが好ましい。特に、パラジウムでは、4価のパラジウムのモル数と0価のパラジウムのモル数の比率が0.38以上であることが好ましい。0価の金属のモル数の割合が20〜50%、2価の金属の割合が20〜50%、4価の金属の割合が10〜50%の範囲に入ることが好ましい。   The valence is preferably a mixture of zero and two or more valences. In particular, the number of moles of divalent or higher valent metal ions is preferably larger than the number of moles of zero-valent metal. In particular, for palladium, the ratio of the number of moles of tetravalent palladium to the number of moles of zero-valent palladium is preferably 0.38 or more. The ratio of the number of moles of the zero-valent metal is preferably in the range of 20 to 50%, the ratio of the divalent metal is 20 to 50%, and the ratio of the tetravalent metal is in the range of 10 to 50%.

金属クラスタの粒径は、160Å以下であることが好ましい。特に、パラジウムクラスタの場合には、粒径は40Åから160Åの範囲が好ましい。   The particle size of the metal cluster is preferably 160 mm or less. In particular, in the case of palladium clusters, the particle size is preferably in the range of 40 to 160 inches.

金属クラスタは、金,タングステン,銅,コバルト,ニッケル,鉄,マンガン,パラジウム,レニウム,オスニウム,イリジウム,ロジウム,ルテニウム及び白金のいずれかが考えられる。特にパラジウムを使用することが好ましい。貴金属の中では、金属単体の活性は、白金が最も高く、継いでロジウム,パラジウムの順に活性が高い。一方、価格に関しては、この逆となる。よって、パラジウムはもっとも価格が低く、活性を高くすることができる可能性がある。触媒中のパラジウムの含有量は、5重量%から50重量%の範囲が好ましい。   The metal cluster may be any of gold, tungsten, copper, cobalt, nickel, iron, manganese, palladium, rhenium, osmium, iridium, rhodium, ruthenium and platinum. It is particularly preferable to use palladium. Among precious metals, platinum has the highest activity of single metal, followed by rhodium and palladium in the order of activity. On the other hand, the opposite is true for prices. Therefore, palladium has the lowest price and may have a high activity. The content of palladium in the catalyst is preferably in the range of 5 to 50% by weight.

金属クラスタは、電解質膜に直接担持して使用することが好ましい。触媒活性点の量、つまり表面積を増大する目的で、通常は、金属クラスタをカーボン担体に担持している。しかしカーボン担体を用いると電極触媒が厚くなるため電気抵抗が大きくなる、またガスの拡散が悪くなるため電極反応が進行しにくくなる。本発明は、担体に分散させなくても活性が高い金属クラスタであるので、担体を用いる必要がなくなるためである。   The metal cluster is preferably used by directly supporting it on the electrolyte membrane. In order to increase the amount of catalytically active sites, that is, the surface area, metal clusters are usually supported on a carbon support. However, when the carbon support is used, the electrode catalyst becomes thick, so that the electric resistance increases, and the gas diffusion becomes worse, so that the electrode reaction does not proceed easily. This is because the present invention eliminates the need to use a carrier because it is a metal cluster having high activity without being dispersed in the carrier.

上記の電気量は、サイクリックボルタムメトリにより水素脱離ピークを計測し、その結果から算出される。   The amount of electricity is calculated from the result of measuring the hydrogen desorption peak by cyclic voltammetry.

(数3)
触媒吸着点−H → H++e- …(3)
(Equation 3)
Catalyst adsorption point -H → H + + e (3)

(3)式に示すように触媒活性点に吸着した水素が水素イオンとなり電子を放出する。この時の電気量は電位を変化した時に変化する電流を測定し、この時に描写される水素脱離ピークの面積から定量化することができる。   As shown in the equation (3), hydrogen adsorbed on the catalyst active site becomes hydrogen ions and emits electrons. The quantity of electricity at this time can be quantified from the area of the hydrogen desorption peak depicted at this time by measuring the current that changes when the potential is changed.

本実施例では、Pdクラスタを導電性カーボン担体に担持した触媒の作製方法について説明する。   In this example, a method for producing a catalyst in which a Pd cluster is supported on a conductive carbon support will be described.

(Pdクラスタ合成法)
Pdクラスタの合成では、金田らの方法(Langmuir、2002、p.1849〜1855)を参考とした。この製造法は2種類のPd4クラスタを合成し、最終的にPd2060(NO3)360(CH3COO)36080クラスタを合成するものである。特に、クラスタ合成に分散剤PVPを適用した例である。
(Pd cluster synthesis method)
In the synthesis of Pd clusters, the method of Kaneda et al. (Langmuir, 2002, p. 1849 to 1855) was used as a reference. In this manufacturing method, two types of Pd 4 clusters are synthesized, and finally, Pd 2060 (NO 3 ) 360 (CH 3 COO) 360 O 80 clusters are synthesized. In particular, this is an example in which the dispersant PVP is applied to cluster synthesis.

酢酸パラジウム0.93gと酢酸92.7ccをフラスコに入れ、これをオイルバス内に設置し、攪拌しながら50℃に加熱した。この溶液にガラスピペットをノズルとして、10%−CO/N2ガスをバブリングさせた。ガス流量500cc/min、通気時間6時間とした。所定時間COを通気するとフラスコ底に黄色沈殿物が生成した。黄色沈殿物を紛れ込ませないように残った酢酸をデカンテーションした後、わずかに残った酢酸を真空排気し、酢酸がなくなった時点から30分間真空排気処理し、乾燥した黄色沈殿物を得た。黄色沈殿物は、Pd4(CO)4(CH3COO)4・2CH3COOH(略称:PCA)クラスタである。 0.93 g of palladium acetate and 92.7 cc of acetic acid were placed in a flask, which was placed in an oil bath and heated to 50 ° C. with stirring. 10% -CO / N 2 gas was bubbled into this solution using a glass pipette as a nozzle. The gas flow rate was 500 cc / min and the ventilation time was 6 hours. When CO was bubbled for a predetermined time, a yellow precipitate was formed at the bottom of the flask. The remaining acetic acid was decanted so that the yellow precipitate was not mixed in, and then a slight amount of remaining acetic acid was evacuated, and evacuated for 30 minutes from the point when the acetic acid ceased to be obtained, thereby obtaining a dried yellow precipitate. The yellow precipitate is a Pd 4 (CO) 4 (CH 3 COO) 4 .2CH 3 COOH (abbreviation: PCA) cluster.

PCAを0.39g、1,10−フェナントロレン一水和物を0.175g、分散剤である、ポリビニルピロリジンを0.386g,酢酸を7cc,二口フラスコに入れ、室温−大気下で42分間攪拌した。   0.39 g of PCA, 0.175 g of 1,10-phenanthrolene monohydrate, 0.386 g of polyvinylpyrrolidine as a dispersant, 7 cc of acetic acid, 7 cc of acetic acid, and put in a two-necked flask at room temperature-atmosphere Stir for minutes.

上記フラスコにCu(NO3)2・3H2Oを0.012g添加した後、フラスコ内を真空排気し、注射針を取り付けたテトラバックからフラスコ内へO2ガスを供給した。酸素雰囲気のフラスコをオイルバス内に設置し、90℃で39分間攪拌し、黒色沈殿物として、最終生成物であるPd1クラスタを得た。上記触媒製造法において、分散剤を使用しない方法でもクラスタ触媒を作製して、両者の性能を比較した。 After adding 0.012 g of Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O to the flask, the inside of the flask was evacuated, and O 2 gas was supplied into the flask from a tetra bag equipped with an injection needle. An oxygen atmosphere flask was placed in an oil bath and stirred at 90 ° C. for 39 minutes to obtain a Pd1 cluster as a final product as a black precipitate. In the above catalyst production method, a cluster catalyst was also produced by a method using no dispersant, and the performances of the two were compared.

(Pd1クラスタのカーボン担体担持法)
シュレンク管に炭素担体とPdクラスタを入れ、これに1−メチルイミダゾールを添加した。Pd1クラスタの添加量はPd担持率が約45wt%となるようにした。ここで使用した炭素担体は、導電性カーボンブラック担体(以下、C1)である。これらの混合物を室温で1時間攪拌した。攪拌後、溶媒をろ過した後、蒸留水で洗浄して、一昼夜、風乾した。その後、水素雰囲気または空気雰囲気下で焼成することで、残留した分散剤を分解して、Pd1クラスタをカーボンブラック担体に担持した触媒(以下、Pd1クラスタ/C1)を最終的に作製した。このように、クラスタの担体への含浸に分散剤を適用することができる。
(Carbon support method of Pd1 cluster)
A Schlenk tube was charged with a carbon support and a Pd cluster, and 1-methylimidazole was added thereto. The amount of Pd1 cluster added was such that the Pd loading was about 45 wt%. The carbon support used here is a conductive carbon black support (hereinafter C1). These mixtures were stirred at room temperature for 1 hour. After stirring, the solvent was filtered, washed with distilled water, and air-dried overnight. Thereafter, the remaining dispersant was decomposed by firing in a hydrogen atmosphere or an air atmosphere to finally produce a catalyst having Pd1 clusters supported on a carbon black support (hereinafter referred to as Pd1 clusters / C1). Thus, the dispersant can be applied to impregnate the cluster into the carrier.

分散剤について、以下詳細を説明する。分散剤としては、窒素酸化物を有するものを用いる。PVPおよび1−メチルイミダゾールの分子構造を図(図1)に示す。PVPは図示するモノマー単位から形成される高分子である。両者とも分子中に窒素原子を含んでおり、この窒素原子中の孤立電子対がクラスタ中の金属に配位することでクラスタと溶媒の親和性が高くなり、クラスタが溶媒中に分散し易くなると考えられる。   Details of the dispersant will be described below. As the dispersant, one having nitrogen oxide is used. The molecular structure of PVP and 1-methylimidazole is shown in the figure (FIG. 1). PVP is a polymer formed from the monomer units shown. Both of them contain a nitrogen atom in the molecule, and when the lone pair in the nitrogen atom coordinates to the metal in the cluster, the affinity between the cluster and the solvent increases, and the cluster becomes easier to disperse in the solvent. Conceivable.

次に、実施例1で製造した、分散剤を用いて作製したPd1クラスタの触媒性能(●)を、分散剤を用いないで作製したPdクラスタ触媒(○)と比較した。   Next, the catalyst performance (●) of the Pd1 cluster produced using the dispersant produced in Example 1 was compared with the Pd cluster catalyst (◯) produced without using the dispersant.

図2に、実施例1で製造したPdクラスタ/C1触媒、分散剤を用いないで作製したPdクラスタ触媒について、カソード用電極触媒の性能指標となる、触媒表面積当たりの酸素還元活性を評価した結果を示す。Pt触媒の成分は、両触媒とも約45w%がパラジウム金属で残りはカーボンブラックである。   FIG. 2 shows the result of evaluating the oxygen reduction activity per catalyst surface area, which is a performance index of the cathode electrode catalyst, for the Pd cluster / C1 catalyst produced in Example 1 and the Pd cluster catalyst produced without using a dispersant. Indicates. As for the components of the Pt catalyst, about 45 w% of both catalysts is palladium metal and the rest is carbon black.

作製した電極触媒の酸素還元活性の測定方法を以下に示す。酸素還元活性は、回転ディスク電極法によって行った。この手法は、反応物質の供給量がディスク電極の角速度ω(rad/s)の1/2乗に比例することを利用して、拡散の影響を排除して活性を評価できる特徴がある。電解液はH2SO4溶液で、測定前に1時間以上O2バブリングを行った。測定温度は35℃である。酸素還元活性測定は走印速度10mV/s、走印範囲0.2〜1.1V vs. NHEで行った。また酸素還元活性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400,625,900,1600,2500rpmである。酸素の還元電流は回転数が速くなるにしたがって、反応物質の供給量が増えるため増加する。測定された0.7V vs. NHEにおける電流値I(mA)の逆数と、電極の角速度ω(rad/s)の−1/2乗の関係は、(4)式に示すKoutecky−Levich式で表される。 A method for measuring the oxygen reduction activity of the produced electrode catalyst is shown below. The oxygen reduction activity was performed by the rotating disk electrode method. This method is characterized in that the activity can be evaluated by eliminating the influence of diffusion by utilizing the fact that the supply amount of the reactant is proportional to the 1/2 power of the angular velocity ω (rad / s) of the disk electrode. The electrolyte was an H 2 SO 4 solution, and O 2 bubbling was performed for 1 hour or more before measurement. The measurement temperature is 35 ° C. The measurement of oxygen reduction activity was performed at a stamping speed of 10 mV / s and a stamping range of 0.2 to 1.1 V vs. NHE. When measuring the oxygen reduction activity, the disk electrode of the working electrode was rotated at various rotational speeds. The rotation speed is 400, 625, 900, 1600, 2500 rpm. The reduction current of oxygen increases as the number of reactants supplied increases as the rotational speed increases. The relationship between the reciprocal of the measured current value I (mA) at 0.7 V vs. NHE and the -1/2 power of the angular velocity ω (rad / s) of the electrode is the Koutecky-Levich equation shown in equation (4). expressed.

Figure 2009283213
Figure 2009283213

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。(4)式において、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。したがって得られた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。空気極の性能である酸素還元電流iRは(5)式から求めて、 Where i K : activity-dominated current (mA), n: number of reaction electrons, F: Faraday constant (c / mol), A: geometric area of disk electrode (cm 2 ), c: activity of reactant (mol / ml) ), D: diffusion coefficient of reactant (cm 2 / s), v: kinematic viscosity coefficient (cm 2 / s) of the solution, and relationship between electrode rotation speed f (rpm) and angular velocity ω (rad / s) Is ω = 2πf / 60. In equation (4), the reciprocal of i K can be obtained from the intercept of ω −1/2 = 0 (ω = ∞, that is, the amount of reactant supplied is infinite). The i K thus obtained is the net activity of the catalyst without the influence of reactant diffusion. The oxygen reduction current i R that is the performance of the air electrode is obtained from the equation (5),

(数5)
R=iK/wM …(5)
(Equation 5)
i R = i K / w M (5)

ここでwMは評価した触媒中の活性金属重量(mg)である。 Here, w M is the weight (mg) of active metal in the evaluated catalyst.

次に触媒表面積当たりの性能を算出する方法について下記に説明する。   Next, a method for calculating the performance per catalyst surface area will be described below.

触媒性能は触媒活性点の量(表面積)と質(表面積当たりの性能)で左右される。触媒表面積が大きくなると反応を活性化する場が多くなるため性能が向上する。本実施例ではより高い性能を発現するために必要な触媒活性点の表面積当たりの性能を評価した。   The catalyst performance depends on the amount (surface area) and quality (performance per surface area) of the catalyst active site. As the surface area of the catalyst increases, the number of fields for activating the reaction increases, so the performance improves. In this example, the performance per surface area of the catalyst active point necessary for expressing higher performance was evaluated.

各触媒の測定したH脱離ピークの面積に相当する活性金属単位重量当たりの電気量は活性金属単位重量あたりの表面積の大小を現す指標となる。サイクリックボルタムメトリで、各触媒の測定したH脱離ピークの面積に相当する活性金属単位重量当たりの電気量を表2に示す。単位「c」はサイクリックボルタムメトリでH脱離ピークの面積から求まる電気量(活性点の表面積が広い程大きい)である。よってc/gは触媒単位重量あたりの表面積の大小を現す指標である。   The amount of electricity per unit weight of active metal corresponding to the area of the H desorption peak measured for each catalyst is an index representing the size of the surface area per unit weight of active metal. Table 2 shows the amount of electricity per unit weight of the active metal corresponding to the H desorption peak area measured for each catalyst by cyclic voltammetry. The unit “c” is a quantity of electricity determined by the area of the H desorption peak in cyclic voltammetry (the larger the surface area of the active site). Therefore, c / g is an index representing the size of the surface area per unit weight of the catalyst.

(数6)
W=SH/wM …(6)
(Equation 6)
S W = S H / w M (6)

よって、表面積当たりの性能は(7)式となる。   Therefore, the performance per surface area is expressed by equation (7).

(数7)
R/SW …(7)
(Equation 7)
i R / S W (7)

横軸は電位、縦軸は、評価した範囲での最高性能の値を1.0とした時の、酸素還元電流の相対値である。同じ電位で酸素還元電流の相対値が大きい程、カソード電極触媒性能は高い。分散剤を用いて作製した、Pd1クラスタ/C1触媒の0.5V時の酸素還元電流値を1.0としたところ、0.7V以下の電圧領域では、Pdクラスタ/C1触媒の性能は、分散剤を使用しないPdクラスタ触媒に比べて、より高い性能を示した。性能は、例えば0.5Vで4.8倍、0.6Vで2.1倍、0.7Vで1.4倍であった。   The horizontal axis represents the potential, and the vertical axis represents the relative value of the oxygen reduction current when the maximum performance value in the evaluated range is 1.0. The larger the relative value of the oxygen reduction current at the same potential, the higher the cathode electrode catalyst performance. When the oxygen reduction current value at 0.5 V of the Pd1 cluster / C1 catalyst produced using the dispersant was set to 1.0, the performance of the Pd cluster / C1 catalyst was dispersed in a voltage region of 0.7 V or less. Compared to the Pd cluster catalyst without using the agent, it showed higher performance. The performance was, for example, 4.8 times at 0.5 V, 2.1 times at 0.6 V, and 1.4 times at 0.7 V.

次に、Pdクラスタの製法による触媒性能の違いを検討した。   Next, the difference in catalyst performance by the production method of Pd clusters was examined.

PCAを作製するまでの方法は、実施例1と同様であるが、次に示す工程で分散剤を添加した。PCAを作製した、フラスコにCu(NO3)2・3H2Oを0.0156g、分散剤である、ポリビニルピロリジンを0.521g添加した後、フラスコ内を真空排気し、注射針を取り付けたテトラバックからフラスコ内へO2ガスを供給した。酸素雰囲気のフラスコをオイルバス内に設置し、90℃で52分間攪拌し、黒色沈殿物として、最終生成物であるPd2クラスタを得た。 The method up to the production of PCA is the same as in Example 1, but a dispersant was added in the following steps. After the addition of 0.0156 g of Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O and 0.521 g of polyvinyl pyrrolidine as a dispersant, the flask was evacuated and tetra O 2 gas was supplied from the back into the flask. A flask in an oxygen atmosphere was placed in an oil bath and stirred at 90 ° C. for 52 minutes to obtain a Pd2 cluster as a final product as a black precipitate.

(Pd2クラスタのカーボン担体担持法)
シュレンク管に炭素担体とPd2クラスタを入れ、これに1−メチルイミダゾールを添加した。Pd2クラスタの添加量はPd担持率が約45wt%となるようにした。ここで使用した炭素担体は、導電性カーボンブラック担体(以下、C1)である。これらの混合物を室温で1時間攪拌した。攪拌後、溶媒をろ過した後、蒸留水で洗浄して、一昼夜、風乾した。その後、水素雰囲気または空気雰囲気下で焼成することで、残留した分散剤を分解して、Pd2クラスタをカーボンブラック担体に担持した触媒(以下、Pd2クラスタ/C1)を作製した。
(Pd2 cluster carbon support method)
A Schlenk tube was charged with a carbon support and a Pd2 cluster, and 1-methylimidazole was added thereto. The amount of Pd2 cluster added was such that the Pd loading was about 45 wt%. The carbon support used here is a conductive carbon black support (hereinafter C1). These mixtures were stirred at room temperature for 1 hour. After stirring, the solvent was filtered, washed with distilled water, and air-dried overnight. Thereafter, the remaining dispersant was decomposed by firing in a hydrogen atmosphere or an air atmosphere to prepare a catalyst (hereinafter referred to as Pd2 cluster / C1) having Pd2 clusters supported on a carbon black carrier.

次に、実施例3で製造した、分散剤を用いて作製したPd2クラスタの触媒性能(■)を、分散剤を用いないで作製したPdクラスタ触媒(○)と比較した。   Next, the catalyst performance (■) of the Pd2 cluster produced using the dispersant produced in Example 3 was compared with the Pd cluster catalyst (◯) produced without using the dispersant.

図3の横軸は電位、縦軸は、評価した範囲での最高性能の値を1.0とした時の、酸素還元電流の相対値である。同じ電位で酸素還元電流の相対値が大きい程、カソード電極触媒性能は高い。分散剤を用いて作製した、Pd2クラスタ/C1触媒の0.4V時の酸素還元電流値を1.0としたところ、0.7V以下の電圧領域では、Pd2クラスタ/C1触媒の性能は、分散剤を使用しないPdクラスタ触媒に比べて、より高い性能を示した。性能は、分散剤を使用しないPdクラスタ触媒に比べて、例えば0.4Vで1.18倍、0.5Vで1.16倍、0.6Vで1.1倍、0.7Vで1.1倍であった。Pd2クラスタ/C1触媒の性能は、実施例2で作製したPd1クラスタ/C1触媒に比べると低下するが、この理由としては、触媒製造工程において、分散剤を実施例2よりも高温条件である90℃で添加したため、分散剤の一部分解したか、または合成したPdクラスタ金属がシンタリングした結果、活性金属粒径が大きくなり、その結果、小粒径化による触媒比活性向上効果が低減したためではないかと予想される。   The horizontal axis in FIG. 3 is the potential, and the vertical axis is the relative value of the oxygen reduction current when the maximum performance value in the evaluated range is 1.0. The larger the relative value of the oxygen reduction current at the same potential, the higher the cathode electrode catalyst performance. When the oxygen reduction current value at 0.4 V of the Pd2 cluster / C1 catalyst produced using the dispersant was set to 1.0, the performance of the Pd2 cluster / C1 catalyst was dispersed in a voltage region of 0.7 V or less. Compared to the Pd cluster catalyst without using the agent, it showed higher performance. The performance is, for example, 1.18 times at 0.4 V, 1.16 times at 0.5 V, 1.1 times at 0.6 V, and 1.1 times at 0.7 V compared to the Pd cluster catalyst that does not use a dispersant. It was twice. The performance of the Pd2 cluster / C1 catalyst is lower than that of the Pd1 cluster / C1 catalyst prepared in Example 2. This is because the dispersant is used in a higher temperature condition than in Example 2 in the catalyst production process. Since it was added at ℃, the active metal particle size was increased as a result of partial decomposition of the dispersant or sintering of the synthesized Pd cluster metal, and as a result, the effect of improving the catalyst specific activity by reducing the particle size was reduced. Is expected.

図4は、Pdクラスタ触媒を製造する工程で、分散剤を添加して作製した触媒(●)と、分散剤を添加しないで作製した触媒(○)について、横軸にX線光電子分光(XPS)測定から求めたPd4+モル数の割合とPd0モル数の割合の比率、縦軸に酸素還元電流の相対値を示すものである。分散剤を添加しないで作製した触媒で、最もPd4+/Pd0が大きかった触媒の酸素還元電流値を1.0とした場合の相対値(比活性)を示した。電位は0.6Vである。●1は実施例1で実施した、PCAからPd4クラスタを作製する過程で分散剤を添加して作製した触媒で、●2は実施例3で実施した、Pd4からPd2060クラスタを作製する工程で分散剤を添加して作製した触媒である。 FIG. 4 is a graph showing the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) on the horizontal axis of a catalyst produced by adding a dispersant (●) and a catalyst (◯) produced without adding a dispersant in the process of producing a Pd cluster catalyst. ) The ratio of the Pd 4+ mole number and the ratio of the Pd 0 mole ratio obtained from the measurement, and the vertical axis represents the relative value of the oxygen reduction current. The relative value (specific activity) when the oxygen reduction current value of the catalyst prepared without adding the dispersant and having the largest Pd 4+ / Pd 0 was 1.0 was shown. The potential is 0.6V. ● 1 is a catalyst prepared by adding a dispersing agent in the process of producing Pd 4 clusters from PCA, as in Example 1. ● 2 is a Pd 4 to Pd 2060 cluster produced in Example 3. This is a catalyst prepared by adding a dispersant in the process.

分析に使用した分析機器は島津/KRATOS社製(型式AXIS−HS)である。測定条件に関しては、X線源がモノクロAl(管電圧:15kV,管電流:15mA),レンズ条件がHYBRID(分析面積:600×1000μm2)、分解能はPass Energy 40、走査速度は20eV/min(0.1eVステップ)である。 The analytical instrument used for the analysis is Shimadzu / KRATOS (model AXIS-HS). Regarding the measurement conditions, the X-ray source was monochrome Al (tube voltage: 15 kV, tube current: 15 mA), the lens conditions were HYBRID (analysis area: 600 × 1000 μm 2 ), the resolution was Pass Energy 40, and the scanning speed was 20 eV / min ( 0.1 eV step).

Pd4+モル数の割合とPd0モル数の割合の比率が増大するにつれて、つまりPd0に対し、Pd4+が多くなるにつれて、酸素還元電流が大きくなった。従って、触媒中のPd4+モル数の割合とPd0モル数の割合の比率が大きくなるように触媒を製造すれば、触媒性能を高くすることができると考えられる。 As the ratio of the Pd 4+ mole ratio to the Pd 0 mole ratio increased, that is, as Pd 4+ increased with respect to Pd 0 , the oxygen reduction current increased. Therefore, it is considered that the catalyst performance can be improved if the catalyst is produced so that the ratio of the Pd 4+ mole ratio and the Pd 0 mole ratio in the catalyst is increased.

Pd2060クラスタ/C1には、複数の価数のパラジウムが含まれる。金属の価数と触媒活性の関係について検討した。以前、本発明(出願番号:2008−015752)に関連して出願した特許の明細書中で述べたように、カーボン担体に担持した、Pd2060クラスタ触媒での性能は、Pdクラスタ内に存在するPd4+とPd0価の存在割合の比率(Pd4+/Pd0)が増加すると向上した。この相関性を用いて、本発明で分散剤を添加して作製した2種類の触媒の触媒比活性とPd4+/Pd0をプロットした。図からわかるように、同じPd4+/Pd0の値で比較すると、分散剤を添加して作製した触媒で触媒性能が高くなり、Pd1クラスタ/C1触媒において最も高く、次にPd2クラスタ/C1触媒が高くなった。次に本発明の分散剤を使用した触媒において、同じPd4+/Pd0において触媒比活性が向上した要因について検討した。 The Pd 2060 cluster / C1 includes palladium having a plurality of valences. The relationship between metal valence and catalytic activity was investigated. As stated in the specification of patents previously filed in connection with the present invention (application number: 2008-015752), performance with Pd 2060 cluster catalysts supported on carbon supports exists within Pd clusters. As the ratio (Pd 4+ / Pd 0 ) of the existence ratio of Pd 4+ and Pd 0 valence increased, it improved. Using this correlation, the catalyst specific activity and Pd 4+ / Pd 0 of two types of catalysts prepared by adding a dispersant according to the present invention were plotted. As can be seen from the figure, when compared with the same value of Pd 4+ / Pd 0 , the catalyst performance increased with the catalyst prepared by adding the dispersant, the highest in the Pd1 cluster / C1 catalyst, and then the Pd2 cluster / C1. The catalyst became expensive. Next, in the catalyst using the dispersant of the present invention, the factors that improved the specific catalyst activity at the same Pd 4+ / Pd 0 were examined.

ここでPdクラスタ中に存在する、異なる価数のPd粒子の各々が、酸素還元反応においてどのような働きをするかを図5の反応メカニズムにおいて説明する。ここで、黒丸がPd0、薄い灰色がPd2+、濃い灰色がPd4+を示す。電解質中のH+がPd0に吸着し、Pd0と隣接する、Pd+、及びPd2+上の酸素とHが反応してH2Oを形成する。次に、その結果、生成する酸素格子欠陥がカソードに供給する空気中の酸素を取り込む。このサイクルが繰り返すことで、燃料電池のカソードでの酸素還元反応が進行する。 Here, how the Pd particles having different valences present in the Pd cluster function in the oxygen reduction reaction will be described in the reaction mechanism of FIG. Here, the black circle indicates Pd 0 , the light gray indicates Pd 2+ , and the dark gray indicates Pd 4+ . H + in the electrolyte is adsorbed on Pd 0, adjacent to the Pd 0, Pd +, and Pd 2+ on oxygen and H to form a reacted H 2 O. Next, as a result, oxygen lattice defects that are generated take in oxygen in the air supplied to the cathode. By repeating this cycle, the oxygen reduction reaction at the cathode of the fuel cell proceeds.

ここで図4のXPS結果から求めた触媒中のPd4+/Pd0と触媒性能との相関性と、図5の反応メカニズムを考慮して、図4の結果を言い換えると、同じ触媒性能を達成するためには、分散剤を用いて作製した触媒中に存在する、電解質中のH+の吸着点となるPd0が、分散剤を添加しない触媒と同じ量だけ存在した場合に、吸着したHを酸化する能力があるPd4+つまり、PdO2が少なくて済むということになる。 In consideration of the correlation between Pd 4+ / Pd 0 in the catalyst obtained from the XPS result of FIG. 4 and the catalyst performance and the reaction mechanism of FIG. 5, in other words, the result of FIG. To achieve this, Pd 0 that is the adsorption point of H + in the electrolyte present in the catalyst prepared using the dispersant was adsorbed when it was present in the same amount as the catalyst without added dispersant. Pd 4+ capable of oxidizing H, that is, less PdO 2 is required.

次に、図5で述べた反応機構を考慮して、分散剤を用いることでPdクラスタの分散を良くした場合に、触媒比活性が向上する理由について図6で説明する。図6(a)に示すようにPdクラスタ粒子の分散が悪くコロニーを形成した場合は、反応ガスである酸素の一部が酸素格子欠陥に取り込まれることができず、その結果、反応は進行しにくくなる。これに対してb)で示すように、Pdクラスタの分散が良い場合は、クラスタ上の酸素格子欠陥の全てが有効に酸素を取り込むことができる。   Next, in view of the reaction mechanism described in FIG. 5, the reason why the catalyst specific activity is improved when the dispersion of Pd clusters is improved by using a dispersant will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6 (a), when the Pd cluster particles are poorly dispersed to form a colony, a part of oxygen as a reaction gas cannot be taken into the oxygen lattice defects, and as a result, the reaction proceeds. It becomes difficult. On the other hand, as shown in b), when the dispersion of the Pd clusters is good, all of the oxygen lattice defects on the clusters can effectively take in oxygen.

図5で説明したように、Pd0に吸着した水素を酸化するのに必要な酸素は、供給する空気中の酸素が酸素格子欠陥に取り込まれることでPd上に補充され、反応サイクルが持続するので、反応に寄与できる酸素格子欠陥量は、酸化能力があるPd4+量に比例する。よって図6(b)に示すようなPdクラスタの分散が良い触媒では、少ない酸素格子欠陥の量、つまり少ないPd4+量で、図6(a)で示すコロニーを形成して分散が悪い触媒に比べて、同じ反応活性を発現することが可能となる。 As described with reference to FIG. 5, oxygen necessary for oxidizing the hydrogen adsorbed on Pd 0 is replenished onto Pd as oxygen in the supplied air is taken into oxygen lattice defects, and the reaction cycle continues. Therefore, the amount of oxygen lattice defects that can contribute to the reaction is proportional to the amount of Pd 4+ capable of oxidation. Therefore, in a catalyst having good dispersion of Pd clusters as shown in FIG. 6B, a catalyst having poor dispersion by forming colonies shown in FIG. 6A with a small amount of oxygen lattice defects, that is, a small amount of Pd 4+ . Compared to, it is possible to express the same reaction activity.

以上のように分散剤を添加して作製した、Pd1クラスタ/C1触媒及びPd2クラスタ/C1触媒の表面積当たりの性能、比活性は従来の分散剤を使用しない触媒に比較して、極めて高いため、従来触媒においてクラスタを分散する目的で使用していたカーボン担体を用いなくても高い性能を発揮することが可能となる。電極触媒においてカーボン担体を使用せずに、活性成分となる金属クラスタだけを担持できれば、電極厚みを従来よりも低減することで抵抗を低減でき、その結果、高い電極性能を得ることが可能となる。   Since the performance per specific surface area and specific activity of Pd1 cluster / C1 catalyst and Pd2 cluster / C1 catalyst prepared by adding a dispersant as described above are extremely high compared to a catalyst not using a conventional dispersant, High performance can be exhibited without using a carbon support that has been used for the purpose of dispersing clusters in conventional catalysts. If only the metal cluster as the active component can be supported without using a carbon carrier in the electrode catalyst, the resistance can be reduced by reducing the electrode thickness compared to the conventional one, and as a result, high electrode performance can be obtained. .

図7にPd1クラスタ/C1触媒の走査透過電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)観察結果から明らかになったPd粒子分散状態を示した。200,000倍の観察結果である、a)−1で黒点で示したPd粒子がカーボン担体上に分散して存在していることがわかる。また600,000倍に拡大した写真a)−2からは、約200Å以下の微粒子であることがわかる。よってPd1クラスタ/C1触媒ではPdクラスタの分散が良いため、図6(b)で示すような効果が期待できる。   FIG. 7 shows the dispersion state of Pd particles, which was clarified from the results of scanning transmission electron microscope (STEM) observation of Pd1 cluster / C1 catalyst. It can be seen that the Pd particles indicated by black dots in a) -1 which are 200,000-fold observation results are dispersed on the carbon support. Moreover, it can be seen from the photograph a) -2 magnified 600,000 times that the fine particles are about 200 mm or less. Therefore, in the Pd1 cluster / C1 catalyst, since the dispersion of the Pd cluster is good, the effect shown in FIG. 6B can be expected.

比較のため、図8に分散剤を添加しないで作製した触媒のSTEM写真を示す。   For comparison, FIG. 8 shows a STEM photograph of a catalyst prepared without adding a dispersant.

70,000倍の観察結果である、a)−1から判るようにPd粒子と考えられる約3,000Å程度のコロニー(二次粒子)が多数存在するのが観察された。また600,000倍に拡大した写真a)−2からは、コロニー内にはPdと考えられる50Å以下の粒子が凝集していることが判った。他の観察においてもa)−2と同様のコロニーが多く観察された。このようにPd粒子がコロニーを形成した場合、図6(a)に示すように、反応ガスである空気中の酸素がPdクラスタ表面上の酸素格子欠陥まで到達できなくなるので、触媒の比活性は低いものとなる。   As can be seen from a) -1, which is a 70,000-fold observation result, it was observed that there were many colonies (secondary particles) of about 3,000 cm which are considered to be Pd particles. Further, from the photograph a) -2 magnified 600,000 times, it was found that particles of 50 cm or less considered to be Pd were aggregated in the colony. In other observations, many colonies similar to a) -2 were observed. When Pd particles form colonies in this way, as shown in FIG. 6A, oxygen in the reaction gas, which cannot reach oxygen lattice defects on the Pd cluster surface, cannot be obtained. It will be low.

図9は分散剤PVPをPCAからPdクラスタ工程に添加して作製した触媒(○)とPVPをPdクラスタをカーボン担体に含浸する工程に添加して作製した触媒(△)の性能を比較した。両者とも残留したPVPを除去するために、大気雰囲気下で焼成した。図から判るように、分散剤PVPをPCAからPdクラスタ工程に添加して作製した触媒の性能がより高いことがわかった。   FIG. 9 compares the performance of the catalyst (◯) prepared by adding the dispersant PVP from PCA to the Pd cluster step and the catalyst (Δ) prepared by adding PVP to the step of impregnating the Pd cluster with the carbon support (Δ). Both were fired in an air atmosphere to remove residual PVP. As can be seen, the performance of the catalyst made by adding the dispersant PVP from the PCA to the Pd cluster process was found to be higher.

ポリビニルピロリジンおよび1−メチルイミダゾールの分子構造。Molecular structure of polyvinylpyrrolidine and 1-methylimidazole. Pd1クラスタ/C1触媒の電位と酸素還元電流相対値の関係。Relationship between potential of Pd1 cluster / C1 catalyst and relative value of oxygen reduction current. Pd2クラスタ/C1触媒の電位と酸素還元電流相対値の関係。Relationship between potential of Pd2 cluster / C1 catalyst and relative value of oxygen reduction current. Pd1クラスタ触媒の価数比と比活性相対値の関係。Relationship between valence ratio and specific activity relative value of Pd1 cluster catalyst. Pdクラスタでの反応メカニズム。Reaction mechanism in Pd clusters. Pdクラスタの分散性向上による性能向上。Improved performance due to improved dispersibility of Pd clusters. Pd1クラスタ/C1触媒の走査透過電子顕微鏡観察結果。Scanning transmission electron microscope observation result of Pd1 cluster / C1 catalyst. Pdクラスタ分散が悪い触媒の走査透過電子顕微鏡観察結果。Scanning transmission electron microscope observation result of a catalyst with poor Pd cluster dispersion. 分散剤添加方法を変えた触媒の電位と酸素還元電流相対値の関係。The relationship between the potential of the catalyst and the relative value of the oxygen reduction current when the dispersant addition method is changed.

Claims (8)

電解質膜と、前記電解質膜上に直接分散した触媒と、を有する燃料電池用電極であって、
前記触媒は粒径200Å以下の金属クラスタを含有することを特徴とする燃料電池用電極。
An electrode for a fuel cell having an electrolyte membrane and a catalyst directly dispersed on the electrolyte membrane,
The electrode for a fuel cell, wherein the catalyst contains a metal cluster having a particle size of 200 mm or less.
電解質膜と、前記電解質膜上に分散した触媒と、を有する燃料電池用電極であって、
前記触媒は粒径200Å以下の金属クラスタと、前記金属クラスタの分散を補助する炭素材とを有し、前記触媒中の前記炭素材の重量比が20wt%以下であることを特徴とする燃料電池用電極。
A fuel cell electrode comprising an electrolyte membrane and a catalyst dispersed on the electrolyte membrane,
The catalyst includes a metal cluster having a particle size of 200 mm or less and a carbon material that assists the dispersion of the metal cluster, and a weight ratio of the carbon material in the catalyst is 20 wt% or less. Electrode.
請求項1または2に記載された燃料電池用電極であって、
前記金属クラスタは、価数が0価の金属と、価数が2価以上の金属とを含むことを特徴とする燃料電池用電極。
A fuel cell electrode according to claim 1 or 2,
The electrode for a fuel cell, wherein the metal cluster includes a metal having a valence of 0 and a metal having a valence of 2 or more.
請求項1または2に記載された燃料電池用電極であって、
前記金属クラスタは、価数が0価のパラジウムと、価数が2価以上のパラジウムとを含むことを特徴とする燃料電池用電極。
A fuel cell electrode according to claim 1 or 2,
The electrode for a fuel cell, wherein the metal cluster contains palladium having a valence of 0 and palladium having a valence of 2 or more.
請求項1または2に記載された燃料電池用電極であって、
前記金属クラスタは金,タングステン,銅,コバルト,ニッケル,鉄,マンガン,パラジウム,レニウム,オスニウム,イリジウム,ロジウム,ルテニウム及び白金の少なくともいずれかの金属を含有することを特徴とする燃料電池用電極。
A fuel cell electrode according to claim 1 or 2,
The electrode for a fuel cell, wherein the metal cluster contains at least one of gold, tungsten, copper, cobalt, nickel, iron, manganese, palladium, rhenium, osmium, iridium, rhodium, ruthenium and platinum.
請求項3に記載された燃料電池用電極において、
前記価数が2価以上の金属のモル数が0価の金属のモル数よりも多いことを特徴とする燃料電池用電極。
The fuel cell electrode according to claim 3, wherein
An electrode for a fuel cell, wherein the number of moles of a metal having a valence of 2 or more is larger than the number of moles of a metal having a valence of 0.
金属化合物から酸素雰囲気下で金属のクラスタを合成する工程と、電解質膜に前記金属クラスタを分散させる工程を有する燃料電池用電極の製造方法であって、
前記電解質膜に窒素原子を有する有機物よりなる分散剤を用いて前記金属クラスタを分散させることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。
A method for producing an electrode for a fuel cell, comprising a step of synthesizing metal clusters from a metal compound in an oxygen atmosphere, and a step of dispersing the metal clusters in an electrolyte membrane,
A method for producing an electrode for a fuel cell, wherein the metal cluster is dispersed in the electrolyte membrane using a dispersant made of an organic substance having nitrogen atoms.
請求項7に記載された燃料電池用電極の製造方法であって、前記金属クラスタは担体上に担持され、前記電解質膜に分散されていることを特徴とする燃料電池用電極の製造方法。   8. The method for manufacturing a fuel cell electrode according to claim 7, wherein the metal cluster is supported on a carrier and dispersed in the electrolyte membrane.
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