JP2011249226A - Method of manufacturing fuel cell catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用触媒の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a fuel cell catalyst.
燃料電池は、環境への悪影響がほとんどない発電システムとして注目されている。とくに、イオン交換膜を電解質として使用する固体高分子形燃料電池は、作動温度が低いこと、および小形化が可能であることから、車載用の電源などとして有望視されている。 Fuel cells are attracting attention as power generation systems that have little negative impact on the environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using an ion exchange membrane as an electrolyte is considered promising as an in-vehicle power source because it has a low operating temperature and can be miniaturized.
このような、燃料電池に用いる電極は、導電性材料と、イオン交換樹脂と、触媒金属とを含む。この電極を高分子電解質膜の両方の面に備えた燃料電池のアノードおよびカソードに、水素を含むガスおよび酸素を含むガスをそれぞれ供給すると、アノードおよびカソードでは、以下の反応が進行して電力が得られる。
アノード:2H2→4H++4e−
カソード:O2+4H++4e−→2H2O
全体:2H2+O2→2H2O
Such an electrode used for a fuel cell includes a conductive material, an ion exchange resin, and a catalyst metal. When a gas containing hydrogen and a gas containing oxygen are respectively supplied to the anode and cathode of a fuel cell equipped with this electrode on both sides of the polymer electrolyte membrane, the following reaction proceeds at the anode and cathode to generate power. can get.
Anode: 2H 2 → 4H + + 4e −
Cathode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O
Overall: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
上記の反応は、イオン交換樹脂のクラスター部と呼ばれるプロトン伝導経路と導電性材料との接面に形成された反応サイトでおこる。上記の反応を促進させるためには、反応サイトに触媒活性の高い触媒金属を効率よく担持させることが必要である。このような触媒金属としては、触媒活性が良好な白金が広く用いられている。 The above reaction takes place at a reaction site formed on the contact surface between the proton conduction path called the cluster part of the ion exchange resin and the conductive material. In order to promote the above reaction, it is necessary to efficiently support a catalytic metal having high catalytic activity at the reaction site. As such a catalytic metal, platinum having a good catalytic activity is widely used.
触媒金属の触媒活性をさらに向上させる方法については、多くの検討がなされているが、例えば、特許文献1には、白金とコバルトなどの補助金属とを所定の配合比で合金化した触媒金属の粒子を炭素粉末(担体)に担持させてなる燃料電池用の触媒が提案されている。
Many studies have been made on a method for further improving the catalytic activity of the catalytic metal. For example,
特許文献1に提案されている触媒は、担体に白金(Pt)および補助金属(M)を担持させる担持工程と、担体に担持された白金と補助金属とを合金化させる合金化工程を経て製造される。前記担持工程は、白金塩溶液および補助金属を含む金属塩溶液を、担体に含浸させることにより実行され、前記合金化工程は、担持工程により得られた白金および補助金属とを担持させた担体を、高温で還元することにより実行される。
The catalyst proposed in
特許文献1に提案されている触媒の製造方法においては、合金化度の高い白金−補助金属合金(Pt−M合金)を得るには、白金および補助金属を担持させた担体を800℃以上の高温で還元する必要がある(特許文献1の段落[0016]を参照)。ここで、合金化度とは、触媒に含まれる補助金属のうち、白金と合金化している補助金属の割合をいう。
しかしながら、白金および補助金属を担持させた担体を800℃以上の高温で還元すると、Pt−M合金粒子が凝集しやすくなり、Pt−M合金粒子の凝集が発生すると合金粒子の粒子径が大きくなるため触媒活性が低下するという問題があった。
In the method for producing a catalyst proposed in
However, when a support carrying platinum and an auxiliary metal is reduced at a high temperature of 800 ° C. or higher, Pt-M alloy particles tend to aggregate, and when Pt-M alloy particles agglomerate, the particle diameter of the alloy particles increases. Therefore, there was a problem that the catalytic activity was lowered.
また、上記製造方法において、白金および補助金属を担持させた担体の還元温度を例えば250℃以下の低温に設定して合金化した場合には、補助金属イオンの還元率が低下するとともに、白金に対する補助金属の固溶量が低下し、これにより、Pt−M合金の合金化度と、触媒中の補助金属含有率がともに低下する。このように担体に担持されるPt−M合金の合金化度が低く、補助金属含有率の低い触媒を用いた電極では、十分な触媒活性が得られないことが懸念される。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、担体に担持される合金の合金化度および白金に対して合金化される遷移金属の含有率がともに高い燃料電池用触媒の製造方法を提供することを目的とする。
Further, in the above production method, when the reduction temperature of the carrier supporting platinum and the auxiliary metal is set to a low temperature of, for example, 250 ° C. or lower and alloyed, the reduction rate of the auxiliary metal ions is reduced and The solid solution amount of the auxiliary metal is reduced, thereby reducing both the degree of alloying of the Pt-M alloy and the content of the auxiliary metal in the catalyst. Thus, there is a concern that sufficient catalytic activity cannot be obtained with an electrode using a catalyst having a low degree of alloying of the Pt-M alloy supported on the support and a low auxiliary metal content.
The present invention has been completed based on the above circumstances, and has a high degree of alloying of an alloy supported on a carrier and a high content of transition metal alloyed with platinum. It aims at providing the manufacturing method of.
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、カーボン及び陽イオン交換樹脂を含む混合物と白金イオンとをイオン交換反応させた後に、水素還元を行うことにより、陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面に白金を担持させた白金担持カーボンを作製し、次いで、白金担持カーボンと遷移金属化合物とをイオン交換反応させて遷移金属のカチオンを吸着させた後に、水素還元して陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面に担持させた白金と遷移金属とを合金化することにより、担体に担持される合金の合金化度および白金に対して合金化される遷移金属の含有率がともに高い燃料電池用触媒の製造方法を提供することができるという知見を得た。また、本発明の製造方法においては、白金と遷移金属の合金化を低温(例えば250℃以下)で行っても、担体に担持される合金の合金化度および白金に対して合金化される遷移金属の含有率を高くすることができるという知見も得られた。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, a mixture containing carbon and a cation exchange resin and platinum ions are subjected to an ion exchange reaction, and then hydrogen reduction is performed, whereby the cluster part of the cation exchange resin and the carbon are mixed. A platinum-supporting carbon having platinum supported on the contact surface was prepared, and then the platinum-supporting carbon and the transition metal compound were subjected to an ion exchange reaction to adsorb the cation of the transition metal, followed by hydrogen reduction to obtain a cation exchange resin. By alloying platinum and transition metal supported on the contact surface between the cluster part and carbon, both the degree of alloying of the alloy supported on the carrier and the content of transition metal alloyed with platinum are both obtained. It has been found that a method for producing a high fuel cell catalyst can be provided. In the production method of the present invention, even if the alloying of platinum and the transition metal is performed at a low temperature (for example, 250 ° C. or less), the alloying degree of the alloy supported on the carrier and the transition alloyed with platinum The knowledge that the metal content can be increased was also obtained.
すなわち、本発明は、カーボンおよび陽イオン交換樹脂を含む第1の混合物と、白金イオンとをイオン交換反応させることにより、前記陽イオン交換樹脂に前記白金イオンを吸着させる第1の工程と、前記第1の工程を実行することにより得られた第2の混合物中の白金イオンを水素還元する第2の工程と、第2の工程を実行することより得られた第3の混合物と、塩素イオン、硫酸イオンおよび硝酸イオンから選ばれるアニオン、ならびに、コバルト、ニッケルおよび鉄から選ばれる遷移金属のカチオンを含む溶液中の前記カチオンとを、イオン交換反応させることにより、前記遷移金属のカチオンを前記第3の混合物に含まれる陽イオン交換樹脂に吸着させる第3の工程と、前記第3の工程を実行することにより得られた第4の混合物中の前記遷移金属のカチオンを水素還元する第4の工程と、を実行することを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法である。
なお、本発明において合金化度とは、触媒に含まれる全遷移金属(コバルト、ニッケルおよび鉄から選ばれるもの)のうち、白金と合金化している遷移金属の割合をいう。
That is, the present invention includes a first step of adsorbing the platinum ions on the cation exchange resin by causing an ion exchange reaction between the first mixture containing carbon and a cation exchange resin and platinum ions, A second step of hydrogen reducing platinum ions in the second mixture obtained by executing the first step, a third mixture obtained by executing the second step, and chlorine ions An anion selected from sulfate ions and nitrate ions and a cation in a solution containing a cation of a transition metal selected from cobalt, nickel and iron to cause an ion exchange reaction of the cation of the transition metal. A third step of adsorbing the cation exchange resin contained in the mixture of No. 3 in the fourth mixture obtained by executing the third step; A method for producing a catalyst for a fuel cell and executes a fourth step of hydrogen reduction cations of the transition metals.
In the present invention, the degree of alloying refers to the proportion of transition metals alloyed with platinum among all transition metals (selected from cobalt, nickel and iron) contained in the catalyst.
本発明の製造方法により、担体に担持される合金の合金化度および白金に対して合金化される遷移金属の含有率をともに高くすることができる理由については以下のように推察される。
本発明の製造方法において、陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面に白金が担持されてなる白金担持カーボンと、遷移金属化合物とをイオン交換反応させる際、すなわちプロトンと遷移金属のカチオンとのイオン交換反応(第3の工程の実行)によって、強酸(塩酸、硫酸、硝酸)が生成する。このとき生成した強酸によって、陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面に予め担持したナノサイズの白金粒子表面がわずかに溶解し、白金表面上で白金イオンと遷移金属のカチオンとの共析が起こるものと考えられる。その結果、白金と合金化する遷移金属量が増加する。イオン交換反応にともなう強酸は陽イオン交換樹脂のクラスター部で生成する。本発明の製造方法の場合、クラスター部とカーボンとの接面に白金があらかじめ担持されるので、この強酸が白金表面に接触しやすい。その結果、本発明の製造方法においては、白金の溶解にひきつづく、白金イオンと遷移金属イオンとの共析が効果的に起こる。
以上のことから、本発明においては、従来の方法よりも低温で合金化(例えば、250℃以下での水素還元)を行っても、白金−遷移金属合金の合金化度および触媒中の遷移金属含有率がともに高い触媒が得られるものと考えられる。
The reason why both the degree of alloying of the alloy supported on the carrier and the content of the transition metal alloyed with platinum can be increased by the production method of the present invention is presumed as follows.
In the production method of the present invention, when a platinum-supported carbon in which platinum is supported on the contact surface between a cluster part of cation exchange resin and carbon and an ion-exchange reaction between the transition metal compound, that is, a proton and a cation of the transition metal A strong acid (hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid) is generated by an ion exchange reaction with (the execution of the third step). The strong acid generated at this time slightly dissolves the surface of the nanosized platinum particles previously supported on the contact surface between the cluster portion of the cation exchange resin and the carbon, and the platinum ions and the transition metal cations coexist on the platinum surface. Analysis is considered to occur. As a result, the amount of transition metal alloyed with platinum increases. A strong acid accompanying the ion exchange reaction is generated in the cluster part of the cation exchange resin. In the case of the production method of the present invention, platinum is supported on the contact surface between the cluster part and carbon in advance, so that the strong acid easily comes into contact with the platinum surface. As a result, in the production method of the present invention, eutectoid of platinum ions and transition metal ions occurs effectively following the dissolution of platinum.
From the above, in the present invention, even when alloying is performed at a lower temperature than the conventional method (for example, hydrogen reduction at 250 ° C. or lower), the alloying degree of the platinum-transition metal alloy and the transition metal in the catalyst It is considered that a catalyst having a high content can be obtained.
そして、本発明の製造方法では、上述したように、低温(250℃以下)でも合金化を促進することができるので、合金粒子の凝集を抑制することができ、これにより、合金粒子の粒子径増大を防止することができる。
したがって、本発明によれば、担体に担持される合金の合金化度および白金に対して合金化される金属の含有率をともに高め、かつ、合金粒子の粒子径増大を防止することができるので、触媒金属の触媒活性を高めることができる。
And in the manufacturing method of this invention, as above-mentioned, since alloying can be accelerated | stimulated even at low temperature (250 degrees C or less), aggregation of an alloy particle can be suppressed, and, thereby, the particle diameter of an alloy particle An increase can be prevented.
Therefore, according to the present invention, it is possible to increase both the degree of alloying of the alloy supported on the carrier and the content of the metal alloyed with respect to platinum, and to prevent an increase in the particle diameter of the alloy particles. The catalytic activity of the catalytic metal can be increased.
そして、本発明の製造方法においては、白金イオンと陽イオン交換樹脂とのイオン交換反応後に白金イオンを水素により化学還元することで、白金イオンが陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面に担持され、次いで、遷移金属のカチオンと陽イオン交換樹脂とのイオン交換反応後に水素により還元することで、陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面に予め担持したナノサイズの白金粒子と遷移金属とが合金化される。その結果、本発明によれば、イオン交換樹脂のクラスター部と呼ばれるプロトン伝導経路と導電性材料との接面に形成された反応サイトに触媒活性の高い触媒金属を効率よく担持させることができるので、触媒金属の利用率が高い触媒を製造することが期待できる。
以上より、本発明によれば、担体に担持される合金の合金化度および白金に対して合金化される金属の含有率がともに高く、さらに、触媒活性の高い燃料電池用触媒の製造方法を提供することができる。
In the production method of the present invention, the platinum ions are chemically reduced with hydrogen after the ion exchange reaction between the platinum ions and the cation exchange resin, so that the platinum ions are in contact with the cluster portion of the cation exchange resin and the carbon. Then, the nano-sized platinum particles previously supported on the contact surface between the cluster part of the cation exchange resin and the carbon by reducing with hydrogen after the ion exchange reaction between the cation of the transition metal and the cation exchange resin. And the transition metal are alloyed. As a result, according to the present invention, the catalytic metal having high catalytic activity can be efficiently supported on the reaction site formed on the contact surface between the proton conduction path called the cluster part of the ion exchange resin and the conductive material. It can be expected to produce a catalyst having a high utilization rate of the catalyst metal.
As described above, according to the present invention, there is provided a method for producing a fuel cell catalyst having a high degree of alloying of an alloy supported on a carrier and a high content of a metal alloyed with platinum, and having a high catalytic activity. Can be provided.
本発明においては、以下の構成が好ましい。
白金イオンを水素還元する温度、および遷移金属のカチオンを水素還元する温度のうち、少なくとも一方を250℃以下とすると、陽イオン交換樹脂の高温暴露による分解の抑制および合金粒子の凝集の抑制という点で好ましい。
白金イオンの水素還元温度(第2の工程)および遷移金属のカチオンの水素還元温度(第4の工程)の双方を250℃以下とすると、特に好ましい。
前記アニオンならびに前記遷移金属のカチオンを含む溶液が、遷移金属化合物を溶媒に溶解して得られるものであり、かつ、前記遷移金属化合物が、前記溶媒中で塩素イオン、硫酸イオンおよび硝酸イオンから選ばれるアニオンと、コバルト、ニッケルおよび鉄から選ばれる遷移金属のカチオンとを生じる構成とすると、溶媒に化合物を溶解させた際に、遷移金属のカチオンとアニオンとを同時に得られることから好ましい。なお、溶媒としては水やアルコールなどを用いることができるが、水を用いることが安全性の観点から好ましい。
In the present invention, the following configuration is preferable.
If at least one of the temperature at which platinum ions are reduced with hydrogen and the temperature at which transition metal cations are reduced with hydrogen is 250 ° C. or less, the decomposition of the cation exchange resin due to high temperature exposure and the suppression of the aggregation of alloy particles are suppressed. Is preferable.
It is particularly preferable that both the hydrogen reduction temperature of the platinum ion (second step) and the hydrogen reduction temperature of the cation of the transition metal (fourth step) are 250 ° C. or lower.
The solution containing the anion and the cation of the transition metal is obtained by dissolving a transition metal compound in a solvent, and the transition metal compound is selected from chloride ion, sulfate ion and nitrate ion in the solvent. When the compound is dissolved in the solvent, the transition metal cation and the anion can be obtained at the same time. In addition, although water, alcohol, etc. can be used as a solvent, it is preferable from a viewpoint of safety to use water.
本発明によれば、担体に担持される合金の合金化度および白金に対して合金化される遷移金属の含有率がともに高い燃料電池用触媒の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the catalyst for fuel cells with which both the alloying degree of the alloy carry | supported by a support | carrier and the content rate of the transition metal alloyed with respect to platinum can be provided.
本発明の燃料電池用触媒の製造方法は、カーボン及び陽イオン交換樹脂を含む第1の混合物中の陽イオン交換樹脂のプロトンと白金イオンとをイオン交換反応させることにより、白金イオンを陽イオン交換樹脂に吸着させる工程(第1の工程)、第1の工程の実行により得られる第2の混合物を水素還元する工程(第2の工程)、第2の工程の実行により得られた第3の混合物中の陽イオン交換樹脂のプロトンと、アニオンおよび遷移金属のカチオンを含む溶液中のカチオンとを、イオン交換反応させることにより、遷移金属のカチオンを第3の混合物に含まれる陽イオン交換樹脂に吸着させる工程(第3の工程)、および、第3の工程を実行することにより得られた第4の混合物を水素還元する工程(第4の工程)を実行することを特徴とする。
以下、第1の工程ないし第4の工程について順に説明する。
The method for producing a catalyst for a fuel cell according to the present invention comprises subjecting platinum ions to cation exchange by subjecting protons of cation exchange resins and platinum ions in a first mixture containing carbon and a cation exchange resin to an ion exchange reaction. A step of adsorbing the resin (first step), a step of hydrogen reduction of the second mixture obtained by the execution of the first step (second step), and a third of the step obtained by the execution of the second step The cation exchange resin contained in the third mixture is converted into a cation exchange resin contained in the third mixture by causing an ion exchange reaction between the proton of the cation exchange resin in the mixture and the cation in the solution containing the anion and the transition metal cation. And performing a step of adsorbing (third step) and a step of reducing the fourth mixture obtained by performing the third step (fourth step) with hydrogen. That.
Hereinafter, the first to fourth steps will be described in order.
(第1の工程)
第1の工程では、カーボン及び陽イオン交換樹脂を含む第1の混合物中の陽イオン交換樹脂のプロトンと白金イオンとをイオン交換反応させることにより、陽イオン交換樹脂に白金イオンを吸着させる。
第1の混合物は、たとえば、カーボン、陽イオン交換樹脂の水溶液、および溶媒(エタノールなど)を公知の方法により混合した後に溶媒を除去することにより作製することができる。
(First step)
In the first step, platinum ions are adsorbed on the cation exchange resin by performing an ion exchange reaction between protons of the cation exchange resin and platinum ions in the first mixture containing carbon and the cation exchange resin.
The first mixture can be prepared by, for example, mixing carbon, an aqueous solution of a cation exchange resin, and a solvent (such as ethanol) by a known method and then removing the solvent.
第1の混合物から溶媒を除去する方法としては、たとえば溶媒を乾燥する方法がある。溶媒を乾燥する方法には、たとえば放置乾燥、送風乾燥、温風乾燥、赤外線加熱乾燥、遠赤外線加熱乾燥、減圧乾燥、噴霧乾燥などを用いることができる。これらの方法のうち、混合物の状態から直ちに粒子が得られるとともに、粒子径の調節が容易で、かつ大量に処理できるという観点から、噴霧乾燥を行うのが好ましい。 As a method of removing the solvent from the first mixture, for example, there is a method of drying the solvent. As a method for drying the solvent, for example, standing drying, blow drying, warm air drying, infrared heating drying, far infrared heating drying, reduced pressure drying, spray drying, and the like can be used. Among these methods, it is preferable to perform spray drying from the viewpoint that particles can be obtained immediately from the state of the mixture, the particle diameter can be easily adjusted, and the treatment can be performed in a large amount.
第1の混合物の材料として用いるカーボンとしては、電子伝導性が高く、耐食性が高い材料を用いることができる。このような、カーボンとしては、たとえば、アセチレンブラックやファーネスブラックなどのカーボンブラックおよび活性炭などが使用できる。好ましくは、Denka Black[電気化学工業(株)製]、Vulcan XC−72(Cabot Corp.製)、Black Peal 2000(Cabot Corp.製)あるいはKetjenblack EC[ケッチェンブラック・インターナショナル(株)製]等のカーボンブラックを使用する。このほかにも、黒鉛化度の高いカーボンを使用することができる。黒鉛化度の高いカーボンとしては、Tokablack#3855[東海カーボン(株)製]、Denkablack FX−35 [電気化学工業(株)]あるいはカーボンブラックを高温で焼成することなどにより黒鉛化度を高めたものなどを使用することができる。 As the carbon used as the material of the first mixture, a material having high electron conductivity and high corrosion resistance can be used. As such carbon, for example, carbon black such as acetylene black and furnace black, activated carbon, and the like can be used. Preferably, Denka Black [manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.], Vulcan XC-72 (manufactured by Cabot Corp.), Black Peal 2000 (manufactured by Cabot Corp.) or Ketjenblack EC [manufactured by Ketjenblack International Co., Ltd.] Use carbon black. In addition to this, carbon having a high graphitization degree can be used. As carbon having a high degree of graphitization, Tokablack # 3855 [manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.], Denkaback FX-35 [Electrochemical Industry Co., Ltd.] or carbon black was baked at a high temperature to increase the degree of graphitization. Things can be used.
第1の混合物の材料として用いる陽イオン交換樹脂としては、プロトン伝導性を有する陽イオン交換樹脂、たとえばパーフルオロカーボンスルホン酸形あるいはスチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸形陽イオン交換樹脂、あるいはそれらの樹脂のカルボン酸形であるものを用いることが好ましい。
本発明では、陽イオン交換樹脂として、溶媒中に陽イオン交換樹脂が溶解している陽イオン交換樹脂溶液を用いることができる。前記溶媒としては、水とアルコール(エタノールなど)とを任意の割合で含む液体を用いることが好ましいが、陽イオン交換樹脂溶液に含まれる溶媒のみを用いてもよい。
Examples of the cation exchange resin used as the material of the first mixture include cation exchange resins having proton conductivity, such as perfluorocarbon sulfonic acid type or styrene-divinylbenzene sulfonic acid type cation exchange resin, or carboxylic acid of those resins. It is preferable to use the acid form.
In the present invention, a cation exchange resin solution in which a cation exchange resin is dissolved in a solvent can be used as the cation exchange resin. As the solvent, a liquid containing water and alcohol (ethanol or the like) in an arbitrary ratio is preferably used, but only a solvent contained in the cation exchange resin solution may be used.
第1の混合物中の陽イオン交換樹脂のプロトンと白金イオンとのイオン交換反応により、陽イオン交換樹脂に白金イオンを吸着させる方法(Pt吸着工程)について説明する。
白金が含まれる化合物(例えば[Pt(NH3)4]Cl2など)を、水を含む液体に溶解して白金を含む溶液を調製する。つづいて、第1の混合物を、白金を含む溶液に浸漬することによって、第1の混合物に含まれる陽イオン交換樹脂に、白金イオンを吸着させる。白金イオンの吸着は、陽イオン交換樹脂のプロトンと、白金イオンとのイオン交換反応によるものである。
A method of adsorbing platinum ions on the cation exchange resin (Pt adsorption step) by an ion exchange reaction between protons of the cation exchange resin in the first mixture and platinum ions will be described.
A solution containing platinum is prepared by dissolving a compound containing platinum (for example, [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 or the like) in a liquid containing water. Subsequently, by immersing the first mixture in a solution containing platinum, platinum ions are adsorbed on the cation exchange resin contained in the first mixture. The adsorption of platinum ions is due to an ion exchange reaction between protons of the cation exchange resin and platinum ions.
本発明において、白金イオンとしては、陽イオン交換樹脂が被覆されずに露出しているカーボン(導電性材料)の表面に対しては吸着し難く、陽イオン交換樹脂のプロトンとのイオン交換反応により陽イオン交換樹脂のクラスター部(プロトン伝導経路)に優先的に吸着するものが好ましい。
このような吸着特性を持つ白金イオンとしては、Pt2+や白金錯イオンを用いることができる。白金錯イオンとしては、[Pt(NH3)4]2+や[Pt(NH3)6]4+などとあらわすことができる白金のアンミン錯イオン、硝酸基あるいはニトロソ基が配位した白金錯イオンなどを用いることができる。
In the present invention, platinum ions are difficult to adsorb on the surface of the carbon (conductive material) exposed without being coated with the cation exchange resin, and are exchanged with protons of the cation exchange resin. What adsorb | sucks preferentially to the cluster part (proton conduction path | route) of a cation exchange resin is preferable.
Pt 2+ or platinum complex ions can be used as platinum ions having such adsorption characteristics. Examples of platinum complex ions include platinum complex ions that can be represented by [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ , [Pt (NH 3 ) 6 ] 4+ , platinum complex ions coordinated with nitrate groups or nitroso groups, and the like. Can be used.
(第2の工程:Pt担持工程)
第2の工程では、第1の工程を実行することにより得られる陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面に白金イオンを吸着した化合物を含む混合物(第2の混合物)を、水素還元することにより、陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面に白金が担持されてなる白金担持カーボンを作製する。
(Second step: Pt carrying step)
In the second step, the mixture (second mixture) containing the compound in which platinum ions are adsorbed on the contact surface between the cluster portion of the cation exchange resin and the carbon obtained by executing the first step is reduced with hydrogen. In this way, platinum-supported carbon in which platinum is supported on the contact surface between the cluster portion of the cation exchange resin and the carbon is produced.
水素還元の方法としては、水素または水素を含むガスによって気相還元する方法等があげられる。水素を含むガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスと水素との混合ガスであることが好ましく、水素の含有量が10vol%以上の混合ガスが特に好ましい。
第2の混合物の水素還元の還元温度は、250℃以下であることが好ましく、100℃以上250℃以下とするのが、さらに好ましい。第2の混合物の水素還元温度が100℃未満であると、白金の担持量が十分でなくなる。水素還元の温度が250℃を超えると、第2の工程により得られた白金担持カーボンの白金粒子径が増大したり、陽イオン交換樹脂の高温暴露による分解が起こることがある。
Examples of the hydrogen reduction method include a gas phase reduction method using hydrogen or a gas containing hydrogen. The gas containing hydrogen is preferably a mixed gas of an inert gas such as nitrogen, helium or argon and hydrogen, and a mixed gas having a hydrogen content of 10 vol% or more is particularly preferable.
The reduction temperature for hydrogen reduction of the second mixture is preferably 250 ° C. or lower, and more preferably 100 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. When the hydrogen reduction temperature of the second mixture is less than 100 ° C., the supported amount of platinum becomes insufficient. When the hydrogen reduction temperature exceeds 250 ° C., the platinum particle diameter of the platinum-supported carbon obtained in the second step may increase, or decomposition may occur due to high-temperature exposure of the cation exchange resin.
なお、第2の工程を実行することにより得られた白金担持カーボンを、さらに、白金イオンを含む溶液に浸漬することによって白金イオンを吸着させた後、水素還元を行ってもよい。この白金イオンの吸着と水素還元とを繰り返すことにより、白金担持カーボンの白金担持量を増加させることができる。つまり、白金担持量は白金イオンの吸着と水素還元の回数を増減することにより制御することができる。 The platinum-supporting carbon obtained by executing the second step may be further immersed in a solution containing platinum ions to adsorb platinum ions, and then hydrogen reduction may be performed. By repeating this adsorption of platinum ions and hydrogen reduction, the amount of platinum supported on the platinum supported carbon can be increased. That is, the amount of platinum supported can be controlled by increasing or decreasing the number of platinum ion adsorption and hydrogen reduction.
(第3の工程:遷移金属のカチオン吸着工程)
第3の工程では、第2の工程で得られた白金担持カーボンを含む第3の混合物中の陽イオン交換樹脂のプロトンと遷移金属のカチオンとをイオン交換反応させることにより、白金担持カーボンに遷移金属のカチオンを吸着させる。具体的には、第3の混合物を、塩素イオン、硫酸イオンおよび硝酸イオンから選ばれるアニオン、ならびに、コバルト、ニッケルおよび鉄から選ばれる遷移金属のカチオンを含む溶液に浸漬することにより、白金担持カーボンの陽イオン交換樹脂のプロトンに遷移金属のカチオンを吸着させることができる。
(Third step: transition metal cation adsorption step)
In the third step, a transition is made to platinum-supported carbon by causing an ion exchange reaction between the proton of the cation exchange resin and the cation of the transition metal in the third mixture containing the platinum-supported carbon obtained in the second step. Adsorb metal cations. Specifically, by immersing the third mixture in a solution containing an anion selected from chlorine ion, sulfate ion and nitrate ion, and a cation of a transition metal selected from cobalt, nickel and iron, platinum-supported carbon The cation of the cation exchange resin can adsorb the cation of the transition metal.
本発明において、塩素イオン、硫酸イオンおよび硝酸イオンから選ばれるアニオン、ならびに、コバルト、ニッケルおよび鉄から選ばれる遷移金属のカチオンを含む溶液とは、遷移金属化合物を溶媒に溶解したものである。遷移金属化合物として、水などの溶媒中で、塩素イオン、硫酸イオンおよび硝酸イオンから選ばれるアニオン、ならびに、コバルト、ニッケルおよび鉄から選ばれる遷移金属のカチオンを生じるものを用いると、遷移金属化合物を、溶媒に溶解させることで、遷移金属のカチオンおよびアニオンを同時に得られるので、好ましい。遷移金属化合物の具体例としては、塩化コバルト、塩化ニッケル、塩化鉄、硫酸コバルト、硫酸ニッケル、硫酸鉄、硝酸コバルト、硝酸ニッケル、硝酸鉄などがあげられる。遷移金属のカチオンとしては、陽イオン交換樹脂の劣化の影響が少ないコバルトが好ましく、アニオンとしては、プロトンと反応して、白金の溶解度が高い塩酸を生成する塩素イオンが好ましい。また、溶媒には水やアルコールなどを用いることができるが、水を用いることが安全性の観点から好ましい。 In the present invention, the solution containing an anion selected from chloride ion, sulfate ion and nitrate ion and a transition metal cation selected from cobalt, nickel and iron is obtained by dissolving a transition metal compound in a solvent. When a transition metal compound that produces a cation of a transition metal selected from a chloride ion, a sulfate ion and a nitrate ion and a transition metal selected from cobalt, nickel and iron in a solvent such as water is used, It is preferable to dissolve in a solvent since a cation and an anion of a transition metal can be obtained simultaneously. Specific examples of the transition metal compound include cobalt chloride, nickel chloride, iron chloride, cobalt sulfate, nickel sulfate, iron sulfate, cobalt nitrate, nickel nitrate, and iron nitrate. The transition metal cation is preferably cobalt, which is less affected by the deterioration of the cation exchange resin, and the anion is preferably a chloride ion that reacts with the proton to produce hydrochloric acid with high platinum solubility. Moreover, although water, alcohol, etc. can be used for a solvent, it is preferable from a viewpoint of safety to use water.
(第4の工程:合金化工程)
第4の工程では、第3の工程を実行することにより得られる遷移金属のカチオンを吸着させた白金担持カーボンを含む第4の混合物を水素還元することにより、陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面に担持された白金と遷移金属とを合金化する。水素還元の方法は、第2の工程と同様の方法があげられる。
(Fourth process: alloying process)
In the fourth step, the fourth mixture containing platinum-carrying carbon on which the cation of the transition metal obtained by performing the third step is adsorbed is reduced by hydrogen, whereby the cluster part of the cation exchange resin and the carbon The platinum and the transition metal supported on the contact surface are alloyed. Examples of the hydrogen reduction method include the same method as in the second step.
第4の混合物の水素還元は、250℃以下で行われることが好ましい。第4の混合物の水素還元の温度が250℃を超えると、第4の混合物中の陽イオン交換樹脂が分解する場合がある。第4の混合物の水素還元の温度は、150℃以上200℃以下とすると、カーボンに担持される白金−遷移金属合金の合金化度を高いものとすることができるとともに、陽イオン交換樹脂の分解も生じにくいのでさらに好ましい。第4の混合物の水素還元温度が150℃未満であると、カーボンに担持される白金−遷移金属合金の合金化度が低くなり、十分な触媒活性が得られなくなる場合がある。 The hydrogen reduction of the fourth mixture is preferably performed at 250 ° C. or lower. When the temperature of hydrogen reduction of the fourth mixture exceeds 250 ° C., the cation exchange resin in the fourth mixture may be decomposed. When the hydrogen reduction temperature of the fourth mixture is 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, the degree of alloying of the platinum-transition metal alloy supported on carbon can be increased, and the decomposition of the cation exchange resin can be achieved. Is also more preferable because When the hydrogen reduction temperature of the fourth mixture is lower than 150 ° C., the degree of alloying of the platinum-transition metal alloy supported on carbon is lowered, and sufficient catalytic activity may not be obtained.
なお、第4の工程を実行することにより得られた白金−遷移金属合金担持カーボンを、さらに、遷移金属化合物の水溶液に浸漬することによって、遷移金属のカチオンを吸着させた後、水素還元を行ってもよい。この遷移金属のカチオンの吸着と水素還元とを繰り返すことにより、触媒中の遷移金属含有率が高くなる。つまり、遷移金属のカチオンの吸着と水素還元の回数を増減することにより、遷移金属含有率を制御することができる。 The platinum-transition metal alloy-supported carbon obtained by executing the fourth step is further immersed in an aqueous solution of a transition metal compound to adsorb a cation of the transition metal, and then subjected to hydrogen reduction. May be. By repeating this adsorption of transition metal cations and hydrogen reduction, the transition metal content in the catalyst is increased. That is, the transition metal content can be controlled by increasing or decreasing the number of adsorption and hydrogen reduction of transition metal cations.
(本発明の製造方法により得られた触媒)
上述した本発明の製造方法により得られた触媒は、例えば、N−メチル−2−ピロリドンなどに分散させてスラリーとして基材に塗布し、乾燥してシート状の触媒層とするなど、公知の方法により、燃料電池用の電極の触媒として用いることができる。
(Catalyst obtained by the production method of the present invention)
The catalyst obtained by the production method of the present invention described above is, for example, dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone or the like, applied to a substrate as a slurry, and dried to form a sheet-like catalyst layer. Depending on the method, it can be used as a catalyst for an electrode for a fuel cell.
<実施例および比較例>
本発明を具体化した実施例により、本発明をさらに説明する。
1.本発明の方法および比較の方法により得られるPt−Co合金担持カーボンに担持されているPt−Co合金の合金化度およびPtと合金化したCo含有率の比較
<Examples and Comparative Examples>
The invention is further illustrated by examples embodying the invention.
1. Comparison of degree of alloying of Pt—Co alloy supported on carbon supported on Pt—Co alloy obtained by the method of the present invention and comparative method and Co content alloyed with Pt
(実施例1)
(1)白金(Pt)担持カーボンを含む混合物の作製
カーボン粉末(Cabot社製、Vulcan XC−72)を10g、陽イオン交換樹脂溶液(アルドリッチ社製、Nafion 5質量%溶液)を50g、およびエタノールを混合してスラリーとし、このスラリーを噴霧乾燥により乾燥(120℃)することで、陽イオン交換樹脂とカーボン粉末とを含む粉末(固体の混合物、陽イオン交換樹脂配合比20質量%)を作製した。
陽イオン交換樹脂とカーボン粉末とを含む粉末を[Pt(NH3)4]Cl2水溶液に2時間含浸して、[Pt(NH3)4]2+イオンを陽イオン交換樹脂のクラスター部分にイオン交換反応により吸着させた(Pt吸着工程)。
Pt吸着工程を経て得られた混合物を、水素還元(還元温度150℃、還元時間8時間)することにより、陽イオン交換樹脂のクラスター部とカーボンとの接面にPtナノ粒子を担持してなるカーボン(Pt担持カーボン)を含む混合物を得た(Pt担持工程)。
このPt担持工程を経て得られた混合物を、さらに、[Pt(NH3)4]Cl2水溶液に2時間含浸した後、水素還元(還元温度150℃、還元時間8時間)することにより、5質量%のPtを担持させたカーボンを含む混合物を得た。
なお、Ptの担持量(質量%)は、Ptとカーボンの合計質量に対するものである。
Example 1
(1) Preparation of mixture containing platinum (Pt) -supporting carbon 10 g of carbon powder (Cabot, Vulcan XC-72), 50 g of cation exchange resin solution (Aldrich,
A powder containing a cation exchange resin and carbon powder is impregnated in an aqueous solution [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 for 2 hours, and [Pt (NH 3 ) 4 ] 2+ ions are ionized in the cluster part of the cation exchange resin. It was adsorbed by an exchange reaction (Pt adsorption step).
The mixture obtained through the Pt adsorption step is subjected to hydrogen reduction (
The mixture obtained through this Pt supporting step was further impregnated with [Pt (NH 3 ) 4 ] Cl 2 aqueous solution for 2 hours, and then subjected to hydrogen reduction (
The amount of Pt supported (% by mass) is based on the total mass of Pt and carbon.
(2)白金ーコバルト合金(Pt−Co合金)担持カーボンを含む混合物の作製
(1)で得た5質量%のPtを担持させたカーボンを含む混合物を、CoCl2(塩化コバルト)水溶液に浸漬することによって、コバルトイオンを吸着させた(Co吸着工程)。
Co吸着工程を経て得られた混合物を水素還元(還元温度200℃、還元時間24時間)してPt−Co合金担持カーボンを含む混合物を得た(Pt−Co合金担持工程)。この混合物は、コバルト(Co)の担持回数が1回の混合物である。
(2) Preparation of mixture containing platinum-cobalt alloy (Pt-Co alloy) -carrying carbon The mixture containing carbon carrying 5% by mass of Pt obtained in (1) is immersed in an aqueous CoCl 2 (cobalt chloride) solution. Thus, cobalt ions were adsorbed (Co adsorption step).
The mixture obtained through the Co adsorption step was subjected to hydrogen reduction (
(3)(2)で得た混合物を、CoCl2水溶液に浸漬することによってCo2+イオンを吸着させたのち、水素還元(還元温度200℃、還元時間24時間)して、Coを担持させた(Co吸着・担持工程)。ここで得られたPt−Co合金担持カーボンを含む混合物はCoの担持回数が2回である。
(4)(3)で得た混合物について、(3)のCo吸着・担持工程を実行することによりCoを担持させた。ここで得られたPt−Co合金担持カーボンを含む混合物は担持回数が3回である。
(5)(4)で得た混合物について、(3)のCo吸着・担持工程を実行することによりCoを担持させた。ここで得られたPt−Co合金担持カーボンを含む混合物は担持回数が4回である。
(6)(5)で得た混合物について、(3)のCo吸着・担持工程を実行することによりCoを担持させた。ここで得られたPt−Co合金担持カーボンを含む混合物は担持回数が5回である。
(3) The mixture obtained in (2) was immersed in a
(4) Co was supported on the mixture obtained in (3) by executing the Co adsorption / supporting step of (3). The mixture containing the Pt—Co alloy-supported carbon obtained here is supported three times.
(5) Co was supported on the mixture obtained in (4) by executing the Co adsorption / supporting step of (3). The mixture containing the Pt—Co alloy-supported carbon obtained here has a support count of four.
(6) Co was supported on the mixture obtained in (5) by executing the Co adsorption / supporting step of (3). The mixture containing the Pt—Co alloy-supported carbon obtained here is supported five times.
(7)Pt−Co合金の合金化度および触媒中のCo含有率の算出
(2)、(3)、(4)、(5)、(6)で得た各混合物を、0.5M(モル/リットル)の硫酸で洗浄することで未還元の金属を除去した試料について、ICP発光分析装置[日本ジャーレルアッシュ株式会社(現サーモフィッシャーサイエンティフィック)製、型式:IRIS/AP]を用いて全Co含有率(Cotot)を求めるとともに、X線回折装置[(株)リガク製、型式:RINT TTR−III]を用いてXRD分析を行いX線回折パターンを得た。得られたX線パターンを、それぞれ(2)のX線回折パターン、(3)のX線回折パターン、(4)のX線回折パターン、(5)のX線回折パターン、(6)のX線回折パターンとする。
合金化度(Coal/Cotot)を、下記式(1)を用いて算出した。
(7) Calculation of alloying degree of Pt—Co alloy and Co content in catalyst (2), (3), (4), (5), (6) For the sample from which the unreduced metal was removed by washing with sulfuric acid (mol / liter), an ICP emission analyzer [manufactured by Nippon Jarrell-Ash Co., Ltd. (current Thermo Fisher Scientific), model: IRIS / AP] was used. Thus, the total Co content (Co tot ) was determined, and XRD analysis was performed using an X-ray diffractometer [manufactured by Rigaku Corporation, model: RINT TTR-III] to obtain an X-ray diffraction pattern. The obtained X-ray patterns are respectively the X-ray diffraction pattern of (2), the X-ray diffraction pattern of (3), the X-ray diffraction pattern of (4), the X-ray diffraction pattern of (5), and the X of (6). A line diffraction pattern is used.
The Fe content (Co al / Co tot), was calculated using the following equation (1).
式(1)中、Coalは白金と合金化したCoの含有率(atom%)を示す。式(1)中のCotot(全Co含有率)および、Pttot(全Pt量)をICP分析から求め、XCo(Pt−Co合金中のCoの原子分率 )を下記式(2)(Vegardの式)から求めた。 Wherein (1), Co al denotes the content of Co was platinum alloyed (atom%). Co tot (total Co content) and Pt tot (total Pt content) in the formula (1) are obtained from ICP analysis, and X Co (atomic fraction of Co in the Pt—Co alloy) is expressed by the following formula (2) (Vegard equation).
式(2)中、aは得られた試料のX線パターンにおけるPtのピーク位置から求めた格子定数であり、a0は、バルクPtの格子定数(0.3925nm) 、asはPt3Co の格子定数(0.3831nm)、XsはPt3Coの原子分率(0.25)である。
各混合物の合金化度およびCoal(白金と合金化したCoの含有率)を以下の方法により算出した。
(2)のX線回折パターンのピーク位置から計算した格子定数をもちいてXCoを計算したのちに、ICPから求めた全Co含有率から(2)の合金化度および混合物に含まれるCoal(Ptと合金化したCoの含有率)を算出した。
(3)のX線回折パターンのピーク位置から計算した格子定数をもちいてXCoを計算したのちに、ICPから求めた全Co含有率から(3)の合金化度および混合物に含まれるCoal(Ptと合金化したCoの含有率)を算出した。
(4)のX線回折パターンのピーク位置から計算した格子定数をもちいてXCoを計算したのちに、ICPから求めた全Co含有率から(4)の合金化度および混合物に含まれるCoal(Ptと合金化したCoの含有率)を算出した。
(5)のX線回折パターンのピーク位置から計算した格子定数をもちいてXCoを計算したのちに、ICPから求めた全Co含有率から(5)の合金化度および混合物に含まれるCoal(Ptと合金化したCoの含有率)を算出した。
(6)のX線回折パターンのピーク位置から計算した格子定数をもちいてXCoを計算したのちに、ICPから求めた全Co含有率から(6)の合金化度および混合物に含まれるCoal(Ptと合金化したCoの含有率)を算出した。
Wherein (2), a is the lattice constant determined from the peak position in the Pt in the X-ray pattern of the resulting samples, a 0 is the lattice constant of bulk Pt (0.3925nm), a s the Pt 3 Co The lattice constant (0.3831 nm) and Xs is the atomic fraction of Pt 3 Co (0.25).
The alloyed and Co al of each mixture (content of platinum and alloyed Co) was calculated by the following method.
(2) using a lattice constant calculated from the peak position of the X-ray diffraction pattern after calculating the X Co of, Co al contained in alloyed and mixtures from all Co content obtained from ICP (2) (Content ratio of Co alloyed with Pt) was calculated.
Using a lattice constant calculated from the peak position of the X-ray diffraction pattern of (3) in then calculating the X Co, Co al contained in alloyed and mixtures from all Co content obtained from ICP (3) (Content ratio of Co alloyed with Pt) was calculated.
Using a lattice constant calculated from the peak position of the X-ray diffraction pattern of (4) After calculating the X Co, Co al contained in alloyed and mixtures from all Co content obtained from ICP (4) (Content ratio of Co alloyed with Pt) was calculated.
Using a lattice constant calculated from the peak position of the X-ray diffraction pattern after calculating the X Co of (5), Co al contained in alloyed and mixtures from all Co content obtained from ICP (5) (Content ratio of Co alloyed with Pt) was calculated.
Using a lattice constant calculated from the peak position of the X-ray diffraction pattern of (6) after calculating the X Co, Co al contained in alloyed and mixtures from all Co content obtained from ICP (6) (Content ratio of Co alloyed with Pt) was calculated.
表1に、各混合物に含まれるPt−Co合金の合金化度と、Ptと合金化したCoの含有率(atom%)を示し、図1には、Coの担持回数(回)と合金化度との関係、および、Coの担持回数(回)とPtと合金化したCo含有率(atom%)との関係を示した。 Table 1 shows the degree of alloying of the Pt—Co alloy contained in each mixture and the content (atom%) of Co alloyed with Pt. FIG. 1 shows the number of times of loading Co (times) and alloying. And the relationship between the number of times of loading Co (times) and the content of Co alloyed with Pt (atom%).
(比較例1)
(1)カーボン粉末をH2PtCl6水溶液に2時間含浸して、PtCl6 2−イオンをカーボン粉末に物理吸着させたのちに、水素還元(還元温度150℃、還元時間8時間)する工程を所定回数繰り返して行い、Ptとカーボンの合計量に対するPtの担持量が5質量%であるPt担持カーボンを作製した。
(2)このPt担持カーボンを、CoCl2水溶液に浸漬することによってCo2+イオンを同様に物理吸着させた(Co吸着工程)。
Co吸着工程を経て得られた混合物を水素還元(還元温度200℃、還元時間24時間)してPt−Co合金担持カーボンを含む混合物を得た(Pt−Co合金担持工程)。この混合物について実施例1と同様の方法により合金化度と、Ptと合金化したCo含有率を算出した。なお、ここで得た混合物はCoの担持回数が1回である。
(Comparative Example 1)
(1) A step of impregnating carbon powder in an aqueous solution of H 2 PtCl 6 for 2 hours and physically adsorbing PtCl 6 2- ions to the carbon powder, followed by hydrogen reduction (
(2) Co 2+ ions were physically adsorbed in the same manner by immersing this Pt-supported carbon in a CoCl 2 aqueous solution (Co adsorption step).
The mixture obtained through the Co adsorption step was subjected to hydrogen reduction (
(3)(2)で得た混合物を、CoCl2水溶液に浸漬することによってCo2+イオンを吸着させたのち、水素還元(還元温度200℃、還元時間24時間)して、Coを担持させた(Co吸着・担持工程)。ここで得られたPt−Co合金担持カーボンを含む混合物はCoの担持回数が2回である。
(4)(3)で得た混合物について(3)のCo吸着・担持工程を実行して、Coを担持させた。ここで得られたPt−Co合金担持カーボンを含む混合物は担持回数が3回である。
(5)(4)で得た混合物について(3)のCo吸着・担持工程を実行して、Coを担持させた。ここで得られたPt−Co合金担持カーボンを含む混合物は担持回数が4回である。
(6)(5)で得た混合物について(3)のCo吸着・担持工程を実行して、Coを担持させた。ここで得られたPt−Co合金担持カーボンを含む混合物は担持回数が5回である。
(3) The mixture obtained in (2) was immersed in a CoCl 2 aqueous solution to adsorb Co 2+ ions, and then hydrogen reduction (
(4) The Co adsorption / supporting step (3) was performed on the mixture obtained in (3) to support Co. The mixture containing the Pt—Co alloy-supported carbon obtained here is supported three times.
(5) The Co adsorption / supporting step (3) was performed on the mixture obtained in (4) to support Co. The mixture containing the Pt—Co alloy-supported carbon obtained here has a support count of four.
(6) The Co adsorption / supporting step (3) was performed on the mixture obtained in (5) to support Co. The mixture containing the Pt—Co alloy-supported carbon obtained here is supported five times.
(7)合金化度およびCo含有率の算出
(2)、(3)、(4)、(5)、(6)で得た各混合物を、0.5Mの硫酸で洗浄して未還元の金属を除去した試料について、実施例1の(7)と同様に、ICP分析とXRD分析を行い、Pt−Co合金の合金化度とPtと合金化したCo含有率を算出し、表1および図1に示した。
図1において、横軸は担持回数(回)、縦軸(左側)は合金化度、縦軸(右側)はPtと合金化したCo含有率(atom%)を示す。
図1中、○は実施例1の方法により得られた混合物の合金化度を示し、△は比較例1の方法により得られた混合物の合金化度を示し、●は実施例1の方法により得られた混合物の合金化したCo含有率を示し、▲は比較例1の方法により得られた混合物の合金化したCo含有率を示す。
(7) Calculation of degree of alloying and Co content rate Each mixture obtained in (2), (3), (4), (5), (6) was washed with 0.5 M sulfuric acid to obtain unreduced The sample from which the metal was removed was subjected to ICP analysis and XRD analysis in the same manner as in (7) of Example 1, and the alloying degree of the Pt—Co alloy and the Co content alloyed with Pt were calculated. It was shown in FIG.
In FIG. 1, the horizontal axis indicates the number of times of loading (times), the vertical axis (left side) indicates the degree of alloying, and the vertical axis (right side) indicates the Co content (atom%) alloyed with Pt.
1, ◯ indicates the degree of alloying of the mixture obtained by the method of Example 1, Δ indicates the degree of alloying of the mixture obtained by the method of Comparative Example 1, and ● indicates the degree of alloying of the mixture obtained by the method of Example 1. The alloyed Co content of the obtained mixture is shown, and the triangle indicates the alloyed Co content of the mixture obtained by the method of Comparative Example 1.
(結果と考察)
実施例1の方法により得られた混合物では、比較例1の従来の方法により得られた混合物よりも、Pt−Co合金の合金化度が高く、実施例1の担持回数が2回以上のものでは、比較例1により得られた混合物よりもCo含有率が高かった。 なお、実施例1の担持回数が1回のものと、比較例1の担持回数が1回のものとを比較すると、実施例1の方法で得られる混合物のほうが比較例1の方法により得られる混合物よりもCo含有率が高かった。
これらの結果から、本発明の方法によれば、カーボンに担持されるPt−Co合金の合金化度およびPtと合金化したCoの含有率が高い触媒が得られるということがわかった。
(Results and discussion)
In the mixture obtained by the method of Example 1, the degree of alloying of the Pt—Co alloy is higher than that of the mixture obtained by the conventional method of Comparative Example 1, and the number of loadings of Example 1 is two times or more. Then, Co content rate was higher than the mixture obtained by the comparative example 1. In addition, when the number of loadings of Example 1 is one and the number of loadings of Comparative Example 1 are one, the mixture obtained by the method of Example 1 is obtained by the method of Comparative Example 1. The Co content was higher than that of the mixture.
From these results, it was found that according to the method of the present invention, a catalyst having a high alloying degree of the Pt—Co alloy supported on carbon and a high content of Co alloyed with Pt can be obtained.
2.実施例の方法および比較例の方法により得られた触媒の酸素還元活性の比較
以下の方法により、実施例1の(3)において得られた触媒(Coの担持回数2回のもの)および比較例1の(2)において得られた触媒(Coの担持回数2回のもの)の酸素還元活性を比較した。
2. Comparison of oxygen reduction activity of the catalyst obtained by the method of the example and the method of the comparative example The catalyst obtained in (3) of Example 1 (the number of times of loading Co is 2 times) and the comparative example by the following method The oxygen reduction activities of the catalysts obtained in (2) of 1 (with two Co loadings) were compared.
触媒10mgをエタノール溶液(EtOH 80vol%)1000μlに超音波分散することによって触媒層用スラリーを製作した。この触媒層用スラリー25μlを回転ディスク電極[外径(テフロン(登録商標)ロッド)15mm、カーボン電極部直径3mm]に滴下したのちに、室温飽和エタノール蒸気圧下で乾燥した。次に、130℃、0.2MPaで加圧プレスをおこなったのちに、カーボン電極部以外の触媒層を除去した。つづいて、0.2質量% Nafion溶液(アルドリッチ社製、Nafion 5質量%溶液をエタノールで希釈したもの)20μlを滴下した後に、室温飽和エタノール蒸気圧下で乾燥した。次に、この電極を130℃、空気雰囲気下で30分間熱処理することによって、酸素還元反応に対する活性評価用回転ディスク電極を作製した。
A catalyst layer slurry was prepared by ultrasonically dispersing 10 mg of the catalyst in 1000 μl of an ethanol solution (EtOH 80 vol%). After 25 μl of this catalyst layer slurry was dropped onto a rotating disk electrode [outer diameter (Teflon (registered trademark) rod) 15 mm, carbon
このように作製した、実施例1の方法により作製した触媒を用いた回転ディスク電極、および比較例1の方法により作製した触媒を使用した回転ディスク電極を用いて、対流ボルタンメトリーを行った。回転数を400から2000rpmに変えた対流ボルタモグラムを得たのちに、0.7Vにおける電流値から、Koutechy−Levichプロットを作成し、酸素還元活性の指標となる活性支配電流密度を求めた。 Convection voltammetry was performed using the rotating disk electrode using the catalyst prepared by the method of Example 1 and the rotating disk electrode using the catalyst prepared by the method of Comparative Example 1 manufactured as described above. After obtaining a convection voltammogram with the rotation speed changed from 400 to 2000 rpm, a Koutechy-Levich plot was created from the current value at 0.7 V, and the activity-dominated current density serving as an index of oxygen reduction activity was determined.
対流ボルタンメトリーの結果、実施例1の方法により作製した触媒のほうが比較例1の方法により作製した触媒よりも活性支配電流密度が大きいことがわかった。この結果から、本発明により製造した触媒は、比較の方法により製造した触媒よりも酸素還元活性が高いということが明らかになった。
本発明の製造方法により作製した触媒の酸素還元活性が高いのは、本発明の製造方法により作製した触媒においては、合金化度が高いことに加えて、触媒金属(Pt−Co合金)中の合金化したCoの含有率が高いことに起因するものと考えられる。
As a result of convective voltammetry, it was found that the catalyst produced by the method of Example 1 had a higher activity-dominated current density than the catalyst produced by the method of Comparative Example 1. From this result, it became clear that the catalyst produced by the present invention has higher oxygen reduction activity than the catalyst produced by the comparative method.
The catalyst produced by the production method of the present invention has a high oxygen reduction activity because, in the catalyst produced by the production method of the present invention, in addition to the high degree of alloying, in the catalyst metal (Pt—Co alloy). This is probably due to the high content of alloyed Co.
3.本発明の製造方法および比較の製造方法により得られるPt−Co合金担持カーボンに担持されているPt−Co合金粒子の粒子径の比較
実施例1の製造方法により得られた混合物と、以下に示す比較例2の製造方法により得られた混合物について、各混合物中に含まれるPt−Co合金粒子の粒子径を比較した。
3. Comparison of particle diameters of Pt-Co alloy particles supported on Pt-Co alloy-supported carbon obtained by the production method of the present invention and the comparative production method The mixture obtained by the production method of Example 1 is shown below. About the mixture obtained by the manufacturing method of the comparative example 2, the particle diameter of the Pt-Co alloy particle contained in each mixture was compared.
(比較例2)
Co吸着工程を経て得られた混合物を還元温度1000℃で水素還元したこと以外は比較例1と同様にしてPt−Co合金担持カーボンを含む混合物(Coの担持回数が1回の混合物)を得た。比較例2についても比較例1と同様にしてCoの担持回数が2回の混合物、Coの担持回数が3回の混合物、Coの担持回数が4回の混合物、Coの担持回数が5回の混合物を作製した。
(Comparative Example 2)
A mixture containing Pt—Co alloy-supported carbon (mixture with only one Co support) was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the mixture obtained through the Co adsorption step was reduced with hydrogen at a reduction temperature of 1000 ° C. It was. Similarly to Comparative Example 1, Comparative Example 2 was a mixture with two Co loadings, a mixture with three Co loadings, a mixture with four Co loadings, and a five Co loading. A mixture was made.
(粒子径の算出)
実施例1の(1)で得られた混合物(Co担持前の混合物)、実施例1の製造方法により得られたCoの担持回数が1ないし5回の各混合物、以下に示す比較例2の製造方法により得られたCoの担持回数が0ないし5回の各混合物を、それぞれ、0.5Mの硫酸で洗浄して未還元の金属を除去することにより分析試料を作製した。各試料について、X線回折装置[(株)リガク製、型式:RINT TTR−III]を用いてXRD分析を行い、X線回折パターンを得た。
X線回折パターンのPt(220)ピークの半値幅からScherrerの式をもちいて、Pt−Co合金の粒子径(nm)を算出し、表2および図2に示した。表2には、Coの担持回数が0回のもの(Pt粒子)についても、粒子径を示したが、図2にはCoの担持回数が1回以上のPt−Co粒子の粒子径を示した。
(Calculation of particle size)
The mixture obtained in (1) of Example 1 (mixture before Co loading), each mixture obtained by the production method of Example 1 with 1 to 5 times of loading of Co, and Comparative Example 2 shown below. Analytical samples were prepared by washing each mixture having 0 to 5 Co loadings obtained by the production method with 0.5 M sulfuric acid to remove unreduced metal. Each sample was subjected to XRD analysis using an X-ray diffractometer [manufactured by Rigaku Corporation, model: RINT TTR-III] to obtain an X-ray diffraction pattern.
The particle diameter (nm) of the Pt—Co alloy was calculated from the half width of the Pt (220) peak of the X-ray diffraction pattern using the Scherrer equation, and is shown in Table 2 and FIG. Table 2 also shows the particle diameters of those with 0 Co loadings (Pt particles), but FIG. 2 shows the particle diameters of Pt-Co particles with 1 or more Co loadings. It was.
図2は、Coの担持回数とPt−Co合金粒子の粒子径との関係を示すものであり、図2の横軸は担持回数(回)、縦軸はPt−Co合金粒子の粒子径(nm)を示す。
図2中、○は実施例1の方法により得られた混合物中のPt−Co合金粒子の粒子径を示し、△は比較例2の方法により得られた混合物中のPt−Co合金粒子の粒子径を示す。
FIG. 2 shows the relationship between the number of supported Cos and the particle diameter of Pt—Co alloy particles. The horizontal axis in FIG. 2 is the number of times supported (times), and the vertical axis is the particle diameter of Pt—Co alloy particles ( nm).
In FIG. 2, ◯ indicates the particle diameter of Pt—Co alloy particles in the mixture obtained by the method of Example 1, and Δ indicates particles of Pt—Co alloy particles in the mixture obtained by the method of Comparative Example 2. Indicates the diameter.
(結果と考察)
本発明(実施例1)の製造方法により得られた混合物に含まれるPt−Co合金粒子の粒子径は比較例2の方法により得られた混合物に含まれるPt−Co合金粒子の粒子径よりも小さいということがわかった。
実施例1の方法ではCoの還元温度が低温(200℃)であるのに対して、比較例2の方法ではCoの還元温度が高温1000℃であるため、合金粒子の凝集により合金の粒子径が大きくなったと考えられる。
また、本発明の方法でも、比較例2の方法でも、Coの担持回数が増えるに従い、Pt−Co合金粒子の粒子径が大きくなるということがわかった。
(Results and discussion)
The particle diameter of the Pt—Co alloy particles contained in the mixture obtained by the production method of the present invention (Example 1) is larger than the particle diameter of the Pt—Co alloy particles contained in the mixture obtained by the method of Comparative Example 2. I found it small.
In the method of Example 1, the Co reduction temperature is a low temperature (200 ° C.), whereas in the method of Comparative Example 2, the Co reduction temperature is a high temperature of 1000 ° C .. Seems to have grown.
Further, it was found that both the method of the present invention and the method of Comparative Example 2 show that the particle diameter of the Pt—Co alloy particles increases as the number of Co loadings increases.
4.Coの還元温度の検討
本発明の製造方法においてCoの還元温度を150℃、250℃、および270℃としたもの(実施例2、実施例3、実施例4)について検討した。
4). Examination of Co reduction temperature Co reduction temperatures of 150 ° C., 250 ° C., and 270 ° C. (Example 2, Example 3, and Example 4) in the production method of the present invention were examined.
(実施例2)
Coの水素還元温度を150℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、Pt−Co合金担持カーボンを含む混合物(Coの担持回数は1回)を作製し、この混合物について、実施例1の(7)と同様の方法により、Pt−Co合金の合金化度を算出し表3および図3に示した。
(Example 2)
A mixture containing Pt—Co alloy-supported carbon was prepared in the same manner as in Example 1 except that the hydrogen reduction temperature of Co was set to 150 ° C. The degree of alloying of the Pt—Co alloy was calculated by the same method as in (7) of 1 and shown in Table 3 and FIG.
(実施例3)
Coの水素還元温度を250℃としたこと以外は実施例1と同様にして、Pt−Co合金担持カーボンを含む混合物(Coの担持回数は1回)を作製し、実施例1の(7)と同様にして、Pt−Co合金の合金化度を算出し、表3および図3に示した。
(Example 3)
A mixture containing Pt—Co alloy-supported carbon (Co was supported once) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the hydrogen reduction temperature of Co was set to 250 ° C. Similarly, the degree of alloying of the Pt—Co alloy was calculated and shown in Table 3 and FIG.
(実施例4)
Coの水素還元温度を270℃としたこと以外は実施例1と同様にして、Pt−Co合金担持カーボンを含む混合物(Coの担持回数は1回)を作製し、実施例1の(7)と同様にして、Pt−Co合金の合金化度を算出し、表3および図3に示した。
図3は、Coの水素還元温度とPt−Co合金の合金化度との関係を示すものであり、図3の横軸はCoの水素還元温度(℃)、縦軸はPt−Co合金の合金化度を示す。
表3の該当箇所には実施例1の結果も併せて示した。
Example 4
A mixture containing Pt—Co alloy-supported carbon (Co was supported once) was prepared in the same manner as in Example 1 except that the hydrogen reduction temperature of Co was set to 270 ° C. (7) of Example 1 Similarly, the degree of alloying of the Pt—Co alloy was calculated and shown in Table 3 and FIG.
FIG. 3 shows the relationship between the Co hydrogen reduction temperature and the degree of alloying of the Pt—Co alloy. The horizontal axis in FIG. 3 is the Co hydrogen reduction temperature (° C.), and the vertical axis is the Pt—Co alloy. Indicates the degree of alloying.
The results of Example 1 are also shown in the corresponding places in Table 3.
さらに、実施例1、実施例2、実施例3、および実施例4のPt−Co合金担持カーボンを含む混合物(Coの担持回数は5回)をカソード触媒とした固体高分子形燃料電池単セルを製作したのちに、前記燃料電池単セルの発電性能を比較した。前記単セルのアノードに水素、カソードに空気を流して、電流密度が300mAcm−2におけるセル電圧をしらべた。実施例1のセル電圧の値を1とした場合に対する、実施例2、実施例3、および実施例4のセル電圧値の比率を表3に示し、それぞれのセル電圧値の比率を、還元温度(℃)に対してプロットした結果を図4に示した。 Furthermore, a polymer electrolyte fuel cell single cell using a mixture containing Pt—Co alloy-supported carbon of Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4 (Co supported 5 times) as a cathode catalyst. Then, the power generation performance of the single fuel cell was compared. Hydrogen was supplied to the anode of the single cell and air was supplied to the cathode, and the cell voltage at a current density of 300 mAcm −2 was examined. Table 3 shows the ratio of the cell voltage values of Example 2, Example 3, and Example 4 with respect to the case where the cell voltage value of Example 1 is 1, and the ratio of each cell voltage value is represented by the reduction temperature. The results plotted against (° C.) are shown in FIG.
(結果と考察)
表3および図3に示す結果から、還元温度が高くなるに従い合金化度が高くなるということがわかった。このことは、還元温度の上昇にともなって、PtへのCo原子の拡散が促進されたことに起因するものと思われる。
(Results and discussion)
From the results shown in Table 3 and FIG. 3, it was found that the degree of alloying increases as the reduction temperature increases. This seems to be due to the fact that the diffusion of Co atoms to Pt was promoted as the reduction temperature increased.
一方、表3および図4に示す結果から、還元温度が高くなるに従いセル電圧が高くなり、250℃を越えると低下することがわかった。このことは、合金化度の上昇にともなって、触媒の活性が向上する結果、電圧の値が高くなるものの、250℃を越えると、陽イオン交換樹脂の分解が起こり始めることに起因して、電圧が低下したと考えられる。 On the other hand, from the results shown in Table 3 and FIG. 4, it was found that the cell voltage increased as the reduction temperature increased, and decreased when the temperature exceeded 250 ° C. This is because, as the degree of alloying increases, the activity of the catalyst is improved, and as a result, the value of the voltage increases, but when it exceeds 250 ° C., decomposition of the cation exchange resin begins to occur. The voltage is thought to have dropped.
5.遷移金属化合物が溶媒中で生じるアニオンの検討
本発明の製造方法において、遷移金属化合物として、塩化コバルト、酢酸コバルト、および、ぎ酸コバルト(実施例1、比較例3、および比較例4)を用いた場合における、触媒の合金化度および触媒中のPtと合金化したCo含有率をしらべた。
5). Examination of anions produced by transition metal compound in solvent In the production method of the present invention, cobalt chloride, cobalt acetate, and cobalt formate (Example 1, Comparative Example 3, and Comparative Example 4) are used as the transition metal compound. In this case, the degree of alloying of the catalyst and the content of Co alloyed with Pt in the catalyst were investigated.
(比較例3)
遷移金属化合物として、酢酸コバルト[Co(CH3COO)2]を用いたこと以外は、実施例1の(6)と同様にして、Pt−Co合金担持カーボンを含む混合物(Coの担持回数は5回)を作製し、この混合物について、実施例1の(7)と同様の方法により、Pt−Co合金の合金化度および触媒中の合金化したCo含有率(atom%)を求めて、表4に示した。
(Comparative Example 3)
Except that cobalt acetate [Co (CH 3 COO) 2 ] was used as the transition metal compound, in the same manner as in (6) of Example 1, a mixture containing Pt—Co alloy-supported carbon (the number of times Co was supported) 5 times), and for this mixture, the alloying degree of the Pt—Co alloy and the alloyed Co content (atom%) in the catalyst were determined by the same method as in (7) of Example 1, It is shown in Table 4.
(比較例4)
遷移金属化合物として、ぎ酸コバルト[Co(HCOO)2]を用いたこと以外は、実施例1の(6)と同様にして、Pt−Co合金担持カーボンを含む混合物(Coの担持回数は5回)を作製し、この混合物について、実施例1の(7)と同様の方法により、Pt−Co合金の合金化度および触媒中の合金化したCo含有率(atom%)を求めて、表4に示した。
表4の該当箇所には、実施例1の結果も併せて示した。
(Comparative Example 4)
Except that cobalt formate [Co (HCOO) 2 ] was used as the transition metal compound, the mixture containing Pt—Co alloy-supported carbon (Co supported number of times was 5) in the same manner as in (6) of Example 1. For this mixture, the degree of alloying of the Pt—Co alloy and the alloyed Co content (atom%) in the catalyst were determined by the same method as in Example 7 (7). This is shown in FIG.
In the corresponding part of Table 4, the results of Example 1 are also shown.
(結果および考察)
表4にしめす結果から、実施例1の触媒の合金化度および触媒中のPtと合金化したCo含有率は、比較例3および4よりも高いことがわかる。この要因は、つぎのように考察できる。コバルトイオンとプロトンとのイオン交換によって生成される酸は、実施例1は塩酸(CoCl2⇔2H+→Co2++2HCl)、比較例3は酢酸[Co(CH3COO)2⇔2H+→Co2++2CH3COOH]、比較例4はぎ酸[Co(HCOO)2⇔2H+→Co2++2HCOOH]である。
実施例1の場合、あらかじめ担持した白金ナノ粒子の表層が塩酸によってわずかに溶解し、白金イオンとコバルトイオンとの共析が起こりやすい。
一方、比較例3および4の場合、生成する酸が弱酸であるので、あらかじめ担持した白金ナノ粒子の溶解が起こらない。したがって、実施例1の方が、比較例3および4よりも合金化度およびPtと合金化したCo含有率が高くなるものと思われる。以上のことから、プロトンとのイオン交換によって、白金の溶解性が比較的高い強酸(塩酸以外に、硫酸、硝酸が効果的であることが確認された。)を生成しうる対アニオンをもつ遷移金属化合物を用いることが、好適であることがわかった。
(Results and Discussion)
The results shown in Table 4 show that the degree of alloying of the catalyst of Example 1 and the Co content alloyed with Pt in the catalyst are higher than those of Comparative Examples 3 and 4. This factor can be considered as follows. The acid produced by ion exchange between cobalt ions and protons is hydrochloric acid (CoCl 2 ⇔2H + → Co 2+ + 2HCl) in Example 1, and acetic acid [Co (CH 3 COO) 2 ⇔2H + → Co in Comparative Example 3. 2+ + 2CH 3 COOH], Comparative Example 4 is formic acid [Co (HCOO) 2 ⇔2H + → Co 2+ + 2HCOOH].
In the case of Example 1, the surface layer of platinum nanoparticles supported in advance is slightly dissolved by hydrochloric acid, and eutectoid of platinum ions and cobalt ions tends to occur.
On the other hand, in the case of Comparative Examples 3 and 4, since the acid produced is a weak acid, the platinum nanoparticles supported in advance do not dissolve. Therefore, it is considered that Example 1 has a higher degree of alloying and a Co content alloyed with Pt than Comparative Examples 3 and 4. Based on the above, transitions with counter anions that can generate strong acids with relatively high platinum solubility (sulfuric acid and nitric acid are effective in addition to hydrochloric acid) by ion exchange with protons. It has been found suitable to use a metal compound.
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)上記実施例では、遷移金属化合物として、塩化コバルトを用いたが、これに代えて、塩化ニッケル、塩化鉄、硫酸コバルト、硝酸コバルトなどを用いてもよい。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described with reference to the above description and drawings. For example, the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
(1) Although cobalt chloride is used as the transition metal compound in the above embodiment, nickel chloride, iron chloride, cobalt sulfate, cobalt nitrate, or the like may be used instead.
Claims (3)
前記第1の工程を実行することにより得られた第2の混合物中の白金イオンを水素還元する第2の工程と、
第2の工程を実行することより得られた第3の混合物と、塩素イオン、硫酸イオンおよび硝酸イオンから選ばれるアニオン、ならびに、コバルト、ニッケルおよび鉄から選ばれる遷移金属のカチオンを含む溶液中の前記カチオンとを、イオン交換反応させることにより、前記遷移金属のカチオンを前記第3の混合物に含まれる陽イオン交換樹脂に吸着させる第3の工程と、
前記第3の工程を実行することにより得られた第4の混合物中の前記遷移金属のカチオンを水素還元する第4の工程と、を実行することを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。 A first step of adsorbing the platinum ions on the cation exchange resin by causing an ion exchange reaction between the first mixture containing carbon and a cation exchange resin and platinum ions;
A second step of hydrogen reducing platinum ions in the second mixture obtained by performing the first step;
In a solution comprising a third mixture obtained by performing the second step, an anion selected from chloride ion, sulfate ion and nitrate ion, and a cation of a transition metal selected from cobalt, nickel and iron A third step of adsorbing the cation of the transition metal on the cation exchange resin contained in the third mixture by causing an ion exchange reaction with the cation;
And a fourth step of performing hydrogen reduction of the cation of the transition metal in the fourth mixture obtained by executing the third step. A method for producing a fuel cell catalyst, comprising:
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