JP2012157833A - Method for producing catalytic fine particle, catalytic fine particle produced thereby, and catalytic fine particle-containing electrode catalyst for fuel cell - Google Patents

Method for producing catalytic fine particle, catalytic fine particle produced thereby, and catalytic fine particle-containing electrode catalyst for fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for efficiently obtaining a catalytic fine particle having a high covering rate, the catalytic fine particle having such a structure that a center particle is covered with an outermost layer, and to provide the catalytic fine particle obtained by the method and a catalytic fine particle-containing electrode catalyst for fuel cells.SOLUTION: The method for producing the catalytic fine particle, which includes the center particle and the outermost layer for covering the center particle, includes a step of preparing the center particle; a step of applying an electrical potential to the center particle in a copper ion solution of the temperature lower than normal temperature to cover the surface of the center particle with a copper atom layer; and a step of substituting the outermost layer for the copper atom layer.

Description

本発明は、中心粒子に最外層が被覆された構造を有する触媒微粒子について、高い被覆率の触媒微粒子を効率よく得る製造方法、当該方法により得られる触媒微粒子、当該触媒微粒子を含む燃料電池用電極触媒に関する。   The present invention relates to a method for efficiently obtaining catalyst fine particles having a high coverage with respect to catalyst fine particles having a structure in which the outermost layer is coated on the center particle, the catalyst fine particles obtained by the method, and a fuel cell electrode containing the catalyst fine particles Relates to the catalyst.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually formed by laminating a plurality of single cells having a basic structure of a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.

従来、燃料電池のアノード及びカソードの電極触媒として、担持白金及び白金合金材料が採用されてきた。しかし、現在の最新技術の電極触媒に必要な量の白金は、燃料電池の大量生産を商業的に実現可能にするには依然として高価である。貴金属単価が触媒価格に与える影響は大きく、このため更なる貴金属の単位質量当たりの活性の向上が望まれる。
また、高電位環境下においては、白金イオンが溶出する一方、低電位環境下においては、白金イオンが析出する。したがって、高電位放電と低電位放電が交互に繰り返されると、白金粒子の凝集が起こる。このような白金粒子の凝集は、有効電極面積の低下を招き電池性能の低下の一因となる。
Conventionally, supported platinum and platinum alloy materials have been employed as electrode catalysts for anodes and cathodes of fuel cells. However, the amount of platinum required for current state-of-the-art electrocatalysts is still expensive to make mass production of fuel cells commercially feasible. The influence of the noble metal unit price on the catalyst price is great, and therefore further improvement in the activity per unit mass of the noble metal is desired.
In addition, platinum ions are eluted under a high potential environment, while platinum ions are precipitated under a low potential environment. Therefore, when high potential discharge and low potential discharge are alternately repeated, aggregation of platinum particles occurs. Such agglomeration of platinum particles causes a decrease in effective electrode area and contributes to a decrease in battery performance.

触媒活性と触媒耐久性との双方の向上を目的とした研究の1つとして、いわゆるコア−シェル構造を有する電極触媒の研究がある。特許文献1には、導電性支持体に結合した、金−被覆金属粒子を含み、該金−被覆金属粒子が、金または金合金製の、原子的に薄い外殻によって少なくとも部分的に封入された、貴金属−含有コアを含むことを特徴とする、酸素−還元電極触媒が開示されている。   One of the studies aimed at improving both the catalyst activity and the catalyst durability is a study of an electrocatalyst having a so-called core-shell structure. U.S. Patent No. 6,057,033 includes gold-coated metal particles bonded to a conductive support, the gold-coated metal particles being at least partially encapsulated by an atomically thin outer shell made of gold or a gold alloy. Also disclosed is an oxygen-reducing electrocatalyst characterized by comprising a noble metal-containing core.

特表2009−510705号公報Special table 2009-510705 gazette

特許文献1の明細書の段落[0184]には、パラジウム粒子上に、自然レドックス置換法により白金層を堆積させる方法に関する記載がある。しかし、本発明者らが検討した結果、後述する実施例において示すように、自然レドックス置換法のうち、特に銅アンダーポテンシャル析出法を応用した置換メッキ法を用いる場合には、電解液となる銅イオン溶液の温度条件が、続く置換メッキによる被覆効率に重大な影響を及ぼすことが明らかとなった。しかし、当該特許文献1には、明細書の段落[0194]に、白金に銅単原子層を被覆することについての記載はあるものの、銅単原子層被覆に用いる銅イオン溶液の温度条件についての記載は一切なく、またその示唆もない。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、中心粒子に最外層が被覆された構造を有する触媒微粒子について、高い被覆率の触媒微粒子を効率よく得る製造方法、当該方法により得られる触媒微粒子、当該触媒微粒子を含む燃料電池用電極触媒を提供することを目的とする。
Paragraph [0184] of the specification of Patent Document 1 describes a method for depositing a platinum layer on palladium particles by a natural redox substitution method. However, as a result of the study by the present inventors, as shown in the examples described later, among the natural redox substitution methods, in particular, when using a substitution plating method to which the copper underpotential deposition method is applied, copper serving as an electrolytic solution is used. It became clear that the temperature conditions of the ionic solution had a significant effect on the coating efficiency by subsequent displacement plating. However, although the patent document 1 has a description about covering a copper monoatomic layer on platinum in paragraph [0194] of the specification, the temperature condition of a copper ion solution used for copper monoatomic layer coating is described. There is no mention or suggestion.
The present invention has been achieved in view of the above-mentioned circumstances, and a catalyst fine particle having a structure in which the outermost layer is coated on the center particle is obtained by the method for efficiently obtaining catalyst fine particles having a high coverage rate. An object of the present invention is to provide catalyst fine particles and a fuel cell electrode catalyst containing the catalyst fine particles.

本発明の触媒微粒子の製造方法は、中心粒子と、当該中心粒子を被覆する最外層を備える触媒微粒子の製造方法であって、前記中心粒子を準備する工程、常温未満の銅イオン溶液中、前記中心粒子に電位を印加することにより、前記中心粒子の表面に銅原子層を被覆する工程、及び、前記銅原子層を、前記最外層に置換する工程を有することを特徴とする。   The method for producing catalyst fine particles of the present invention is a method for producing catalyst fine particles comprising a center particle and an outermost layer covering the center particle, the step of preparing the center particle, in a copper ion solution at a temperature lower than room temperature, It is characterized by having a step of coating a copper atom layer on the surface of the center particle by applying a potential to the center particle, and a step of replacing the copper atom layer with the outermost layer.

本発明においては、前記銅原子層被覆工程において、前記銅イオン溶液の温度を0〜18℃とすることが好ましい。   In this invention, it is preferable that the temperature of the said copper ion solution shall be 0-18 degreeC in the said copper atomic layer coating process.

本発明においては、前記中心粒子が、パラジウム、イリジウム、ロジウム及び金からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を含むことが好ましい。   In the present invention, the center particle preferably contains at least one metal selected from the group consisting of palladium, iridium, rhodium and gold.

本発明においては、前記最外層が、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム及び金からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を含むことが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the outermost layer contains at least one metal selected from the group consisting of platinum, iridium, ruthenium, rhodium and gold.

本発明においては、前記銅原子層被覆工程において、常温の前記銅イオン溶液中における前記中心粒子に被覆した銅の量を100と仮定したときの、常温未満の前記銅イオン溶液中における前記中心粒子に被覆した銅の量の割合が103〜120であってもよい。   In the present invention, in the copper atomic layer coating step, when the amount of copper coated on the central particles in the copper ion solution at normal temperature is assumed to be 100, the central particles in the copper ion solution at a temperature lower than normal temperature The ratio of the amount of copper coated on the surface may be 103 to 120.

本発明においては、前記中心粒子に被覆した銅の量は、前記中心粒子に対する銅の吸着電荷量に基づき算出される量であることが好ましい。   In the present invention, the amount of copper coated on the center particle is preferably an amount calculated based on the amount of charge adsorbed on the center particle.

本発明の触媒微粒子は、上記製造方法により製造されることを特徴とする。   The catalyst fine particles of the present invention are produced by the above production method.

本発明の燃料電池用電極触媒は、カーボン担体に、上記触媒微粒子が担持されていることを特徴とする。   The fuel cell electrode catalyst of the present invention is characterized in that the catalyst fine particles are supported on a carbon support.

本発明によれば、中心粒子の表面に銅原子層を被覆する工程において、常温未満の銅イオン溶液を用いることで、銅の単原子層の析出が生じる電位の範囲と、銅のバルク析出が生じる電位の範囲の重なる部分を無くすか、又は極めて小さくすることができ、中心粒子が銅単原子層により被覆される割合を従来よりも高くすることができる。   According to the present invention, in the step of covering the surface of the center particle with the copper atomic layer, by using a copper ion solution at a temperature lower than room temperature, the potential range in which precipitation of the copper monoatomic layer occurs, and the copper bulk precipitation The overlapping portion of the potential range to be generated can be eliminated or made extremely small, and the ratio of the center particle covered with the copper monoatomic layer can be made higher than before.

中心粒子に銅原子層を被覆する際のサイクリックボルタモグラムの還元波を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the reduction wave of the cyclic voltammogram at the time of coat | covering a copper atomic layer to center particle | grains. 作用極上の触媒層中の触媒微粒子の断面構造を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the cross-sectional structure of the catalyst fine particle in the catalyst layer on a working electrode. 実施例1、実施例2及び比較例1のCVを重ねて示した図である。It is the figure which accumulated and showed CV of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. FIG. 実施例1のCV中の銅吸着ピーク面積を示したグラフである。2 is a graph showing a copper adsorption peak area in CV of Example 1. FIG. 表1の結果をまとめたグラフである。3 is a graph summarizing the results of Table 1. Cu−UPDを行う装置を示した斜視模式図である。It is the isometric view schematic diagram which showed the apparatus which performs Cu-UPD.

本発明の触媒微粒子の製造方法は、中心粒子と、当該中心粒子を被覆する最外層を備える触媒微粒子の製造方法であって、前記中心粒子を準備する工程、常温未満の銅イオン溶液中、前記中心粒子に電位を印加することにより、前記中心粒子の表面に銅原子層を被覆する工程、及び、前記銅原子層を、前記最外層に置換する工程を有することを特徴とする。   The method for producing catalyst fine particles of the present invention is a method for producing catalyst fine particles comprising a center particle and an outermost layer covering the center particle, the step of preparing the center particle, in a copper ion solution at a temperature lower than room temperature, It is characterized by having a step of coating a copper atom layer on the surface of the center particle by applying a potential to the center particle, and a step of replacing the copper atom layer with the outermost layer.

本発明において、中心粒子に電位を印加するとは、中心粒子に電位を付与することを指す。ここでいう電位には、一定の値の電位の他にも、経時的に変化する電位も含まれる。したがって、本発明における電位の印加には、所定の範囲の電位を掃引することも含まれる。   In the present invention, applying a potential to the center particle means applying a potential to the center particle. The potential here includes not only a constant potential but also a potential that changes over time. Therefore, the application of a potential in the present invention includes sweeping a predetermined range of potential.

いわゆるコア−シェル構造を有する電極触媒の製造方法として、銅アンダーポテンシャル析出法(Cu Under potential deposition method;以下、Cu−UPDと称する場合がある)を応用した置換メッキを用いる方法が従来から知られている。Cu−UPDは、中心粒子に銅を被覆する工程において、各中心粒子への銅析出量を均一にすることができる。   As a method for producing an electrocatalyst having a so-called core-shell structure, a method using displacement plating applying a copper under potential deposition method (hereinafter, sometimes referred to as Cu-UPD) has been known. ing. Cu-UPD can make the amount of copper deposited on each center particle uniform in the step of coating the center particles with copper.

Cu−UPDを代表とする銅析出法を用いた従来技術においては、中心粒子の全表面積に対する銅単原子層の面積の割合(以下、Cu−UPDによる銅被覆率と称する場合がある)が低いため、中心粒子の表面が露出したり、続く置換メッキにより形成される最外層にエッジ部が生じたりすることがある。そのため、中心粒子及び最外層はいずれも溶出しやすくなり、触媒自体の耐久性が低下するおそれがあった。また、主に電極触媒金属により形成される最外層の面積が少ないため、触媒活性も低いものであった。
本発明者らは、このような問題の原因が、中心粒子に銅を被覆する工程において、Cu−UPDによる銅被覆率を100%に近づけようとすると、Cu−UPDが生じる電位の範囲の一部が、銅のバルク析出が生じる電位の範囲の一部と重なることを発見した。ここで、銅のバルク析出とは、各中心粒子への銅析出量が単原子層よりも多く且つ不均一となる析出を意味する。このため、銅のバルク析出を防ごうとすると、Cu−UPD被覆率が100%になる前に中心粒子に対する電位の印加を止める必要があり、その結果、Cu−UPD被覆率が低下するという課題があった。
In the prior art using a copper deposition method typified by Cu-UPD, the ratio of the area of the copper monoatomic layer to the total surface area of the center particles (hereinafter, sometimes referred to as copper coverage by Cu-UPD) is low. For this reason, the surface of the center particle may be exposed, or an edge portion may be formed on the outermost layer formed by subsequent substitution plating. For this reason, both the center particles and the outermost layer are likely to elute, and the durability of the catalyst itself may be reduced. Moreover, since the area of the outermost layer formed mainly by the electrode catalyst metal is small, the catalytic activity is also low.
The present inventors have found that the cause of such a problem is that in the step of coating the center particles with copper, if the copper coverage by Cu-UPD is made close to 100%, one of the potential ranges in which Cu-UPD is generated. We found that the part overlaps part of the potential range where copper bulk deposition occurs. Here, the bulk deposition of copper means deposition in which the amount of copper deposited on each central particle is larger than that of the monoatomic layer and becomes non-uniform. For this reason, when it is going to prevent the bulk precipitation of copper, it is necessary to stop the application of the electric potential with respect to a center particle, before Cu-UPD coverage becomes 100%, As a result, the subject that Cu-UPD coverage falls was there.

図1は、中心粒子に銅原子層を被覆する際のサイクリックボルタモグラム(以下、CVと称する場合がある)の還元波を示した模式図である。図1中の矢印2は、電位を掃引する方向を示す。
図1(a)は、中心粒子に銅単原子層を被覆する際の、理想的なCVの還元波を示した模式図である。曲線1は、Cu−UPDに由来するCVの還元波を示す。斜線で示した銅吸着ピーク面積は、中心粒子に対する銅吸着量に対応する。理論上は、当該銅吸着量の全てが銅単原子層の形成に用いられ、中心粒子に均一に銅単原子層を析出させることができる。
図1(b)は、図1(a)で示した曲線1に曲線3aを重ねて示した模式図である。曲線3aは、常温の銅イオン溶液を用いて中心粒子に銅単原子層を被覆する際に生じる銅のバルク析出に由来するCVの還元波を示す。なお、常温とは、20〜25℃のことをいう。
図1(b)に示すように、Cu−UPDによる銅単原子層の析出と、銅のバルク析出とが同時に生じる電位の範囲4が存在する。したがって、実際のCVの還元波は、曲線1と曲線3aとを足し合わせた曲線となる。そのため、従来の銅析出法においては、Cu−UPDに由来する銅に加えて、バルク析出に由来する銅も析出し、中心粒子に均一に銅単原子層を析出させることができなかった。また、後述するように、触媒層内の銅析出量の粒子間ばらつきが大きくなるという問題もあった。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a reduction wave of a cyclic voltammogram (hereinafter sometimes referred to as CV) when a central particle is coated with a copper atomic layer. An arrow 2 in FIG. 1 indicates a direction in which the potential is swept.
FIG. 1A is a schematic diagram showing an ideal CV reduction wave when a central particle is coated with a copper monoatomic layer. Curve 1 shows a reduction wave of CV derived from Cu-UPD. The copper adsorption peak area indicated by oblique lines corresponds to the copper adsorption amount with respect to the center particle. Theoretically, all of the copper adsorption amount is used for forming the copper monoatomic layer, and the copper monoatomic layer can be uniformly deposited on the center particle.
FIG. 1B is a schematic diagram in which a curve 3a is superimposed on the curve 1 shown in FIG. Curve 3a shows a CV reduction wave derived from the bulk deposition of copper that occurs when a copper monoatomic layer is coated on the center particle using a room temperature copper ion solution. In addition, normal temperature means 20-25 degreeC.
As shown in FIG. 1B, there is a potential range 4 in which the deposition of a copper monoatomic layer by Cu-UPD and the bulk deposition of copper occur simultaneously. Therefore, the actual reduction wave of CV is a curve obtained by adding the curve 1 and the curve 3a. Therefore, in the conventional copper deposition method, in addition to copper derived from Cu-UPD, copper derived from bulk deposition also precipitated, and a copper monoatomic layer could not be deposited uniformly on the center particle. Further, as will be described later, there is a problem in that the variation in the amount of deposited copper in the catalyst layer becomes large.

そこで、本発明者らは、銅イオン溶液の温度を制御することにより、Cu−UPDにより銅単原子層が析出する電位の範囲と、銅のバルク析出が起こる電位の範囲とを分離することを検討した。
図1(c)は、図1(b)に、さらに曲線3bを重ねて示した模式図である。曲線3bは、低温の銅イオン溶液を用いて中心粒子に銅単原子層を被覆する際に生じる銅のバルク析出に由来するCVの還元波を示す。なお、ここでいう低温とは、常温未満の温度のことをいう。
図1(c)に示すように、銅イオン溶液の温度を従来よりも低くすることで、銅のバルク析出が始まる電位を従来よりも低くすることが可能であり、その結果、Cu−UPDによる銅単原子層の析出と、銅のバルク析出とが同時に生じる電位の範囲4は、低温下では格段に狭まる。これにより、Cu−UPDにより析出する銅の割合を増やすことができ、続く最外層の均一な被覆が可能となる。
Therefore, the present inventors have separated the potential range where the copper monoatomic layer is deposited by Cu-UPD from the potential range where the bulk deposition of copper occurs by controlling the temperature of the copper ion solution. investigated.
FIG.1 (c) is the schematic diagram which overlapped and showed the curve 3b on FIG.1 (b). Curve 3b shows the reduction wave of CV derived from the bulk deposition of copper that occurs when the central particle is coated with a copper monoatomic layer using a low-temperature copper ion solution. In addition, the low temperature here means the temperature below normal temperature.
As shown in FIG. 1 (c), by lowering the temperature of the copper ion solution than before, it is possible to lower the potential at which copper bulk deposition starts than before. As a result, the Cu-UPD The potential range 4 in which the deposition of the copper monoatomic layer and the bulk deposition of copper occur simultaneously becomes markedly narrow at low temperatures. Thereby, the ratio of the copper deposited by Cu-UPD can be increased, and the subsequent outermost layer can be uniformly coated.

銅のバルク析出により、中心粒子の表面に2原子層以上の銅が析出する。このため、続く置換メッキにより最外層を形成した際に、最外層が不均一な層となり、置換メッキに用いた電極触媒の利用率や、質量当たりの活性が低下するという問題があった。また、最外層が不均一な層となることにより、各触媒微粒子の構造が不均一となり、触媒微粒子間の構造のバラツキが生じるという問題があった。   Due to the bulk deposition of copper, two or more atomic layers of copper are deposited on the surface of the center particle. For this reason, when the outermost layer is formed by the subsequent substitution plating, the outermost layer becomes a non-uniform layer, and there is a problem that the utilization rate of the electrode catalyst used for the substitution plating and the activity per mass are lowered. Further, since the outermost layer is a non-uniform layer, the structure of each catalyst fine particle becomes non-uniform, resulting in a variation in structure between the catalyst fine particles.

このような問題は、中心粒子を含む触媒ペーストを作用極に塗布して触媒層を形成し、銅イオン溶液中で当該触媒層に電位を印加する方法を用いて銅被覆を行う際に特に顕著となる。これは、触媒層の厚み方向に銅イオンの濃度勾配が生じることによるものである。
図2は、作用極上の触媒層中の触媒微粒子の断面構造を示した模式図である。図2中には、それぞれ異なる条件下において形成された触媒微粒子10を、3行3列に並べて示す。触媒微粒子10は、それぞれ、中心粒子11と最外層12からなるものとする。図2中の縦軸は触媒層の厚み方向を示し、上の行の触媒微粒子ほど触媒層の表面側で形成され、下の行の触媒微粒子ほど触媒層の内部で形成されたことを示す。また、図2中の横軸は銅イオン溶液の温度を示し、右の列の触媒微粒子はより高温の銅イオン溶液を使用して形成され、左の列の触媒微粒子はより低温の銅イオン溶液を使用して形成されたことを示す。
図2中の右の列の断面模式図により顕著に示されているように、銅のバルク析出は、触媒層の表面と銅イオン溶液との界面から優先的に生じる。一方、銅のバルク析出は、触媒層の内部では起こりにくい。これは、銅のバルク析出が、銅イオン濃度が高いところから順に生じるためである。その結果、触媒微粒子間の構造のバラツキが起こると共に、続く最外層の形成において使用される電極触媒金属の量が増加することから、電極触媒金属の利用率、及び触媒微粒子の質量当たりの活性の低下が生じる。
しかし、上述したように、従来よりも低温の銅イオン溶液を用いることにより、バルク析出に費やされる銅の割合を抑えることができる。したがって、図2中の左の列の断面模式図に示すように、触媒微粒子間の構造のバラツキを抑えることができる。
Such a problem is particularly noticeable when a catalyst paste containing central particles is applied to the working electrode to form a catalyst layer, and copper is coated using a method in which a potential is applied to the catalyst layer in a copper ion solution. It becomes. This is because a concentration gradient of copper ions occurs in the thickness direction of the catalyst layer.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of catalyst fine particles in the catalyst layer on the working electrode. In FIG. 2, catalyst fine particles 10 formed under different conditions are shown in 3 rows and 3 columns. The catalyst fine particles 10 are each composed of a center particle 11 and an outermost layer 12. The vertical axis in FIG. 2 indicates the thickness direction of the catalyst layer. The upper row of catalyst fine particles is formed on the surface side of the catalyst layer, and the lower row of catalyst fine particles is formed inside the catalyst layer. Also, the horizontal axis in FIG. 2 indicates the temperature of the copper ion solution, the catalyst fine particles in the right column are formed using a higher temperature copper ion solution, and the catalyst fine particles in the left column are the lower temperature copper ion solution. It shows that it was formed using.
As prominently shown by the schematic cross-sectional view in the right column in FIG. 2, the bulk deposition of copper preferentially occurs from the interface between the surface of the catalyst layer and the copper ion solution. On the other hand, copper bulk deposition hardly occurs inside the catalyst layer. This is because the bulk deposition of copper occurs in order from the highest copper ion concentration. As a result, the structure variation between the catalyst fine particles occurs, and the amount of the electrocatalyst metal used in the subsequent formation of the outermost layer increases, so that the utilization rate of the electrocatalyst metal and the activity per mass of the catalyst fine particles are increased. A decrease occurs.
However, as described above, the proportion of copper consumed for bulk deposition can be suppressed by using a copper ion solution having a temperature lower than that of the prior art. Therefore, as shown in the schematic cross-sectional view of the left column in FIG. 2, the variation in the structure between the catalyst fine particles can be suppressed.

以上のように、本発明者らは、銅被覆に用いる銅イオン溶液の温度を従来よりも低くすることにより、均一な最外層を有する触媒微粒子が得られること、及び、触媒微粒子間の構造のバラつきが抑えられることを見出し、本発明を完成させた。   As described above, the inventors of the present invention can obtain catalyst fine particles having a uniform outermost layer by lowering the temperature of the copper ion solution used for copper coating, and the structure between the catalyst fine particles. The present inventors have found that variation can be suppressed and completed the present invention.

従来行われていたCu−UPDは、銅イオン溶液の温度制御を一切行わないものであった。温度制御用の装置や、温度を監視する手間やコストも必要であるため、銅イオン溶液の温度制御には利点が無いと考えられるのが通常である。
しかし、本発明者らが検討した結果、後述する実施例において示すように、銅イオン溶液を常温未満に制御してCu−UPDを行うことにより、当初の予想をはるかに超え、銅吸着量が従来と比較して増加し、中心粒子の全表面積に対する銅単原子層の面積の割合が顕著に向上することが見出された。
Conventionally, Cu-UPD does not perform any temperature control of the copper ion solution. It is usually considered that there is no advantage in controlling the temperature of the copper ion solution because a device for temperature control, labor and cost for monitoring the temperature are also required.
However, as a result of the study by the present inventors, as shown in the examples described later, by performing Cu-UPD by controlling the copper ion solution below room temperature, the amount of copper adsorbed is far beyond the initial expectation. It has been found that the ratio of the area of the copper monoatomic layer to the total surface area of the center particle is significantly improved as compared with the conventional case.

本発明は、(1)中心粒子を準備する工程、(2)冷却した銅イオン溶液中において中心粒子に銅単原子層を被覆する工程、及び、(3)銅単原子層を最外層に置換する工程を有する。本発明は、必ずしも上記3工程のみに限定されることはなく、上記3工程以外にも、例えば、後述するような乾燥・洗浄工程等を有していてもよい。
以下、上記工程(1)〜(3)及びその他の工程について、順に説明する。
The present invention includes (1) a step of preparing a center particle, (2) a step of coating a copper monoatomic layer on the center particle in a cooled copper ion solution, and (3) replacing the copper monoatomic layer with an outermost layer. The process of carrying out. The present invention is not necessarily limited to only the above three steps, and may include, for example, a drying / washing step as described later, in addition to the above three steps.
Hereinafter, the steps (1) to (3) and other steps will be described in order.

1.中心粒子を準備する工程
本発明に使用される中心粒子を構成する材料は、後述する最外層に用いられる材料と格子不整合を生じない金属材料であることが好ましい。また、コストを抑える観点からは、本発明に使用される中心粒子を構成する材料は、後述する最外層に用いられる材料よりも安価な金属材料であることが好ましい。さらに、本発明に使用される中心粒子を構成する材料は、電気的導通がとれ、銅が定着できる金属材料であることが好ましい。
この様な観点から、本発明に使用される中心粒子に含まれる材料は、パラジウム、イリジウム、ロジウム若しくは金等の金属、又は2種以上の当該金属からなる合金を含むことが好ましい。これらの金属材料のうち、パラジウム、又は上記金属材料を含むパラジウム合金を中心粒子に使用することがより好ましい。
1. Step of Preparing Center Particles The material constituting the center particles used in the present invention is preferably a metal material that does not cause lattice mismatch with the material used for the outermost layer described later. Further, from the viewpoint of cost reduction, it is preferable that the material constituting the central particle used in the present invention is a metal material that is cheaper than the material used for the outermost layer described later. Furthermore, the material constituting the central particles used in the present invention is preferably a metal material that can be electrically connected and can fix copper.
From such a viewpoint, it is preferable that the material contained in the central particle used in the present invention contains a metal such as palladium, iridium, rhodium or gold, or an alloy made of two or more of the metals. Of these metal materials, it is more preferable to use palladium or a palladium alloy containing the metal material as the central particle.

中心粒子の平均粒径は、後述する触媒微粒子の平均粒径以下であれば、特に限定されない。なお、中心粒子1つ当たりのコストに対する、中心粒子の表面積の割合が高いという観点から、中心粒子の平均粒径は、好ましくは4〜40nm、特に好ましくは5〜10nmである。
なお、本発明に使用される粒子の平均粒径は、常法により算出される。粒子の平均粒径の算出方法の例は以下の通りである。まず、400,000倍又は1,000,000倍のTEM(透過型電子顕微鏡)画像において、ある1つの粒子について、当該粒子を球状と見なした際の粒径を算出する。このようなTEM観察による平均粒径の算出を、同じ種類の200〜300個の粒子について行い、これらの粒子の平均を平均粒径とする。
The average particle diameter of the center particles is not particularly limited as long as it is equal to or less than the average particle diameter of catalyst fine particles described later. In addition, from the viewpoint that the ratio of the surface area of the center particle to the cost per center particle is high, the average particle size of the center particle is preferably 4 to 40 nm, particularly preferably 5 to 10 nm.
In addition, the average particle diameter of the particle | grains used for this invention is computed by a conventional method. An example of a method for calculating the average particle size of the particles is as follows. First, in a TEM (transmission electron microscope) image having a magnification of 400,000 times or 1,000,000 times, a particle size is calculated for a certain particle when the particle is considered to be spherical. Calculation of the average particle diameter by such TEM observation is performed for 200 to 300 particles of the same type, and the average of these particles is taken as the average particle diameter.

中心粒子は担体に担持されていてもよい。特に、本発明に係る触媒微粒子を燃料電池の電極触媒層に使用した際、電極触媒層に導電性を付与するという観点から、担体が導電性材料であることが好ましい。
担体として使用できる導電性材料の具体例としては、ケッチェンブラック(商品名:ケッチェン・ブラック・インターナショナル株式会社製)、バルカン(商品名:Cabot社製)、ノーリット(商品名:Norit社製)、ブラックパール(商品名:Cabot社製)、アセチレンブラック(商品名:Chevron社製)等の炭素粒子や、炭素繊維等の導電性炭素材料;金属粒子や金属繊維等の金属材料;が挙げられる。
The central particle may be supported on a carrier. In particular, when the catalyst fine particles according to the present invention are used in an electrode catalyst layer of a fuel cell, the support is preferably a conductive material from the viewpoint of imparting conductivity to the electrode catalyst layer.
Specific examples of the conductive material that can be used as a carrier include Ketjen black (trade name: manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.), Vulcan (product name: manufactured by Cabot), Norit (trade name: manufactured by Norit), Examples thereof include carbon particles such as black pearl (trade name: manufactured by Cabot), acetylene black (trade name: manufactured by Chevron), conductive carbon materials such as carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers.

中心粒子を準備する工程の前には、中心粒子の担体への担持が行われてもよい。中心粒子の担体への担持方法には、従来から用いられている方法を採用することができる。中心粒子に合金を使用する場合には、合金の合成と中心粒子の担体への担持が同時に行われてもよい。   Prior to the step of preparing the center particles, the center particles may be supported on the carrier. Conventionally used methods can be adopted as a method for supporting the center particles on the carrier. When an alloy is used for the center particles, the synthesis of the alloy and the loading of the center particles on the support may be performed simultaneously.

2.冷却した銅イオン溶液中において中心粒子に銅単原子層を被覆する工程
本工程は、常温未満の銅イオン溶液中、中心粒子に電位を印加することにより、中心粒子の表面に銅原子層を被覆する工程である。
2. The process of coating the copper monoatomic layer on the center particle in a cooled copper ion solution This step covers the surface of the center particle by applying a potential to the center particle in a copper ion solution at room temperature or lower. It is a process to do.

本工程に使用できる銅イオン溶液としては、Cu−UPDに使用できる溶液であれば特に限定されない。銅イオン溶液は、通常、溶媒に銅塩を所定量溶かしたものから構成されるが、特にこの構成に限定されず、銅イオンの一部又は全部が液中に解離して存在している溶液であればよい。
銅イオン溶液に用いられる溶媒としては、水、有機溶媒が挙げられるが、Cu−UPDの進行を妨げないという観点から、水が好ましい。
銅イオン溶液に用いられる銅塩としては、具体的には、硫酸銅、硝酸銅、塩化銅、亜塩素酸銅、過塩素酸銅、シュウ酸銅等が挙げられる。
銅イオン溶液には、上記溶媒及び銅塩の他にも、例えば、酸等を含んでいてもよい。銅イオン溶液に添加できる酸としては、具体的には、硫酸、硝酸、塩酸、亜塩素酸、過塩素酸、シュウ酸等が挙げられる。
The copper ion solution that can be used in this step is not particularly limited as long as it is a solution that can be used for Cu-UPD. The copper ion solution is usually composed of a predetermined amount of a copper salt dissolved in a solvent, but is not particularly limited to this configuration, and a solution in which a part or all of the copper ions are dissociated in the liquid. If it is.
Examples of the solvent used for the copper ion solution include water and organic solvents, but water is preferable from the viewpoint of not preventing the progress of Cu-UPD.
Specific examples of the copper salt used in the copper ion solution include copper sulfate, copper nitrate, copper chloride, copper chlorite, copper perchlorate, and copper oxalate.
The copper ion solution may contain, for example, an acid or the like in addition to the solvent and the copper salt. Specific examples of the acid that can be added to the copper ion solution include sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, chlorous acid, perchloric acid, and oxalic acid.

本工程において銅イオン溶液の温度が常温未満であることが、本発明の最も重要な特徴の1つである。図1の説明において述べたように、通常、CVの還元波は、Cu−UPDに由来するCVの還元波と、銅のバルク析出に由来するCVの還元波を足し合わせた曲線となる。また、銅のバルク析出に由来するCVの還元波は、銅イオン溶液の温度が低いほど低電位にシフトする。常温未満の銅イオン溶液を用いることで、バルク析出する銅の量に対して、Cu−UPDにより析出する銅の割合を増やすことができる。   One of the most important features of the present invention is that the temperature of the copper ion solution is less than room temperature in this step. As described in the description of FIG. 1, the CV reduction wave is generally a curve obtained by adding the CV reduction wave derived from Cu-UPD and the CV reduction wave derived from copper bulk precipitation. Moreover, the reduction wave of CV derived from the bulk deposition of copper shifts to a lower potential as the temperature of the copper ion solution is lower. By using a copper ion solution of less than room temperature, the ratio of copper deposited by Cu-UPD can be increased with respect to the amount of copper deposited in bulk.

本工程においては、銅イオン溶液の温度は常温未満であれば特に限定されないが、0〜18℃であることが好ましく、6〜13℃であることがより好ましい。銅イオン溶液が0℃未満の場合には、溶液の凍結によりCu−UPDが進行しないおそれがある。また、銅イオン溶液が18℃を超える場合には、後述する実施例において示すように、Cu−UPDによる十分な銅被覆が行えず、本発明の効果を十分に享受できないおそれがある。   In this step, the temperature of the copper ion solution is not particularly limited as long as it is lower than room temperature, but is preferably 0 to 18 ° C, more preferably 6 to 13 ° C. When the copper ion solution is lower than 0 ° C., Cu-UPD may not proceed due to freezing of the solution. Moreover, when a copper ion solution exceeds 18 degreeC, as shown in the Example mentioned later, sufficient copper coating by Cu-UPD cannot be performed and there exists a possibility that the effect of this invention cannot fully be enjoyed.

中心粒子に被覆した銅の量は、例えば、中心粒子に対する銅の吸着電荷量に基づき算出できる。銅の吸着電荷量は、銅イオン溶液中の中心粒子に電位を掃引して得られるCVから算出される。銅の吸着電荷量は、具体的には、CVの還元波中の銅吸着ピーク面積を決定し、当該面積から算出できる。銅吸着ピーク面積の具体例を、後述する図4に示す。   The amount of copper coated on the center particle can be calculated based on, for example, the amount of charge adsorbed on the center particle. The amount of charge adsorbed on copper is calculated from CV obtained by sweeping the potential of the central particles in the copper ion solution. Specifically, the copper adsorption charge amount can be calculated by determining the copper adsorption peak area in the reduction wave of CV. A specific example of the copper adsorption peak area is shown in FIG.

銅吸着ピーク面積は、CVの還元波の所定の領域を、電位で積分することにより求めることができる。ここで、積分の区間を決める電位を、開始電位E及び停止電位Eとする。
開始電位Eは、Cu−UPDに由来する銅の析出が始まる電位であるのが好ましい。開始電位Eは、例えば、以下の様に決定できる。CVの還元波においては、掃引初期、すなわち、比較的高い電位の部分に、還元波の接線の傾きが1.0×10−5〜0(A/V)、すなわちほぼ0(A/V)と見なせる電位の範囲が存在する。この電位の範囲は、触媒金属表面における電気化学反応は未だ生じず、カーボン等の担体において充放電が起きる領域であると考えられる。この掃引初期の部分の直後に、還元波の接線の傾きがある所定の傾きとなる電位を、電位Eと決定することができる。ここで、所定の傾きとは、例えば、5.0×10−4〜1.0×10−4(A/V)の範囲の傾きである。
本工程においては、開始電位Eを0.6〜0.7V(vsRHE)の範囲内の電位としてもよい。
The copper adsorption peak area can be obtained by integrating a predetermined region of a CV reduction wave with a potential. Here, the potentials that determine the integration interval are a start potential E 0 and a stop potential E 1 .
The starting potential E 0 is preferably a potential at which copper deposition derived from Cu-UPD starts. For example, the start potential E 0 can be determined as follows. In the reduction wave of CV, the slope of the tangent of the reduction wave is 1.0 × 10 −5 to 0 (A / V), that is, almost 0 (A / V) at the initial stage of the sweep, that is, at a relatively high potential portion. There is a range of potentials that can be considered. This potential range is considered to be a region where the electrochemical reaction on the catalytic metal surface has not yet occurred and charging / discharging occurs in a carrier such as carbon. Immediately after this sweep the early part, the potential to be a predetermined inclination with the tangent of the slope of the reduction wave, it is possible to determine a potential E 0. Here, the predetermined inclination is, for example, an inclination in a range of 5.0 × 10 −4 to 1.0 × 10 −4 (A / V).
In this step, the start potential E 0 may be a potential within the range of 0.6 to 0.7 V (vs RHE).

停止電位Eは、銅吸着電荷量が最も多くなり、且つ、当該銅吸着電荷量中、Cu−UPDに由来する銅吸着電荷量の割合が最も高くなる電位であるのが好ましい。停止電位Eより低い電位において掃引を停止すると、銅吸着電荷量中、Cu−UPDに由来する銅吸着電荷量の割合が低くなる。一方、停止電位Eより高い電位において掃引を停止すると、銅吸着電荷量自体が少なくなる。
停止電位Eは、例えば、以下の様に決定できる。銅析出の際のCVの還元波においては、掃引後期、すなわち、比較的低い電位の部分に、還元波の接線の傾きが−1.0×10−3(A/V)を超える電位の範囲が存在する。この電位の範囲は、銅のバルク析出に由来する銅吸着電荷量が、Cu−UPDによる銅吸着電荷量よりも大きい範囲である。この掃引後期の電位の範囲の直前、すなわち、銅のバルク析出が優位となる直前に還元波の接線の傾きがある所定の傾きとなる電位を、電位Eと決定することができる。ここで、所定の傾きとは、例えば、−1.0×10−3〜0(A/V)の範囲の傾きである。
後述する実施例において示すように、銅イオン溶液の温度が低いほど、停止電位Eは低くなる。これは、銅イオン溶液の温度が低いほど、銅のバルク析出が始まる電位が低くなることによるものである。
電位掃引速度が遅い場合には、銅のバルク析出が優位となる直前に、還元波中に極大点又は変曲点が現れることがある。この極大点又は変曲点に対応する電位を停止電位Eとしてもよい。
本工程においては、停止電位Eを0.34〜0.4V(vsRHE)の範囲内の電位としてもよい。なお、本工程においては、停止電位Eにおいて電位の掃引を停止し、電位を所定の時間、好ましくは30〜60分間固定することが好ましい。
The stop potential E 1 is preferably a potential at which the amount of copper adsorbed charge is the largest and the ratio of the amount of copper adsorbed charge derived from Cu-UPD is the highest in the copper adsorbed charge amount. If you stop the sweeping at lower than the stop voltage E 1 potential, the copper adsorption charge amount, the proportion of copper adsorption amount of charge derived from the Cu-UPD is lowered. On the other hand, when stopping the sweep at higher than the stop voltage E 1 potential, copper adsorption charge amount itself is reduced.
Stop potential E 1 is, for example, can be determined as follows. In the reduction wave of CV at the time of copper deposition, the potential range in which the slope of the tangent line of the reduction wave exceeds −1.0 × 10 −3 (A / V) in the later stage of the sweep, that is, in the relatively low potential portion. Exists. This potential range is a range in which the amount of copper adsorbed charge derived from copper bulk deposition is larger than the amount of copper adsorbed charge by Cu-UPD. The potential having a predetermined slope with the slope of the tangent of the reduction wave can be determined as the potential E 1 immediately before the potential range in the latter period of the sweep, that is, immediately before the bulk precipitation of copper becomes dominant. Here, the predetermined inclination is, for example, an inclination in a range of −1.0 × 10 −3 to 0 (A / V).
As shown in Examples described later, as the temperature of the copper ion solution is low, stopping potentials E 1 is lower. This is because the lower the temperature of the copper ion solution, the lower the potential at which the bulk deposition of copper begins.
When the potential sweep rate is low, a maximum point or an inflection point may appear in the reduction wave immediately before copper bulk deposition becomes dominant. The potential corresponding to the maximum point or inflection point may stop potential E 1.
In this step, it may be a potential within the range stop potential E 1 0.34~0.4V of (vsRHE). In the present process, to stop the sweep potential at the stop potential E 1, the time the potential of a predetermined, it preferably secures 30-60 minutes.

本工程においては、電位の掃引速度は、0.01〜10mV/秒であることが好ましい。電位の掃引速度が遅すぎると、合成に長時間を要することや、高電位保持時間が長くなるため、中心粒子を構成する材料の溶出を招くおそれがある。
また、電位の掃引速度が速すぎると、Cu−UPDに由来するCV波形と銅のバルク析出に由来するCV波形とを十分に分離することができず、停止電位Eの決定が困難となるおそれがある。
In this step, the potential sweep rate is preferably 0.01 to 10 mV / sec. If the potential sweep rate is too slow, the synthesis takes a long time and the high potential holding time becomes long, which may lead to elution of the material constituting the center particle.
Also, when the sweep rate of the potential is too fast, can not be sufficiently separate the CV waveforms derived from CV waveform and copper bulk precipitation derived from Cu-UPD, it is difficult to determine the stopping potential E 1 There is a fear.

本工程においては、常温の銅イオン溶液を使用した場合と比較して、銅吸着量が多いことが好ましい。具体的には、常温の銅イオン溶液中における中心粒子に被覆した銅の量を100と仮定したときの、常温未満の銅イオン溶液中における中心粒子に被覆した銅の量の割合が103〜120であることが好ましい。   In this step, it is preferable that the amount of adsorbed copper is larger than when a room temperature copper ion solution is used. Specifically, when the amount of copper coated on the center particles in the copper ion solution at room temperature is assumed to be 100, the ratio of the amount of copper coated on the center particles in the copper ion solution below room temperature is 103 to 120. It is preferable that

以下、パラジウム合金微粒子にCu−UPD法を施す方法の具体例について説明する。
まず、導電性炭素材料に担持されたパラジウム合金(以下、Pd/Cと総称する)粉末を水に分散させ、ろ過して得たPd/Cペーストを電気化学セルの作用極に塗工する。なお、Pd/Cペーストは、ナフィオン(商品名)等の電解質をバインダーにして、作用極上に接着してもよい。Pd/Cペーストには、適宜、水やアルコール等の溶媒を加えてもよい。作用極としては、白金メッシュや、グラッシーカーボンを用いることができる。
次に、電気化学セルに銅イオン溶液を加え、当該銅イオン溶液中に上記作用極、参照極及び対極を浸し、Cu−UPD法により、パラジウム合金微粒子の表面に銅の単原子層を析出させる。Cu−UPD法の具体的な条件の一例を下記に示す。
・銅イオン溶液:0.05mol/L CuSOと0.05mol/L HSOの混合溶液(窒素をバブリングさせる)
・銅イオン溶液の温度:0〜18℃
・雰囲気:窒素雰囲気下
・掃引速度:0.2〜0.01mV/秒
・電位:開始電位E=0.64V(vsRHE)から停止電位E=0.35V(vsRHE)まで掃引した後、E=0.35V(vsRHE)で電位を固定する。
・電位固定時間:30〜60分間
Hereinafter, a specific example of a method for subjecting the palladium alloy fine particles to the Cu-UPD method will be described.
First, a palladium alloy (hereinafter collectively referred to as Pd / C) powder supported on a conductive carbon material is dispersed in water, and a Pd / C paste obtained by filtration is applied to the working electrode of an electrochemical cell. The Pd / C paste may be adhered to the working electrode using an electrolyte such as Nafion (trade name) as a binder. A solvent such as water or alcohol may be appropriately added to the Pd / C paste. As the working electrode, platinum mesh or glassy carbon can be used.
Next, a copper ion solution is added to the electrochemical cell, the working electrode, the reference electrode and the counter electrode are immersed in the copper ion solution, and a copper monoatomic layer is deposited on the surface of the palladium alloy fine particles by the Cu-UPD method. . An example of specific conditions for the Cu-UPD method is shown below.
Copper ion solution: mixed solution of 0.05 mol / L CuSO 4 and 0.05 mol / L H 2 SO 4 (nitrogen is bubbled)
-Temperature of the copper ion solution: 0 to 18 ° C
-Atmosphere: under nitrogen atmosphere-Sweep speed: 0.2-0.01 mV / sec-Potential: After sweeping from start potential E 0 = 0.64 V (vsRHE) to stop potential E 1 = 0.35 V (vsRHE), The potential is fixed at E 1 = 0.35 V (vs RHE).
-Potential fixing time: 30-60 minutes

3.銅単原子層を最外層に置換する工程
本工程において形成される最外層を構成する材料は、触媒活性が高いことが好ましい。ここでいう触媒活性とは、特に燃料電池触媒として使用した際の活性のことを指す。
この様な観点から、最外層に含まれる材料は、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム及び金からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属材料であることが好ましい。
これらの金属材料の中でも、最外層は白金を含むことが特に好ましい。白金は、触媒活性、特に酸素還元反応(ORR:Oxygen Reduction Reaction)活性に優れている。また、白金の格子定数は3.92Åであるのに対し、パラジウムの格子定数は3.89Åであり、パラジウムの格子定数は白金の格子定数の±5%の範囲内の値である。したがって、中心粒子にパラジウム又はパラジウム合金を、最外層に白金をそれぞれ用いることにより、中心粒子と最外層の間で格子不整合が生じず、白金による中心粒子の被覆が十分に行われる。
3. Step of Substituting Copper Monoatomic Layer with Outermost Layer The material constituting the outermost layer formed in this step preferably has high catalytic activity. The catalytic activity here refers to the activity when used as a fuel cell catalyst.
From such a viewpoint, the material included in the outermost layer is preferably at least one metal material selected from the group consisting of platinum, iridium, ruthenium, rhodium and gold.
Among these metal materials, the outermost layer particularly preferably contains platinum. Platinum is excellent in catalytic activity, particularly oxygen reduction reaction (ORR) activity. The lattice constant of platinum is 3.923, whereas the lattice constant of palladium is 3.89Å, and the lattice constant of palladium is a value within a range of ± 5% of the lattice constant of platinum. Therefore, by using palladium or a palladium alloy for the center particle and platinum for the outermost layer, lattice mismatch does not occur between the center particle and the outermost layer, and the center particle is sufficiently covered with platinum.

中心粒子の溶出をより抑制できるという観点から、中心粒子に対する最外層の被覆率が、0.8〜1であることが好ましい。
仮に、中心粒子に対する最外層の被覆率が、0.8未満であるとすると、電気化学反応において中心粒子が溶出し、その結果、触媒微粒子が劣化するおそれがある。
From the standpoint that elution of the center particles can be further suppressed, the coverage of the outermost layer with respect to the center particles is preferably 0.8 to 1.
If the coverage of the outermost layer with respect to the center particles is less than 0.8, the center particles are eluted in the electrochemical reaction, and as a result, the catalyst fine particles may be deteriorated.

なお、ここでいう「中心粒子に対する最外層の被覆率」とは、中心粒子の全表面積を1とした時の、最外層によって被覆されている中心粒子の面積の割合のことである。当該被覆率を算出する方法の一例としては、TEMによって触媒微粒子の表面の数か所を観察し、観察された全面積に対する、最外層によって中心粒子が被覆されていることが観察によって確認できた面積の割合を算出する方法が挙げられる。   The “covering ratio of the outermost layer to the center particle” as used herein refers to the ratio of the area of the center particle covered by the outermost layer when the total surface area of the center particle is 1. As an example of the method for calculating the coverage, several places on the surface of the catalyst fine particles were observed by TEM, and it was confirmed by observation that the center particles were covered with the outermost layer with respect to the entire area observed. The method of calculating the ratio of an area is mentioned.

本工程により得られる触媒微粒子においては、最外層中の単原子層の割合が多いことが好ましい。このような触媒微粒子は、2原子層以上の最外層を有する触媒微粒子と比較して、最外層における触媒性能が極めて高いという利点、及び、最外層の被覆量が少ないため材料コストが低いという利点がある。
なお、本工程により得られる触媒微粒子の平均粒径は、4〜40nm、好ましくは5〜10nmである。
In the catalyst fine particles obtained by this step, it is preferable that the proportion of the monoatomic layer in the outermost layer is large. Such catalyst fine particles have the advantage that the catalyst performance in the outermost layer is extremely high and the material cost is low because the coating amount of the outermost layer is small compared to the catalyst fine particles having the outermost layer of two atomic layers or more. There is.
The average particle size of the catalyst fine particles obtained by this step is 4 to 40 nm, preferably 5 to 10 nm.

以下、銅被覆後のパラジウム合金微粒子に対して、白金を置換メッキする方法の具体例について説明する。
Cu−UPDによる銅被覆が終了した後、速やかに作用極を白金溶液に浸漬させ、イオン化傾向の違いを利用して銅と白金とを置換メッキする。置換メッキは、窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましく、不活性ガス雰囲気に置換したグローブボックス等を用いることがより好ましい。なお、銅イオン溶液から白金溶液へ、不活性ガス雰囲気下で作用極を速やかに移動することにより、被覆後の銅の酸化を防ぐことができる。
白金溶液は特に限定されないが、例えば、0.005M KPtCl溶液が使用できる。白金溶液は十分に攪拌し、当該溶液中には予め窒素をバブリングさせることが好ましい。置換メッキ時間は、90分以上確保することが好ましい。
上記置換メッキによって、パラジウム合金微粒子表面に白金の単原子層が析出した触媒微粒子が得られる。
Hereinafter, a specific example of a method for subjecting palladium alloy fine particles coated with copper to substitution plating with platinum will be described.
After the copper coating with Cu-UPD is completed, the working electrode is immediately immersed in a platinum solution, and copper and platinum are replaced by plating using the difference in ionization tendency. The displacement plating is preferably performed in an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere, and it is more preferable to use a glove box or the like replaced with an inert gas atmosphere. In addition, the oxidation of copper after coating can be prevented by quickly moving the working electrode from the copper ion solution to the platinum solution under an inert gas atmosphere.
The platinum solution is not particularly limited. For example, a 0.005M K 2 PtCl 4 solution can be used. It is preferable that the platinum solution is sufficiently stirred and nitrogen is bubbled in advance in the solution. The displacement plating time is preferably secured for 90 minutes or more.
By the displacement plating, catalyst fine particles in which a platinum monoatomic layer is deposited on the surface of the palladium alloy fine particles are obtained.

4.その他の工程
銅原子層を最外層に置換する工程の後には、触媒微粒子のろ過・洗浄、及び乾燥が行われてもよい。
触媒微粒子のろ過・洗浄は、製造された触媒微粒子の被覆構造を損なうことなく、不純物を除去できる方法であれば特に限定されない。当該ろ過・洗浄の例としては、水、過塩素酸、希硫酸、希硝酸等を用いて吸引ろ過をする方法が挙げられる。
触媒微粒子の乾燥は、溶媒等を除去できる方法であれば特に限定されない。当該乾燥の例としては、室温下の真空乾燥を0.5〜2時間行った後、不活性ガス雰囲気下、60〜80℃の温度条件で1〜4時間乾燥させるという方法が挙げられる。
4). Other Steps After the step of replacing the copper atomic layer with the outermost layer, the catalyst fine particles may be filtered, washed, and dried.
The filtering and washing of the catalyst fine particles is not particularly limited as long as it is a method that can remove impurities without impairing the coating structure of the produced catalyst fine particles. Examples of the filtration / washing include suction filtration using water, perchloric acid, dilute sulfuric acid, dilute nitric acid or the like.
The drying of the catalyst fine particles is not particularly limited as long as the method can remove the solvent and the like. As an example of the drying, a method of performing vacuum drying at room temperature for 0.5 to 2 hours and then drying under an inert gas atmosphere at a temperature of 60 to 80 ° C. for 1 to 4 hours can be given.

本発明によれば、中心粒子に対する銅原子層被覆工程において、常温未満の銅イオン溶液を用いることで、銅の単原子層の析出が生じる電位の範囲と、銅のバルク析出が生じる電位の範囲の重なる部分を無くすか、又は極めて小さくすることができ、中心粒子が銅単原子層により被覆される割合を従来よりも高くすることができる。また、本発明によれば、中心粒子に対する最外層の被覆率を高くし、中心粒子が表面に露出する面積を、従来のコア−シェル構造を有する電極触媒よりも減らすことができる。また、本発明によれば、白金等の電極触媒金属を最外層に用いることにより、最外層を単原子層とした場合に、電極触媒金属の利用率も向上する。
以上より、本発明によれば、触媒反応に用いられない電極触媒金属の量を従来よりも減らせると共に、中心粒子の溶出が抑制できるため、高い耐久性及び活性を実現できる。さらに、本発明によれば、触媒微粒子間のバラツキを抑制でき、均一な触媒微粒子を合成できる。
According to the present invention, in the copper atomic layer coating step for the center particle, by using a copper ion solution having a temperature lower than room temperature, a potential range in which precipitation of a copper monoatomic layer occurs and a potential range in which copper bulk deposition occurs. The overlapping portion can be eliminated or made extremely small, and the ratio of the central particles covered with the copper monoatomic layer can be made higher than before. In addition, according to the present invention, the coverage of the outermost layer with respect to the center particles can be increased, and the area where the center particles are exposed on the surface can be reduced as compared with the conventional electrode catalyst having a core-shell structure. In addition, according to the present invention, by using an electrode catalyst metal such as platinum for the outermost layer, when the outermost layer is a monoatomic layer, the utilization factor of the electrode catalyst metal is also improved.
As described above, according to the present invention, the amount of the electrocatalyst metal that is not used for the catalytic reaction can be reduced as compared with the prior art, and the elution of the center particles can be suppressed, so that high durability and activity can be realized. Furthermore, according to the present invention, variation among the catalyst fine particles can be suppressed, and uniform catalyst fine particles can be synthesized.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
本実施例においては、異なる温度の銅イオン溶液を用いてCu−UPDを行い、CVから算出された銅吸着量を評価した。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited only to these examples.
In this example, Cu-UPD was performed using copper ion solutions at different temperatures, and the copper adsorption amount calculated from the CV was evaluated.

1.Cu−UPD
[実施例1]
まず、カーボン担持パラジウム粒子粉末(Basf社製、20%Pd/C)を準備した。
次に、カーボン担持パラジウム粒子粉末0.5g、及びナフィオン(商品名)0.2gを水に分散させ、ろ過して得た合剤ペーストを、グラッシーカーボン電極に塗工した。
1. Cu-UPD
[Example 1]
First, carbon-supported palladium particle powder (manufactured by Basf, 20% Pd / C) was prepared.
Next, 0.5 g of carbon-supported palladium particle powder and 0.2 g of Nafion (trade name) were dispersed in water, and a mixture paste obtained by filtration was applied to a glassy carbon electrode.

図6は、Cu−UPDを行う装置を示した斜視模式図である。ガラスセル21に、銅イオン溶液22を加え、さらにカーボン担持触媒微粒子の合剤ペースト23が塗布された電極24をセットした。ガラスセル21中には、電極24の他にも、対極26、参照極27が銅イオン溶液22に十分に浸かるように配置されており、これら3つの電極は、デュアル電気化学アナライザーと電気的に接続されている。また、窒素導入管28が銅イオン溶液22に浸かるように配置されており、セル外部に設置された窒素供給源(図示せず)から一定時間窒素が銅イオン溶液22に室温下でバブリングされ、銅イオン溶液22中に窒素が飽和している状態とした。円29は窒素の気泡を示す。
さらに、温度調節に水を用いた恒温槽30にセル全体を入れ、銅イオン溶液22の温度が6℃に保たれるように恒温槽30を制御した。
装置の詳細は下記の通りである。
・銅イオン溶液:0.05mol/L CuSOと0.05mol/L HSOの混合溶液
・電極:グラッシーカーボンを備えた電極
・対極:白金電極(北斗電工製)
・参照極:銀−塩化銀電極(サイプレス社製)
・デュアル電気化学アナライザー:BAS社製、ALS700C
5mV/秒の掃引速度によりサイクリックボルタンメトリーを行い、CVを得た。
FIG. 6 is a schematic perspective view showing an apparatus for performing Cu-UPD. A copper ion solution 22 was added to the glass cell 21, and an electrode 24 coated with a mixture paste 23 of carbon-supported catalyst fine particles was set. In the glass cell 21, in addition to the electrode 24, a counter electrode 26 and a reference electrode 27 are disposed so as to be sufficiently immersed in the copper ion solution 22. These three electrodes are electrically connected to the dual electrochemical analyzer. It is connected. Further, the nitrogen introduction tube 28 is disposed so as to be immersed in the copper ion solution 22, and nitrogen is bubbled into the copper ion solution 22 at room temperature from a nitrogen supply source (not shown) installed outside the cell for a certain period of time, The copper ion solution 22 was saturated with nitrogen. A circle 29 indicates a nitrogen bubble.
Furthermore, the whole cell was put into the thermostat 30 which used water for temperature control, and the thermostat 30 was controlled so that the temperature of the copper ion solution 22 was maintained at 6 degreeC.
The details of the apparatus are as follows.
Copper ion solution: mixed solution of 0.05 mol / L CuSO 4 and 0.05 mol / L H 2 SO 4 Electrode: electrode with glassy carbon Counter electrode: platinum electrode (manufactured by Hokuto Denko)
Reference electrode: Silver-silver chloride electrode (manufactured by Cypress)
Dual electrochemical analyzer: ALS700C manufactured by BAS
Cyclic voltammetry was performed at a sweep rate of 5 mV / sec to obtain CV.

[実施例2]
銅イオン溶液22の温度を13℃とした以外は、実施例1と同様にCu−UPDを行い、CVを得た。
[Example 2]
Except that the temperature of the copper ion solution 22 was 13 ° C., Cu-UPD was performed in the same manner as in Example 1 to obtain CV.

[実施例3]
銅イオン溶液22の温度を18℃とした以外は、実施例1と同様にCu−UPDを行い、CVを得た。
[Example 3]
Except that the temperature of the copper ion solution 22 was 18 ° C., Cu-UPD was performed in the same manner as in Example 1 to obtain CV.

[比較例1]
銅イオン溶液22の温度を常温(20〜25℃)とした以外は、実施例1と同様にCu−UPDを行い、CVを得た。
[Comparative Example 1]
Cu-UPD was performed in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the copper ion solution 22 was set to room temperature (20 to 25 ° C.) to obtain CV.

[比較例2]
銅イオン溶液22の温度を40℃とした以外は、実施例1と同様にCu−UPDを行い、CVを得た。
[Comparative Example 2]
Except that the temperature of the copper ion solution 22 was 40 ° C., Cu-UPD was performed in the same manner as in Example 1 to obtain CV.

[比較例3]
銅イオン溶液22の温度を50℃とした以外は、実施例1と同様にCu−UPDを行い、CVを得た。
[Comparative Example 3]
Except that the temperature of the copper ion solution 22 was 50 ° C., Cu-UPD was performed in the same manner as in Example 1 to obtain CV.

[比較例4]
銅イオン溶液22の温度を60℃とした以外は、実施例1と同様にCu−UPDを行い、CVを得た。
[Comparative Example 4]
Except that the temperature of the copper ion solution 22 was 60 ° C., Cu-UPD was performed in the same manner as in Example 1 to obtain CV.

2.CVの評価
図3(a)は、実施例1(銅イオン溶液の温度:6℃)、実施例2(銅イオン溶液の温度:13℃)、及び比較例1(銅イオン溶液の温度:20〜25℃)のCVを重ねて示した図である。図3(b)は、図3(a)の還元波中、0.3〜0.4V(vsRHE)の部分を拡大した図である。なお、図3(b)中の黒丸は、停止電位Eに対応する還元波中の極大点を示す。
2. Evaluation of CV FIG. 3A shows Example 1 (temperature of the copper ion solution: 6 ° C.), Example 2 (temperature of the copper ion solution: 13 ° C.), and Comparative Example 1 (temperature of the copper ion solution: 20). It is the figure which piled up and showed CV of -25 degreeC. FIG.3 (b) is the figure which expanded the part of 0.3-0.4V (vsRHE) in the reduction wave of Fig.3 (a). Incidentally, black circle in FIG. 3 (b) shows a maximum point in the reduction wave corresponding to the stop potential E 1.

図3(b)から分かるように、比較例1(20〜25℃)の停止電位Eは0.371V(vsRHE)である。一方、実施例1(6℃)の停止電位Eは0.342V(vsRHE)であり、実施例2(13℃)の停止電位Eは0.356V(vsRHE)である。これらの結果は、銅イオン溶液の温度が低いほど、停止電位Eが低くなることを示す。また、これらの結果は、銅イオン溶液の温度が低いほど、銅のバルク析出が始まる電位が低くなることを裏付けている。 As can be seen from FIG. 3B, the stop potential E 1 of Comparative Example 1 (20 to 25 ° C.) is 0.371 V (vs RHE). On the other hand, the stop potential E 1 of Example 1 (6 ° C.) is 0.342 V (vs RHE), and the stop potential E 1 of Example 2 (13 ° C.) is 0.356 V (vs RHE). These results, as the temperature of the copper ion solution is low, indicating that the lower stop potential E 1. These results also support that the lower the temperature of the copper ion solution, the lower the potential at which copper bulk deposition begins.

3.銅吸着量の評価
図4は、実施例1のCV中の銅吸着ピーク面積を示したグラフである。図4中の白丸は開始電位Eに対応する点を、黒丸は停止電位Eに対応する点を、それぞれ示す。実施例1の銅吸着量は、図4中に斜線で示した銅吸着ピーク面積を基に算出される。実施例2〜実施例3及び比較例1〜比較例4のCVについても同様に銅吸着量を算出した。
下記表1は、実施例1〜実施例3及び比較例1〜比較例4の銅吸着量をまとめた表である。なお、下記表1には、比較例1における銅吸着量を100とした場合の、各銅吸着量の比を記載した。
図5は、表1の結果をまとめたグラフである。なお、図5は、縦軸に銅吸着量比を、横軸に銅イオン溶液の温度(℃)をとったグラフである。図5中の比較例1のデータは、銅イオン溶液の温度を25℃としてプロットした。
3. Evaluation of Copper Adsorption Amount FIG. 4 is a graph showing the copper adsorption peak area in the CV of Example 1. In FIG. 4, white circles indicate points corresponding to the start potential E 0 , and black circles indicate points corresponding to the stop potential E 1 . The copper adsorption amount of Example 1 is calculated based on the copper adsorption peak area indicated by the oblique lines in FIG. The copper adsorption amount was similarly calculated for the CVs of Examples 2 to 3 and Comparative Examples 1 to 4.
Table 1 below is a table summarizing the copper adsorption amounts of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4. In Table 1, the ratio of each copper adsorption amount when the copper adsorption amount in Comparative Example 1 is set to 100 is shown.
FIG. 5 is a graph summarizing the results of Table 1. FIG. 5 is a graph in which the vertical axis represents the copper adsorption amount ratio and the horizontal axis represents the temperature (° C.) of the copper ion solution. The data of Comparative Example 1 in FIG. 5 was plotted assuming that the temperature of the copper ion solution was 25 ° C.

Figure 2012157833
Figure 2012157833

上記表1から分かるように、40℃以上の銅イオン溶液をCu−UPDに使用した比較例2〜比較例4においては、常温の銅イオン溶液を使用した場合よりも銅吸着量が減ることが分かる。一方、上記表1から分かるように、18℃以下の銅イオン溶液をCu−UPDに使用した実施例1〜実施例3においては、常温の銅イオン溶液を使用した場合よりも銅吸着量が増えることが分かる。特に、6℃の銅イオン溶液を使用した実施例1においては、銅吸着量の増分は1割を超えることが分かる。
また、図5から分かるように、銅イオン溶液が低温である程、銅吸着量が大幅に増加することが分かる。
以上の結果から、パラジウム微粒子の表面に銅原子層を被覆する際に、常温未満の銅イオン溶液を用いることによって、パラジウム微粒子に対する銅吸着量を従来よりも増やすことができ、その結果、高い被覆率の触媒微粒子が効率よく得られることが分かる。
As can be seen from Table 1 above, in Comparative Examples 2 to 4 in which a copper ion solution of 40 ° C. or higher was used for Cu-UPD, the amount of adsorbed copper could be reduced as compared with the case of using a room temperature copper ion solution. I understand. On the other hand, as can be seen from Table 1 above, in Examples 1 to 3 in which a copper ion solution of 18 ° C. or lower is used for Cu-UPD, the amount of copper adsorption is increased as compared with the case of using a room temperature copper ion solution. I understand that. In particular, in Example 1 using a 6 ° C. copper ion solution, it can be seen that the increment of the amount of adsorbed copper exceeds 10%.
Further, as can be seen from FIG. 5, it can be seen that the lower the temperature of the copper ion solution, the greater the amount of copper adsorption.
From the above results, when the copper atom layer is coated on the surface of the palladium fine particles, the amount of copper adsorbed on the palladium fine particles can be increased more than before by using a copper ion solution at a temperature lower than room temperature. It can be seen that the catalyst fine particles with a high rate can be obtained efficiently.

1 Cu−UPDに由来するCVの還元波を示す曲線
2 電位を掃引する方向を示す矢印
3a 常温の銅イオン溶液を用いた銅のバルク析出に由来するCVの還元波を示す曲線
3b 低温の銅イオン溶液を用いた銅のバルク析出に由来するCVの還元波を示す曲線
4 Cu−UPDによる銅の析出と銅のバルク析出とが同時に生じる電位の範囲
10 触媒微粒子
11 中心粒子
12 最外層
21 ガラスセル
22 銅イオン溶液
23 カーボン担持触媒微粒子の合剤ペースト
24 電極
26 対極
27 参照極
28 窒素導入管
29 窒素の気泡
30 恒温槽
1 Curve 2 showing a CV reduction wave derived from Cu-UPD 2 Arrow indicating the direction of potential sweep 3a Curve 3b showing a CV reduction wave derived from copper bulk precipitation using a copper ion solution at room temperature Low temperature copper Curve 4 showing a reduction wave of CV derived from bulk deposition of copper using an ionic solution Range of potential where copper deposition by Cu-UPD and bulk deposition of copper occur simultaneously 10 Catalyst fine particles 11 Center particle 12 Outermost layer 21 Glass Cell 22 Copper ion solution 23 Mixture paste of carbon supported catalyst fine particles 24 Electrode 26 Counter electrode 27 Reference electrode 28 Nitrogen introduction tube 29 Nitrogen bubble 30 Constant temperature bath

Claims (8)

中心粒子と、当該中心粒子を被覆する最外層を備える触媒微粒子の製造方法であって、
前記中心粒子を準備する工程、
常温未満の銅イオン溶液中、前記中心粒子に電位を印加することにより、前記中心粒子の表面に銅原子層を被覆する工程、及び、
前記銅原子層を、前記最外層に置換する工程を有することを特徴とする、触媒微粒子の製造方法。
A method for producing catalyst fine particles comprising a center particle and an outermost layer covering the center particle,
Preparing the central particle;
A step of coating a copper atom layer on the surface of the central particle by applying a potential to the central particle in a copper ion solution at a room temperature, and
A method for producing catalyst fine particles, comprising a step of replacing the copper atomic layer with the outermost layer.
前記銅原子層被覆工程において、前記銅イオン溶液の温度を0〜18℃とする、請求項1に記載の触媒微粒子の製造方法。   The method for producing catalyst fine particles according to claim 1, wherein in the copper atomic layer coating step, the temperature of the copper ion solution is set to 0 to 18 ° C. 前記中心粒子が、パラジウム、イリジウム、ロジウム及び金からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を含む、請求項1又は2に記載の触媒微粒子の製造方法。   The method for producing catalyst fine particles according to claim 1 or 2, wherein the central particle contains at least one metal selected from the group consisting of palladium, iridium, rhodium and gold. 前記最外層が、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム及び金からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を含む、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の触媒微粒子の製造方法。   The method for producing catalyst fine particles according to any one of claims 1 to 3, wherein the outermost layer contains at least one metal selected from the group consisting of platinum, iridium, ruthenium, rhodium and gold. 前記銅原子層被覆工程において、常温の前記銅イオン溶液中における前記中心粒子に被覆した銅の量を100と仮定したときの、常温未満の前記銅イオン溶液中における前記中心粒子に被覆した銅の量の割合が103〜120である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の触媒微粒子の製造方法。   In the copper atomic layer coating step, when the amount of copper coated on the central particles in the copper ion solution at normal temperature is assumed to be 100, the copper particles coated on the central particles in the copper ion solution below normal temperature The method for producing catalyst fine particles according to any one of claims 1 to 4, wherein the ratio of the amount is 103 to 120. 前記中心粒子に被覆した銅の量は、前記中心粒子に対する銅の吸着電荷量に基づき算出される量である、請求項5に記載の触媒微粒子の製造方法。   The method for producing catalyst fine particles according to claim 5, wherein the amount of copper coated on the center particle is an amount calculated based on the amount of charge adsorbed to the center particle. 前記請求項1乃至6のいずれか一項に記載の製造方法により製造されることを特徴とする、触媒微粒子。   Catalyst fine particles produced by the production method according to any one of claims 1 to 6. カーボン担体に、前記請求項7に記載の触媒微粒子が担持されていることを特徴とする、燃料電池用電極触媒。   8. An electrode catalyst for fuel cells, wherein the catalyst fine particles according to claim 7 are supported on a carbon support.
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