JP2012223693A - Method for producing electrode catalyst - Google Patents

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Yutaka Ito
伊藤  豊
Hajime Maki
一 真木
Yoshinari Sawabe
佳成 沢辺
Kenichiro Ota
健一郎 太田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing an electrode catalyst made of material which is stable even in a high electrical potential in an acidic electrolyte, comparatively inexpensive, comparatively large in resource quantities, and capable of obtaining a higher current value.SOLUTION: In the method for producing the electrode catalyst, mixed material including the following first material and second material is hydrothermally reacted under presence of water in a super critical state or in a subcritical state to obtain a mixed precursor slurry. The mixed precursor slurry is dried by a freeze-drying method to obtain a mixed precursor. The obtained mixed precursor is burned under a condition that the second material can be changed into carbon material. The first material: a metal compound constituted of one or more kinds of elements selected from a group consisting of 4A and 5A groups, and one or more kinds of elements selected from a group consisting of hydrogen, nitrogen, chlorine, carbon, boron, sulfur, and oxygen. The second material: carbon material precursor or conductive material mixture with the carbon material precursor.

Description

本発明は、電極触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst.

電極触媒は、電極、特に電極の表面部位に担持される固体触媒であって、例えば水の電解、有機物の電解の他、燃料電池などの電気化学システムに用いられている。酸性電解質中で用いられる電極触媒としては、貴金属、特に白金は、酸性電解質中、高電位でも安定であるため、広く用いられている。   The electrode catalyst is a solid catalyst supported on an electrode, particularly on a surface portion of the electrode, and is used in, for example, an electrochemical system such as a fuel cell in addition to water electrolysis and organic electrolysis. As an electrode catalyst used in an acidic electrolyte, a noble metal, particularly platinum, is widely used because it is stable even at a high potential in the acidic electrolyte.

しかし、白金は高価格で、資源量も限られていることから、酸性電解質中、高電位でも安定であり、かつ比較的安価で、資源量が比較的多い材料からなる電極触媒が求められている。   However, since platinum is expensive and has a limited amount of resources, there is a need for an electrocatalyst made of a material that is stable at a high potential in an acidic electrolyte, is relatively inexpensive, and has a relatively large amount of resources. Yes.

このような電極触媒としては、酸化ジルコニウムからなる電極触媒が知られている(非特許文献1参照)。   As such an electrode catalyst, an electrode catalyst made of zirconium oxide is known (see Non-Patent Document 1).

しかしながら、非特許文献1に記載の酸化ジルコニウムは、その使用時に取り出せる電流値が少ない。そこで、この問題を解決するため、超臨界水熱合成により得られたスラリーを加熱乾燥法で固液分離した後、焼成することで酸化ジルコニウムからなる電極触媒を得る製造方法が提案されている(特許文献1参照)。   However, the zirconium oxide described in Non-Patent Document 1 has a small current value that can be taken out during use. Therefore, in order to solve this problem, a production method has been proposed in which a slurry obtained by supercritical hydrothermal synthesis is solid-liquid separated by a heat drying method and then calcined to obtain an electrode catalyst composed of zirconium oxide ( Patent Document 1).

Yan Liuら、「Electrochemical and Solid−State Letters」8(8)、2005、A400〜402Yan Liu et al., “Electrochemical and Solid-State Letters” 8 (8), 2005, A400-402.

特開2011−25232号公報JP 2011-25232 A

しかしながら、特許文献1に記載の方法により得られる電極触媒は、得られる電流値が不十分であった。本発明の目的は、酸性電解質中、高電位でも安定であり、かつ比較的安価で、資源量が比較的多い材料からなり、より高い電流値を得ることのできる電極触媒の製造方法を提供することにある。   However, the electrode catalyst obtained by the method described in Patent Document 1 has an insufficient current value. An object of the present invention is to provide a method for producing an electrode catalyst that is stable even at a high potential in an acidic electrolyte, is relatively inexpensive, is made of a material with a relatively large amount of resources, and can obtain a higher current value. There is.

上記目的を達成するため本発明は、以下の発明を提供する。
<1>以下の第一材料および以下の第二材料を含む混合材料を、超臨界状態または亜臨界状態の水の存在下において水熱反応させて得られる混合前駆体スラリーをフリーズドライ法で乾燥して混合前駆体を得、得られた混合前駆体を第二材料が炭素材料に遷移しうる条件にて焼成することを特徴とする電極触媒の製造方法。
第一材料:4Aおよび5A族からなる群より選択される1種以上の元素と、水素、窒素、塩素、炭素、硼素、硫黄および酸素からなる群より選択される1種以上の元素とで構成される金属化合物
第二材料:炭素材料前駆体または炭素材料前駆体との導電性材料の混合物
<2>以下の第一材料を超臨界状態または亜臨界状態の水の存在下において水熱反応させて得られる前駆体と、以下の第二材料とを混合して得られる混合前駆体スラリーをフリーズドライ法で乾燥して混合前駆体を得、得られた混合前駆体を第二材料が炭素材料に遷移しうる条件にて焼成することを特徴とする電極触媒の製造方法。
第一材料:4Aおよび5A族からなる群より選択される1種以上の元素と、水素、窒素、塩素、炭素、硼素、硫黄および酸素からなる群より選択される1種以上の元素とで構成される金属化合物
第二材料:炭素材料前駆体または炭素材料前駆体との導電性材料の混合物
<3>第一材料における4Aおよび5A族からなる群より選択される1種以上の元素が、ZrまたはTiである前記<1>または<2>に記載の製造方法。
<4>前記焼成を、無酸素の雰囲気下で行う前記<1>〜<3>のいずれかに記載の製造方法。
<5>前記<1>〜<4>のいずれかに記載の製造方法により得られる電極触媒。
<6>前記<5>に記載の電極触媒を有する電極触媒組成物。
<7>前記<5>に記載の電極触媒を有する燃料電池。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following inventions.
<1> A mixed precursor slurry obtained by hydrothermal reaction of a mixed material containing the following first material and the following second material in the presence of water in a supercritical state or a subcritical state is dried by freeze drying. Then, a mixed precursor is obtained, and the obtained mixed precursor is calcined under conditions that allow the second material to transition to a carbon material.
First material: composed of one or more elements selected from the group consisting of groups 4A and 5A and one or more elements selected from the group consisting of hydrogen, nitrogen, chlorine, carbon, boron, sulfur and oxygen Metal compound second material: carbon material precursor or mixture of conductive material with carbon material precursor <2> The following first material is hydrothermally reacted in the presence of supercritical or subcritical water. The mixed precursor slurry obtained by mixing the precursor obtained in the following and the following second material is dried by freeze drying to obtain a mixed precursor, and the resulting mixed precursor is a carbon material. A method for producing an electrode catalyst, characterized by firing under conditions capable of transitioning to
First material: composed of one or more elements selected from the group consisting of groups 4A and 5A and one or more elements selected from the group consisting of hydrogen, nitrogen, chlorine, carbon, boron, sulfur and oxygen Metal compound second material: carbon material precursor or mixture of conductive materials with carbon material precursor <3> one or more elements selected from the group consisting of groups 4A and 5A in the first material are Zr Or the manufacturing method as described in said <1> or <2> which is Ti.
<4> The production method according to any one of <1> to <3>, wherein the firing is performed in an oxygen-free atmosphere.
<5> An electrode catalyst obtained by the production method according to any one of <1> to <4>.
<6> An electrode catalyst composition having the electrode catalyst according to <5>.
<7> A fuel cell having the electrode catalyst according to <5>.

本発明によれば、酸性電解質中、高電位でも安定であり、かつ比較的安価で、資源量が比較的多い材料からなり、より高い電流値をえることのできる電極触媒の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a method for producing an electrode catalyst that is stable even at a high potential in an acidic electrolyte, is relatively inexpensive, is made of a material with a relatively large amount of resources, and can obtain a higher current value. be able to.

連続的に水熱反応を行うための流通式反応装置の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the flow-type reaction apparatus for performing a hydrothermal reaction continuously. 流通式反応装置における反応器の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the reactor in a flow-type reaction apparatus. 連続的に水熱反応を行うための流通式反応装置の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the flow-type reaction apparatus for performing a hydrothermal reaction continuously. 流通式反応装置における反応器の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the reactor in a flow-type reaction apparatus.

(第一の発明)
本発明の電極触媒の製造方法は、以下の第一材料および以下の第二材料を含む混合材料を、超臨界状態または亜臨界状態の水の存在下において水熱反応させて得られる混合前駆体スラリーをフリーズドライ法で乾燥して混合前駆体を得、得られた混合前駆体を第二材料が炭素材料に遷移しうる条件にて焼成することを特徴とする。
第一材料:4Aおよび5A族からなる群より選択される1種以上の元素と、水素、窒素、塩素、炭素、硼素、硫黄および酸素からなる群より選択される1種以上の元素とで構成される金属化合物
第二材料:炭素材料前駆体または炭素材料前駆体と導電性材料との混合物
(First invention)
The method for producing an electrode catalyst of the present invention comprises a mixed precursor obtained by hydrothermal reaction of a mixed material containing the following first material and the following second material in the presence of supercritical or subcritical water. The slurry is dried by a freeze drying method to obtain a mixed precursor, and the obtained mixed precursor is fired under conditions that allow the second material to transition to a carbon material.
First material: composed of one or more elements selected from the group consisting of groups 4A and 5A and one or more elements selected from the group consisting of hydrogen, nitrogen, chlorine, carbon, boron, sulfur and oxygen Metal compound second material: carbon material precursor or mixture of carbon material precursor and conductive material

(第二の発明)
本発明の電極触媒の製造方法は、以下の第一材料を超臨界状態または亜臨界状態の水の存在下において水熱反応させて得られる前駆体と、以下の第二材料とを混合して得られる混合前駆体スラリーをフリーズドライ法で乾燥して混合前駆体を得、得られた混合前駆体を第二材料が炭素材料に遷移しうる条件にて焼成することを特徴とする。
第一材料:4Aおよび5A族からなる群より選択される1種以上の元素と、水素、窒素、塩素、炭素、硼素、硫黄および酸素からなる群より選択される1種以上の元素とで構成される金属化合物
第二材料:炭素材料前駆体または炭素材料前駆体と導電性材料との混合物
(Second invention)
In the method for producing an electrode catalyst of the present invention, a precursor obtained by hydrothermal reaction of the following first material in the presence of supercritical or subcritical water and the following second material are mixed. The obtained mixed precursor slurry is dried by a freeze drying method to obtain a mixed precursor, and the obtained mixed precursor is fired under conditions that allow the second material to transition to a carbon material.
First material: composed of one or more elements selected from the group consisting of groups 4A and 5A and one or more elements selected from the group consisting of hydrogen, nitrogen, chlorine, carbon, boron, sulfur and oxygen Metal compound second material: carbon material precursor or mixture of carbon material precursor and conductive material

上記本発明によれば、酸性電解質中、例えば、0.4V以上という比較的高い電位で、比較的高い活性をしめす電極触媒が得られる。   According to the present invention, an electrode catalyst exhibiting a relatively high activity can be obtained in an acidic electrolyte at a relatively high potential of, for example, 0.4 V or higher.

本発明の製造方法に使用される第一材料は、4Aおよび5A族からなる群より選択される1種以上の元素と、水素、窒素、塩素、炭素、硼素、硫黄および酸素から選択される1種以上の元素とで構成される金属化合物である。第一材料の金属化合物における元素は、4Aまたは5A族の元素であり、Zr、Ti、TaまたはNbであることが好ましく、ZrまたはTiであることがさらに好ましい。また、前記金属化合物における好ましい元素は、水素、塩素および酸素から選択される1種以上の元素である。特に、元素がZrである場合の金属化合物としては、たとえば水酸化ジルコニウムおよびオキシ塩化ジルコニウムなどがあげられる。また、元素がTiである場合の金属化合物としては、たとえば水酸化チタン、四塩化チタン、メタチタン酸、オルソチタン酸、硫酸チタン、チタンアルコキシドなどがあげられる。   The first material used in the production method of the present invention is one or more elements selected from the group consisting of groups 4A and 5A, and 1 selected from hydrogen, nitrogen, chlorine, carbon, boron, sulfur and oxygen It is a metal compound composed of more than seed elements. The element in the metal compound of the first material is a 4A or 5A group element, preferably Zr, Ti, Ta or Nb, and more preferably Zr or Ti. Moreover, the preferable element in the said metal compound is 1 or more types of elements selected from hydrogen, chlorine, and oxygen. In particular, examples of the metal compound when the element is Zr include zirconium hydroxide and zirconium oxychloride. Examples of the metal compound when the element is Ti include titanium hydroxide, titanium tetrachloride, metatitanic acid, orthotitanic acid, titanium sulfate, and titanium alkoxide.

本発明の製造方法に使用される第二材料は炭素材料前駆体または炭素材料前駆体と導電性材料の混合物である。本発明において、炭素材料前駆体は、焼成により炭素材料に導かれるものである。炭素材料前駆体としては、例えばグルコース、フルクトース、スクロース、セルロース、ハイドロプロピルセルロースなどの糖類;ポリビニルアルコールなどのアルコール;ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのグリコール類;ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル類;アクリルニトリル、ポリアクリルニトリルなどのニトリル類;コラーゲン、ケラチン、フェリチン、ホルモン、ヘモグロビン、アルビミンなどの各種タンパク質;グリシン、アラニン、メチオニンなどのアミノ酸等の生体物質;アスコルビン酸、クエン酸、ステアリン酸などの有機酸があげられる。本発明において導電性材料とは、炭素材料前駆体を除く導電性を有する材料であればよく、例えばカーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、フラーレンなどの導電性材料が好ましい。導電性酸化物、導電性酸化物繊維、導電性樹脂も用いることができる。   The second material used in the production method of the present invention is a carbon material precursor or a mixture of a carbon material precursor and a conductive material. In the present invention, the carbon material precursor is led to the carbon material by firing. Examples of the carbon material precursor include sugars such as glucose, fructose, sucrose, cellulose and hydropropyl cellulose; alcohols such as polyvinyl alcohol; glycols such as polyethylene glycol and polypropylene glycol; polyesters such as polyethylene terephthalate; acrylonitrile, poly Nitriles such as acrylonitrile; various proteins such as collagen, keratin, ferritin, hormones, hemoglobin, and albimine; biological materials such as amino acids such as glycine, alanine, and methionine; organic acids such as ascorbic acid, citric acid, and stearic acid It is done. In the present invention, the conductive material may be any material having conductivity excluding the carbon material precursor, such as carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, fullerene, etc. The conductive material is preferable. Conductive oxides, conductive oxide fibers, and conductive resins can also be used.

上記の第一の発明においては、上記第一材料および上記第二材料を水の共存下で混合することで混合材料を得ることが好ましい。混合時に表面修飾剤や分散剤、アンモニア等のpH調整剤を用いることもできる。混合する方法は、超音波分散機、ビーズミル、サンドグラインダー、ホモジナイザー、湿式ジェットミル、ボールミル、V型混合機、攪拌機などを用いることができる。混合材料を、超臨界状態または亜臨界状態の水の存在下において水熱反応させて混合前駆体スラリーを得る。   In said 1st invention, it is preferable to obtain a mixed material by mixing said 1st material and said 2nd material in coexistence of water. At the time of mixing, a surface modifier, a dispersant, and a pH adjuster such as ammonia can be used. As a mixing method, an ultrasonic disperser, a bead mill, a sand grinder, a homogenizer, a wet jet mill, a ball mill, a V-type mixer, a stirrer, or the like can be used. The mixed material is hydrothermally reacted in the presence of supercritical or subcritical water to obtain a mixed precursor slurry.

また、上記の第二の発明においては、上記第一材料を超臨界状態または亜臨界状態の水の存在下において水熱反応させて得られる前駆体と、上記第二材料とを混合して混合前駆体スラリーを得る。上記混合には、超音波分散機、ビーズミル、サンドグラインダー、ホモジナイザー、湿式ジェットミル、ボールミル、V型混合機、攪拌機等の、工業的に通常用いられている装置を用いることができる。このときの混合は、乾式混合、湿式混合のいずれによってもよい。   In the second invention, the precursor obtained by hydrothermal reaction of the first material in the presence of supercritical or subcritical water and the second material are mixed and mixed. A precursor slurry is obtained. For the mixing, industrially used apparatuses such as an ultrasonic disperser, a bead mill, a sand grinder, a homogenizer, a wet jet mill, a ball mill, a V-type mixer, and a stirrer can be used. The mixing at this time may be either dry mixing or wet mixing.

上記第一の発明において得られた混合前駆体スラリーは、遠心分離法や吸引ろ過法などの固液分離を行う行程と水などの溶媒への再分散を行う工程を繰り返すことで、未反応物などを取り除くための洗浄をすることが好ましい。洗浄後に得られた混合前駆体スラリーを超音波分散機、ビーズミル、サンドグラインダー、ホモジナイザー、湿式ジェットミル、ボールミル、V型混合機、攪拌機等の、工業的に通常用いられている装置を用い微粒化することが好ましい。また、上記固液分離、再分散の工程を行う際の溶媒添加量を調節することにより、洗浄後に得られる混合前駆体スラリーの濃度を任意に変えることが出来る。溶媒としては、メタノール、エタノールなどのアルコールおよび水が用いられ、水を用いることが好ましい。   The mixed precursor slurry obtained in the first invention is obtained by repeating the steps of performing solid-liquid separation such as centrifugal separation and suction filtration and re-dispersing in a solvent such as water. It is preferable to perform cleaning to remove the above. The mixed precursor slurry obtained after washing is atomized using equipment generally used in industry, such as ultrasonic dispersers, bead mills, sand grinders, homogenizers, wet jet mills, ball mills, V-type mixers, and stirrers. It is preferable to do. Moreover, the density | concentration of the mixing precursor slurry obtained after washing | cleaning can be arbitrarily changed by adjusting the solvent addition amount at the time of performing the said solid-liquid separation and redispersion process. As the solvent, alcohol such as methanol and ethanol and water are used, and water is preferably used.

前駆体スラリーの濃度は、フリーズドライ法における乾燥速度の観点からはより高濃度である事が好ましく、溶媒中における分散性の観点からは低濃度である事が好ましい。具体的には、1〜80質量%、好ましくは3〜60質量%、さらに好ましくは5〜50質量%である。   The concentration of the precursor slurry is preferably higher from the viewpoint of the drying speed in the freeze drying method, and preferably lower from the viewpoint of dispersibility in the solvent. Specifically, it is 1 to 80% by mass, preferably 3 to 60% by mass, and more preferably 5 to 50% by mass.

なお、水の超臨界点は、374℃、22MPaである。本発明において、超臨界状態の水とは、温度374℃以上である条件下であって、かつ圧力22MPa以上である水を意味する。また、本発明において、亜臨界状態の水とは、温度200℃以上であって、かつ圧力20MPa以上であることが好ましく、超臨界状態を除く。また、本発明において、水熱反応を行うための反応装置としては、バッチ式の反応装置や連続式(流通式)の反応装置を用いることができる。バッチ式の反応装置を例にとって説明すると、反応容器内に水溶液またはスラリーを入れて密閉し、これを所定温度で所定時間保持した後、冷却し、容器から生成物を回収する。反応容器としては、保持温度に対して充分な耐熱性を持ち、反応時の圧力に対して充分な耐圧性を持ち、用いる水溶液またはスラリーや中間体、生成物に対して充分な耐食性を持つ構造、材質のものを選べばよい。反応容器の材質は、水溶液またはスラリーの種類や反応温度、圧力などの条件に基づき、適切なものを選択すればよいが、例えばSUS316などのステンレス鋼;ハステロイ、インコネルなどのニッケル合金およびチタン合金をあげることができる。また、金などの耐食性の高い材料で容器の内面をライニングしてもよい。所定温度に保持するためには、例えば電気炉を利用することができる。この場合、電気炉は、反応容器の設置、取出しなどの操作を行い易いように、電気炉の加熱部に反応容器を挿入できる構造にすればよい。また、昇温時、所定温度保持時に、内容物の均一性を保つ意味で、反応容器を振盪してもよい。保持する所定温度に応じて、反応容器内に入れる水溶液またはスラリーの量を調整して、水熱反応時の反応容器内の圧力を調整する事ができる。所定時間保持した後、反応容器を冷却する方法としては、反応容器ごと水に浸けるなどして急冷する手法があげられる。生成物を回収する方法としては、スラリー状態で回収し、フリーズドライ法で乾燥する。フリーズドライ法で乾燥することで乾燥時に生成物の凝集を抑制した混合前駆体を得ることができる。   The supercritical point of water is 374 ° C. and 22 MPa. In the present invention, water in a supercritical state means water having a temperature of 374 ° C. or higher and a pressure of 22 MPa or higher. In the present invention, the subcritical water is preferably at a temperature of 200 ° C. or higher and a pressure of 20 MPa or higher, excluding the supercritical state. In the present invention, as a reaction apparatus for performing the hydrothermal reaction, a batch-type reaction apparatus or a continuous (circulation type) reaction apparatus can be used. In the case of a batch type reactor, an aqueous solution or slurry is sealed in a reaction vessel, which is kept at a predetermined temperature for a predetermined time, then cooled, and a product is recovered from the vessel. As a reaction vessel, it has sufficient heat resistance to the holding temperature, sufficient pressure resistance to the pressure during the reaction, and has a structure with sufficient corrosion resistance to the aqueous solution or slurry, intermediates and products used Select a material. The material of the reaction vessel may be selected appropriately based on conditions such as the type of aqueous solution or slurry, reaction temperature, and pressure. For example, stainless steel such as SUS316; nickel alloys such as Hastelloy and Inconel, and titanium alloys may be used. I can give you. Further, the inner surface of the container may be lined with a material having high corrosion resistance such as gold. In order to maintain at a predetermined temperature, for example, an electric furnace can be used. In this case, the electric furnace may be structured such that the reaction container can be inserted into the heating portion of the electric furnace so that operations such as installation and removal of the reaction container can be easily performed. In addition, the reaction vessel may be shaken in order to maintain the uniformity of the contents when the temperature is raised and when the predetermined temperature is maintained. The pressure in the reaction vessel at the time of the hydrothermal reaction can be adjusted by adjusting the amount of the aqueous solution or slurry put in the reaction vessel according to the predetermined temperature to be held. As a method of cooling the reaction vessel after being held for a predetermined time, there is a method of quenching the reaction vessel by immersing it in water. As a method for recovering the product, it is recovered in a slurry state and dried by freeze drying. By drying by freeze-drying, a mixed precursor that suppresses product aggregation during drying can be obtained.

得られた混合前駆体にさらに導電性材料を混合してもよい。   A conductive material may be further mixed with the obtained mixed precursor.

フリーズドライ法とは、乾燥したい対象物を凍結し凍結した対象物を真空下に置くことで溶媒を昇華させ乾燥させる手法である。蒸発した溶媒が真空ポンプに、取り込まれないために、また、対象物に再度吸着させないようにコールドトラップで蒸発させた溶媒分を回収する。通常の加熱による乾燥と異なり濃縮や凝集を伴わない乾燥のため溶媒中の分散状態を保持したまま乾燥できるという特徴を有する。   The freeze-drying method is a technique in which an object to be dried is frozen and the frozen object is placed under vacuum to sublimate the solvent and dry it. The evaporated solvent is recovered by the cold trap so that the evaporated solvent is not taken into the vacuum pump and is not adsorbed again on the object. Unlike the drying by normal heating, it has a feature that it can be dried while maintaining the dispersion state in the solvent for drying without concentration or aggregation.

上記のような特徴から、凍結工程において分散状態を保ったまま凍結することが重要である。このために一般的には、乾燥したい対象物を出来る限り早く凍結させるか、攪拌したり回転したりすることで分散状態を保ちながら凍結させるか、スプレー等を用いて微細化し凍結させるなどを行う。凍結させる温度は用いる溶媒の凝固点以下である必要があり、凍結速度の観点からより低温である事が好ましい。   Due to the above characteristics, it is important to freeze while maintaining a dispersed state in the freezing step. For this purpose, in general, the object to be dried is frozen as soon as possible, or it is frozen while stirring or rotating while maintaining a dispersed state, or it is made finer and frozen using a spray or the like. . The freezing temperature needs to be lower than or equal to the freezing point of the solvent used, and is preferably a lower temperature from the viewpoint of the freezing rate.

フリーズドライ法を実施する真空度としては、蒸発速度の観点から出来る限り低いことが望ましく、また、棚冷却などの機能の付いていないフリーズドライ装置などにおいては伝熱の観点からも出来る限り低いことが好ましい。例えば、汎用的なロータリーポンプを用いた場合の到達真空度は1〜10Paである。   The degree of vacuum at which freeze drying is performed is preferably as low as possible from the viewpoint of evaporation rate, and it is also as low as possible from the viewpoint of heat transfer in freeze-drying equipment without functions such as shelf cooling. Is preferred. For example, the ultimate vacuum when using a general-purpose rotary pump is 1 to 10 Pa.

フリーズドライ法を実施する温度としては、蒸発速度の観点からは伝熱により溶媒の解凍が起こらない範囲において、出来るだけ高いことが好ましい。例えば、溶媒として水を用いた場合には、通常−20℃〜20℃、好ましくは−10〜20℃、さらに好ましくは0〜20℃である。   The temperature at which the freeze-drying method is carried out is preferably as high as possible within the range where the solvent is not thawed by heat transfer from the viewpoint of the evaporation rate. For example, when water is used as the solvent, it is usually −20 ° C. to 20 ° C., preferably −10 to 20 ° C., more preferably 0 to 20 ° C.

以下に、本発明において連続的に水熱反応を行うための反応装置について、図面を参照しながら説明する。図1は、連続的に水熱反応を行うための流通式反応装置の概要を示す図である。水タンク11,21は、水を供給するためのタンクである。原料タンク22は、原料スラリーを供給するためのタンクである。弁110,210,220を開けることにより、これらのタンクから液が供給される。原料スラリーは、上記の第一の発明の場合は第一材料および第二材料を含む混合材料のスラリーまたは水溶液であり、また、上記の第二の発明の場合は、第一材料のスラリーまたは水溶液である。送液ポンプ13により水タンク11から加熱器14に液を送り、送液ポンプ23により水タンク21または原料タンク22から加熱器24に液を送る。送られたそれぞれの液は、混合部30で混合され、主に反応器40内で水熱反応する。図2は、反応器の概要を示す図である。反応器40内には、内部配管41とその配管を加熱する加熱器44があり、内部配管41は外部の配管に接続されている。水熱反応後の生成スラリーは、冷却器51で冷却され、背圧弁53を通過して、回収容器60で回収される。   Below, the reaction apparatus for performing a hydrothermal reaction continuously in this invention is demonstrated, referring drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of a flow reactor for continuously performing a hydrothermal reaction. The water tanks 11 and 21 are tanks for supplying water. The raw material tank 22 is a tank for supplying the raw material slurry. By opening the valves 110, 210, and 220, liquid is supplied from these tanks. The raw material slurry is a slurry or an aqueous solution of a mixed material containing the first material and the second material in the case of the first invention, and is a slurry or an aqueous solution of the first material in the case of the second invention. It is. Liquid is sent from the water tank 11 to the heater 14 by the liquid feed pump 13, and liquid is sent from the water tank 21 or the raw material tank 22 to the heater 24 by the liquid feed pump 23. The sent liquids are mixed in the mixing unit 30 and mainly hydrothermally react in the reactor 40. FIG. 2 is a diagram showing an outline of the reactor. In the reactor 40, there is an internal pipe 41 and a heater 44 for heating the pipe, and the internal pipe 41 is connected to an external pipe. The produced slurry after the hydrothermal reaction is cooled by the cooler 51, passes through the back pressure valve 53, and is collected by the collection container 60.

図1において、弁110と弁210または弁220とを開け、送液ポンプ13,23を動かし、さらに、背圧弁53の開閉により、これら送液ポンプ13,23から背圧弁53までの配管内の圧力を調節して、また加熱器14,24および反応器40内の加熱器44の温度を調節して、超臨界状態または亜臨界状態の水を得ることができる。   In FIG. 1, the valve 110 and the valve 210 or the valve 220 are opened, the liquid feeding pumps 13 and 23 are moved, and the back pressure valve 53 is opened and closed, so that the inside of the piping from the liquid feeding pumps 13 and 23 to the back pressure valve 53 The supercritical or subcritical water can be obtained by adjusting the pressure and adjusting the temperature of the heaters 14, 24 and the heater 44 in the reactor 40.

より具体的には、送液ポンプ13,23を起動し、背圧弁53を用いて配管内の圧力を適宜調節して、加熱器14,24および反応器40内の加熱器44の温度を適宜調節して、反応器内の水が超臨界状態または亜臨界状態になるように昇温する。原料タンク22から原料スラリーを送ると、混合部30以降の配管内で水熱反応が行われ、前駆体または混合前駆体が生成し、これらの生成スラリーを回収容器60で回収することができる。また、原料スラリーを原料タンク22から送る前後に、水タンク21から水を送り、配管の予備加熱、配管の洗浄などを行うことも可能である。また、水熱反応後の生成スラリーについて、フィルター52を用いて、粗大粒子の除去を行うなどして粒度を調整してもよい。   More specifically, the liquid feed pumps 13 and 23 are activated, the pressure in the piping is adjusted as appropriate using the back pressure valve 53, and the temperatures of the heaters 14 and 24 and the heater 44 in the reactor 40 are appropriately adjusted. The temperature is adjusted so that the water in the reactor is in a supercritical state or a subcritical state. When the raw material slurry is sent from the raw material tank 22, a hydrothermal reaction is performed in the pipes after the mixing unit 30 to generate a precursor or a mixed precursor, and these generated slurry can be recovered in the recovery container 60. Further, before and after the raw material slurry is sent from the raw material tank 22, it is possible to send water from the water tank 21 and perform preheating of the piping, cleaning of the piping, and the like. In addition, the particle size of the produced slurry after the hydrothermal reaction may be adjusted by removing coarse particles using the filter 52.

また、反応器40内の内部配管41の長さを調節することで、反応時間を調節することができる。内部配管41の長さの調節にあたっては、内部配管41の形状として、ジグザグ状、らせん状など、種々の形状を選択使用すればよい。   Further, the reaction time can be adjusted by adjusting the length of the internal piping 41 in the reactor 40. In adjusting the length of the internal pipe 41, various shapes such as a zigzag shape and a spiral shape may be selected and used as the shape of the internal pipe 41.

配管、内部配管の材質は、原料スラリーの種類や、水熱反応の温度、圧力などの条件に基づき、適切なものを選択すればよいが、例えばSUS316などのステンレス鋼や、ハステロイ、インコネルなどのニッケル合金、およびチタン合金をあげることができる。また、通過する液の特性に応じて、金などの耐食性の高い材料で配管の一部または全部の内面をライニングしてもよい。   The material of the piping and internal piping may be selected appropriately based on conditions such as the type of raw slurry and the temperature and pressure of the hydrothermal reaction. For example, stainless steel such as SUS316, Hastelloy, Inconel, etc. A nickel alloy and a titanium alloy can be mentioned. Further, depending on the characteristics of the liquid passing therethrough, a part or all of the inner surface of the pipe may be lined with a material having high corrosion resistance such as gold.

第二の発明において回収容器60で回収された前駆体スラリーについては、第二材料と混合するに際して固液分離、洗浄、乾燥して、粉末状態で用いてもよいし、スラリー状態で用いてもよい。   In the second invention, the precursor slurry recovered in the recovery container 60 may be used in a powder state after solid-liquid separation, washing and drying when mixing with the second material, or in a slurry state. Good.

前記混合前駆体を、第二材料が炭素材料に遷移しうる条件にて焼成することで本発明の電極触媒が得られる。焼成時の雰囲気としては、電極触媒を効率的に合成するために無酸素の雰囲気下で焼成することが好ましく、コストの観点から無酸素の雰囲気は、窒素雰囲気であることが好ましい。窒素中に水素やアンモニア等の還元性ガスが含まれてもよい。雰囲気中における酸素濃度は3%以下であることが好ましく、1%以下であることがさらに好ましく、0.1%以下であることがより好ましい。この焼成の際に用いられる炉は、雰囲気を制御することができる炉であればよく、例えば、管状電気炉、トンネル炉、遠赤外線炉、マイクロ波加熱炉、ローラーハース炉、ロータリー炉などがあげられる。回分式で行われてもよいし、連続式で行われてもよい。また混合前駆体を静置した状態で焼成する静止式で焼成してもよいし、混合前駆体を流動状態として焼成する流動式で焼成してもよい。   The electrode catalyst of the present invention is obtained by firing the mixed precursor under conditions that allow the second material to transition to a carbon material. The firing atmosphere is preferably fired in an oxygen-free atmosphere in order to efficiently synthesize the electrode catalyst. From the viewpoint of cost, the oxygen-free atmosphere is preferably a nitrogen atmosphere. Nitrogen may contain a reducing gas such as hydrogen or ammonia. The oxygen concentration in the atmosphere is preferably 3% or less, more preferably 1% or less, and even more preferably 0.1% or less. The furnace used for this firing may be any furnace that can control the atmosphere, such as a tubular electric furnace, tunnel furnace, far-infrared furnace, microwave heating furnace, roller hearth furnace, rotary furnace, etc. It is done. It may be performed batchwise or continuously. Alternatively, the mixed precursor may be fired in a stationary manner in which the mixed precursor is left standing, or may be fired in a fluid manner in which the mixed precursor is fired in a fluid state.

焼成は、炭素材料前駆体および焼成雰囲気の種類にもより適宜設定すればよいが、炭素材料前駆体が炭素材料に遷移しうる温度、すなわち炭素材料前駆体が分解し炭化する温度で行えばよく、焼成温度として、より具体的には、例えば400〜1500℃、好ましくは、500〜1400℃ある。電極触媒のBET比表面積は、焼成温度制御により、制御することができる。なお、本発明において、第二材料が炭素材料に遷移しうる条件とは、第二材料が分解し炭化して炭素材料になりうる条件のことを意味する。   Firing may be appropriately set depending on the type of the carbon material precursor and the firing atmosphere, but may be performed at a temperature at which the carbon material precursor can transition to the carbon material, that is, a temperature at which the carbon material precursor is decomposed and carbonized. More specifically, the firing temperature is, for example, 400 to 1500 ° C, preferably 500 to 1400 ° C. The BET specific surface area of the electrode catalyst can be controlled by controlling the calcination temperature. In the present invention, the condition that the second material can transition to the carbon material means a condition that the second material can be decomposed and carbonized to become a carbon material.

焼成の際の昇温速度は、実用的な範囲であれば特に限定されるものではなく、通常10〜600℃/時間、好ましくは50〜500℃/時間であり、このような昇温速度において、前記焼成温度まで昇温して、0.1〜24時間、好ましくは1〜12時間程度、保持して焼成を行えばよい。   The temperature raising rate during firing is not particularly limited as long as it is in a practical range, and is usually 10 to 600 ° C./hour, preferably 50 to 500 ° C./hour. The temperature is raised to the firing temperature, and the firing is performed for 0.1 to 24 hours, preferably about 1 to 12 hours.

焼成後には電極触媒中に炭素が残っている状態であることが好ましく、本発明における電極触媒の炭素量としては、0.1質量%以上50質量%以下、より好ましくは0.5質量%以上45質量%以下、さらにより好ましくは3質量%以上40質量%以下、特に好ましくは15質量%以上35質量%以下である。本発明において、炭素量としてはイグニッションロス値(以下「イグロス値」という。)を用い、具体的には、電極触媒をアルミナ坩堝にいれ、大気雰囲気で1000℃で3時間焼成を行ったときに、次の式により算出される炭素量の値を用いる。
炭素量(質量%)=(W−W)/W×100
(ここで、Wは混合前駆体の質量、Wは電極触媒の質量である。)
It is preferable that carbon remains in the electrode catalyst after calcination, and the amount of carbon in the electrode catalyst in the present invention is 0.1% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or more. It is 45 mass% or less, More preferably, it is 3 mass% or more and 40 mass% or less, Most preferably, it is 15 mass% or more and 35 mass% or less. In the present invention, an ignition loss value (hereinafter referred to as “igros value”) is used as the amount of carbon. Specifically, when an electrode catalyst is placed in an alumina crucible and calcined at 1000 ° C. for 3 hours in an air atmosphere. The value of carbon amount calculated by the following formula is used.
Carbon amount (mass%) = (W I −W A ) / W I × 100
(Wherein, W I is the mass of the mixed precursor, the W A is the mass of the electrode catalyst.)

上述の本発明の製造方法により得られる電極触媒は、酸性電解液中、高電位でも溶解することなく、比較的高い活性をしめすことのできる電極触媒である。   The electrode catalyst obtained by the above-described production method of the present invention is an electrode catalyst that can exhibit relatively high activity in an acidic electrolyte solution without being dissolved even at a high potential.

本発明において、電極触媒は、そのBET比表面積が、15m/g以上1000m/g以下であることが好ましく、より好ましくは、50m/g以上1000m/g以下である。BET比表面積をこのように設定することで、活性をより高めることができる。 In the present invention, the electrode catalyst preferably has a BET specific surface area of 15 m 2 / g or more and 1000 m 2 / g or less, more preferably 50 m 2 / g or more and 1000 m 2 / g or less. By setting the BET specific surface area in this way, the activity can be further increased.

本発明において、電極触媒は、以下の式(1)により求めた炭素被覆率が0.05以上0.5以下であることが好ましく、より好ましくは0.1以上0.3以下である。
炭素被覆率=炭素量(質量%)/BET比表面積(m/g) (1)
In the present invention, the electrode catalyst preferably has a carbon coverage determined by the following formula (1) of 0.05 or more and 0.5 or less, more preferably 0.1 or more and 0.3 or less.
Carbon coverage = carbon content (mass%) / BET specific surface area (m 2 / g) (1)

本発明において、電極触媒は、電極反応を促進するために仕事関数値が低いことが好ましく、好ましくは2eV以上6eV以下、より好ましくは3eV以上5eV以下である。仕事関数値としては、理研計器(株)製の光電子分光装置「AC−2」を用い、光量測定500nW、測定エネルギー4.2〜6.2eVで測定し、電流検出時のエネルギー値を用いることができる。   In the present invention, the electrode catalyst preferably has a low work function value in order to promote the electrode reaction, preferably 2 eV or more and 6 eV or less, more preferably 3 eV or more and 5 eV or less. As a work function value, use a photoelectron spectrometer “AC-2” manufactured by Riken Keiki Co., Ltd., measure the light intensity at 500 nW, measure energy 4.2 to 6.2 eV, and use the energy value at the time of current detection. Can do.

本発明の好ましい形態として、ジルコニウムおよび酸素原子を含む金属化合物と、該化合物の少なくとも一部を被覆する炭素材料とから構成され、BET比表面積が15m/g以上1000m/g以下である電極触媒があげられる。該電極触媒により、電気化学システムにおいて、より大きな酸素還元電流を取り出すことが可能となる。また、ジルコニウムは、資源量が豊富でもあり、このことは、燃料電池などの電気化学システムの普及もしくは大型化などに、有利にはたらく。 As a preferred embodiment of the present invention, an electrode composed of a metal compound containing zirconium and an oxygen atom and a carbon material covering at least a part of the compound, and having a BET specific surface area of 15 m 2 / g or more and 1000 m 2 / g or less Catalyst. The electrode catalyst makes it possible to extract a larger oxygen reduction current in the electrochemical system. Zirconium also has abundant resources, which is advantageous for the spread or enlargement of electrochemical systems such as fuel cells.

得られた電極触媒は解砕処理をしてもよい。粉解砕方法は乾式でおこなってもよいし、湿式で行っても良い。乾式での解砕方法としては、ボールミル、遊星ミル、ピンミル、ジェットミルなどがあげられる。湿式での解砕方法としては超音波分散機、ビーズミル、サンドグラインダー、ホモジナイザー、湿式ジェットミルなどがあげられる。湿式での解砕の際用いる溶媒は特に規定しないが、メタノール、エタンノール、イソプロパノール、ノルマルプロパノールなどのアルコール類やイオン交換水などの水など等を用いるおことができる。解砕処理により、電極触媒のBET比表面積を制御することも可能である。   The obtained electrode catalyst may be crushed. The powder crushing method may be carried out dry or wet. Examples of dry crushing methods include a ball mill, a planetary mill, a pin mill, and a jet mill. Examples of wet crushing methods include an ultrasonic disperser, a bead mill, a sand grinder, a homogenizer, and a wet jet mill. The solvent used for wet disintegration is not particularly limited, but alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, and normal propanol, water such as ion-exchanged water, and the like can be used. It is also possible to control the BET specific surface area of the electrode catalyst by crushing treatment.

本発明の電極触媒組成物は、本発明の電極触媒を有する。電極触媒組成物は、通常、分散媒を有する。電極触媒組成物は、電極触媒を分散媒に分散させて得ることができる。分散媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ノルマルプロパールなどのアルコール類やイオン交換水などの水等があげられる。   The electrode catalyst composition of the present invention has the electrode catalyst of the present invention. The electrode catalyst composition usually has a dispersion medium. The electrode catalyst composition can be obtained by dispersing the electrode catalyst in a dispersion medium. Examples of the dispersion medium include alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol, and normal propal, and water such as ion exchange water.

分散の際には、分散剤を用いてもよい。分散剤としては、例えば硝酸、塩酸、硫酸などの無機酸、シュウ酸、クエン酸、酢酸、リンゴ酸、乳酸などの有機酸、オキシ塩化ジルコニウムなどの水溶性ジルコニウム塩、ポリカルボン酸アンモニウム、ポリカルボン酸ナトリウムなどの界面活性剤、エピカテキン、エピガロカテキン、エピガロカテキンガレードなどのカテキン類があげられる。   In dispersing, a dispersing agent may be used. Examples of the dispersant include inorganic acids such as nitric acid, hydrochloric acid, and sulfuric acid, organic acids such as oxalic acid, citric acid, acetic acid, malic acid, and lactic acid, water-soluble zirconium salts such as zirconium oxychloride, ammonium polycarboxylate, and polycarboxylic acid. Examples include surfactants such as sodium acid, and catechins such as epicatechin, epigallocatechin, and epigallocatechin galade.

本発明の電極触媒組成物は、イオン交換樹脂を含有していてもよい。イオン交換樹脂を含有する場合は、燃料電池用として特に好適である。イオン交換樹脂としては、ナフィオン(デュポン社の登録商標)などのフッ素系イオン交換樹脂や、スルホン酸化されたフェノールホルムアルデヒド樹脂などの炭化水素系イオン交換樹脂などがあげられる。   The electrode catalyst composition of the present invention may contain an ion exchange resin. When it contains an ion exchange resin, it is particularly suitable for a fuel cell. Examples of the ion exchange resin include fluorine ion exchange resins such as Nafion (registered trademark of DuPont) and hydrocarbon ion exchange resins such as sulfonated phenol formaldehyde resins.

本発明の電極触媒組成物は、導電材を含有してもよい。導電材としてはカーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、導電性酸化物、導電性酸化物繊維または導電性樹脂などがあげられる。また、本発明の電極触媒組成物は、Pt、Ru等の貴金属や、Ni、Fe、Co等の遷移金属を含有することもできる。これらの貴金属、遷移金属を含有する場合には、その含有割合は、微量(例えば、電極触媒100質量部に対して、0.1〜10質量部程度)であることが好ましい。   The electrode catalyst composition of the present invention may contain a conductive material. Examples of the conductive material include carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanofiber, conductive oxide, conductive oxide fiber, and conductive resin. The electrode catalyst composition of the present invention can also contain a noble metal such as Pt and Ru and a transition metal such as Ni, Fe and Co. When these noble metals and transition metals are contained, the content ratio is preferably a trace amount (for example, about 0.1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the electrode catalyst).

本発明の電極触媒は、電気化学システムに用いることができ、好ましくは燃料電池用の電極触媒として、より好ましくは固体高分子形燃料電池用の電極触媒として、よりさらに好ましくは固体高分子形燃料電池のカソード部の電極触媒として用いることができる。   The electrode catalyst of the present invention can be used in an electrochemical system, preferably as an electrode catalyst for a fuel cell, more preferably as an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, still more preferably a polymer electrolyte fuel. It can be used as an electrode catalyst for the cathode part of a battery.

本発明における電極触媒は、酸性電解質中において可逆水素電極電位に対して0.4V以上の電位で好適に使用することができ、かつ比較的高活性であるために、例えば電気化学システムにおいて、電極に担持され、酸素を還元するために用いられる酸素還元触媒として有用である。酸素還元触媒として用いる場合の電位の好適な上限は、電極触媒の安定性にもより、酸素発生する電位である1.6V程度まで使用可能である。1.6Vを越えると、酸素発生と同時に電極触媒が表面から除々に酸化されて、電極触媒が完全に酸化物になって、失活してしまうこともある。電位が0.4V未満では、電極触媒の安定性という観点では好適とはいえるものの、酸素還元触媒という観点からは有用性に乏しいこともある。   The electrode catalyst in the present invention can be suitably used at a potential of 0.4 V or more with respect to the reversible hydrogen electrode potential in an acidic electrolyte and is relatively high in activity. And is useful as an oxygen reduction catalyst used to reduce oxygen. A suitable upper limit of the potential when used as an oxygen reduction catalyst can be used up to about 1.6 V, which is a potential for generating oxygen, depending on the stability of the electrode catalyst. When the voltage exceeds 1.6 V, the electrode catalyst is gradually oxidized from the surface simultaneously with the generation of oxygen, and the electrode catalyst may be completely converted into an oxide and deactivated. If the potential is less than 0.4 V, it can be said that it is preferable from the viewpoint of stability of the electrode catalyst, but it may be less useful from the viewpoint of an oxygen reduction catalyst.

本発明の電極触媒は、電極触媒組成物の形態でカーボンクロス、カーボンペーパー等の電極に担持させて、酸性電解質中での水の電気分解、有機物の電気分解などに用いることもできる。また、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池等の燃料電池を構成する電極に担持させて用いることもできる。   The electrode catalyst of the present invention can be supported on an electrode such as carbon cloth or carbon paper in the form of an electrode catalyst composition and used for electrolysis of water in an acidic electrolyte, electrolysis of organic matter, or the like. It can also be used by being supported on an electrode constituting a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell or a phosphoric acid fuel cell.

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited by these Examples.

なお、各実施例における評価方法は以下の通りである。
(1)BET比表面積(m2/g)は、窒素吸着法により求めた。
(2)結晶構造は粉末X線回折装置を用いて行った。
(3)炭素量は、得られた電極触媒をアルミナ坩堝にいれ、箱型炉にて大気雰囲気で1000℃で3時間焼成し、次の式により算出される炭素量の値(イグロス値)を用いた。
炭素量(質量%)=(W−W)/W×100
(ここで、Wは混合前駆体の質量、Wは電極触媒の質量である。)
(4)炭素被覆率は次の式にて算出した。
炭素被覆率=炭素量(質量%)/BET比表面積(m2/g)
In addition, the evaluation method in each Example is as follows.
(1) The BET specific surface area (m 2 / g) was determined by a nitrogen adsorption method.
(2) The crystal structure was performed using a powder X-ray diffractometer.
(3) The amount of carbon is obtained by placing the obtained electrode catalyst in an alumina crucible, firing it in a box furnace at 1000 ° C. for 3 hours in the atmosphere, and calculating the carbon amount value (igross value) calculated by the following equation: Using.
Carbon amount (mass%) = (W I −W A ) / W I × 100
(Wherein, W I is the mass of the mixed precursor, the W A is the mass of the electrode catalyst.)
(4) The carbon coverage was calculated by the following formula.
Carbon coverage = carbon content (mass%) / BET specific surface area (m 2 / g)

製造例1:第一材料(Zr含有化合物)の調製
オキシ塩化ジルコニウム(和光純薬製)を純水に溶解して得た水溶液(オキシ塩化ジルコニウム8質量%)と、NH水(関東化学(株)製、4質量%に希釈)とを用いて、中和を行い、得られた沈殿物をろ過・洗浄して、第一材料(Zr含有化合物)を得た。粉末X線回折測定の結果、この第一材料は、水酸化ジルコニウムであることがわかった。この第一材料を、pHが10.5に調整されたNH水に、第一材料が1質量%となる濃度で分散させ、Zr含有化合物スラリーを得た。
Production Example 1: Preparation of first material (Zr-containing compound) Zirconium oxychloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) dissolved in pure water (8 mass% zirconium oxychloride) and NH 3 water (Kanto Chemical ( The product was neutralized with 4% by mass diluted, and the resulting precipitate was filtered and washed to obtain a first material (Zr-containing compound). As a result of powder X-ray diffraction measurement, this first material was found to be zirconium hydroxide. This first material was dispersed in NH 3 water having a pH adjusted to 10.5 at a concentration such that the first material was 1% by mass to obtain a Zr-containing compound slurry.

実施例1
〔電極触媒の調製〕
第一材料として、製造例1により得られたZr含有化合物スラリーを用いた。第二材料として、グルコース(和光純薬製)を用いた。Zr含有化合物スラリー1500gにグルコース37.5gを添加した混合材料を、流通式反応装置の原料タンク22に仕込んだ。水タンク11,21に水を仕込み、送液ポンプ13,23を起動して、弁110、210を開けて、これらの水の送液を開始した。ここで、送液ポンプ13における流量を16.7mL/分に、送液ポンプ23における流量を6.67mL/分に、それぞれ調節した。背圧弁53を用いて、配管内圧力を30MPaに調節した。加熱器14を320℃に、加熱器24を250℃に、反応器40内の加熱器44の温度を350℃に、それぞれ調節した。定常状態における混合部30の液温を測定したところ320℃であり、亜臨界状態の水であることを確認した。その後、弁210を閉め、弁220を開けることにより、水タンク21から原料タンク22に切り替えて、原料タンク22から混合材料を供給して、水熱反応を行い、回収容器60にて、混合前駆体スラリーを回収した。回収した混合前駆体スラリー500mlを遠心分離により固液分離後、水100mlを加え超音波分散器を用いて分散させ、スクリュー管に分取後、液体窒素中にスクリュー管を投入することにより凍結させた。凍結した試料を真空凍結乾燥機(アサヒライフサイエンス製、FZ−4.5CL)を用いて1週間乾燥し、混合前駆体を得た。凍結乾燥機における到達真空度は2.0Paであった。該混合前駆体を、アルミナ製ボートに入れ、内容積13.4Lの管状型電気炉〔(株)モトヤマ製〕中で、窒素ガスを1.5L/分の流量で流通させながら、昇温速度300℃/時間で室温(約25℃)から800℃まで昇温し、800℃で1時間保持することにより焼成して、電極触媒1を得た。得られた電極触媒1は、炭素で被覆された酸化ジルコニウムであった。電極触媒のBET比表面積は186m2/g、炭素量は18.5質量%、炭素被覆率は0.10、電極触媒を構成するジルコニアの結晶形は正方晶系と斜方晶系の混相であった。
Example 1
(Preparation of electrode catalyst)
As the first material, the Zr-containing compound slurry obtained in Production Example 1 was used. Glucose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) was used as the second material. A mixed material obtained by adding 37.5 g of glucose to 1500 g of the Zr-containing compound slurry was charged into the raw material tank 22 of the flow reactor. The water tanks 11 and 21 were charged with water, the liquid feed pumps 13 and 23 were started, the valves 110 and 210 were opened, and the liquid feed of these waters was started. Here, the flow rate in the liquid feed pump 13 was adjusted to 16.7 mL / min, and the flow rate in the liquid feed pump 23 was adjusted to 6.67 mL / min. Using the back pressure valve 53, the pressure in the pipe was adjusted to 30 MPa. The heater 14 was adjusted to 320 ° C, the heater 24 was adjusted to 250 ° C, and the temperature of the heater 44 in the reactor 40 was adjusted to 350 ° C. It was 320 degreeC when the liquid temperature of the mixing part 30 in a steady state was measured, and it confirmed that it was water of a subcritical state. Thereafter, the valve 210 is closed and the valve 220 is opened, so that the water tank 21 is switched to the raw material tank 22, the mixed material is supplied from the raw material tank 22, a hydrothermal reaction is performed, and the mixing precursor is mixed in the recovery container 60. Body slurry was collected. 500 ml of the collected mixed precursor slurry is separated into solid and liquid by centrifugation, and then 100 ml of water is added and dispersed using an ultrasonic disperser. The sample is dispensed into a screw tube and then frozen by placing the screw tube in liquid nitrogen. It was. The frozen sample was dried for one week using a vacuum freeze dryer (FZ-4.5CL, manufactured by Asahi Life Science) to obtain a mixed precursor. The ultimate vacuum in the freeze dryer was 2.0 Pa. The mixed precursor is put in an alumina boat and the rate of temperature rise is made while flowing nitrogen gas at a flow rate of 1.5 L / min in a tubular electric furnace (manufactured by Motoyama Co., Ltd.) having an internal volume of 13.4 L. The temperature was raised from room temperature (about 25 ° C.) to 800 ° C. at 300 ° C./hour and calcined by holding at 800 ° C. for 1 hour to obtain an electrode catalyst 1. The obtained electrode catalyst 1 was a zirconium oxide coated with carbon. The electrode catalyst has a BET specific surface area of 186 m 2 / g, a carbon content of 18.5% by mass, a carbon coverage of 0.10, and the crystal form of the zirconia constituting the electrode catalyst is a mixed phase of tetragonal system and orthorhombic system. there were.

〔電気化学システムでの評価〕
電極触媒1を0.02g秤量し、純水5mLとイソプロピルアルコール5mLの混合溶媒に添加し、超音波を照射して懸濁液とした。この懸濁液20μLをグラッシーカーボン電極〔6mm径、電極面積は28.3mm2〕に塗布、乾燥し、その上に「ナフィオン(登録商標)」〔デュポン社製、固形分濃度5質量%の十倍希釈サンプル〕を13μL塗布、乾燥後、真空乾燥機にて1時間処理をすることで電極触媒1をグラッシーカーボン電極上に担持させた修飾電極を得た。この修飾電極を濃度0.1モル/Lの硫酸水溶液中に浸漬し、室温、大気圧下、酸素雰囲気および窒素雰囲気において、銀塩化銀電極電位に対して−0.25〜0.75V(可逆水素電極電位換算0.025〜1.025V)の走査範囲で、50mV/sの走査速度で電位をサイクルした。サイクルごとの各電位における電流値を比較し、電極安定性を確認したところ、走査電位範囲内で電流値の変動はなく、安定していた。また、可逆水素電極電位に対して0.4Vの電位での酸素雰囲気と窒素雰囲気の電流値を比較し、酸素還元電流を求めたところ、電極の単位面積当たりで2539μA/cm2を示し、0.6Vの電位での酸素雰囲気と窒素雰囲気の電流値を比較し、酸素還元電流を求めたところ、電極の単位面積当たりで1649μA/cm2を示した。
[Evaluation by electrochemical system]
0.02 g of electrode catalyst 1 was weighed, added to a mixed solvent of 5 mL of pure water and 5 mL of isopropyl alcohol, and irradiated with ultrasonic waves to form a suspension. 20 μL of this suspension was applied to a glassy carbon electrode (6 mm diameter, electrode area: 28.3 mm 2 ), dried, and then “Nafion (registered trademark)” (manufactured by DuPont, solid content concentration of 5% by mass). After coating and drying 13 μL of the [double diluted sample], a modified electrode carrying the electrode catalyst 1 on the glassy carbon electrode was obtained by treating with a vacuum dryer for 1 hour. This modified electrode is immersed in an aqueous sulfuric acid solution having a concentration of 0.1 mol / L, and is −0.25 to 0.75 V (reversible) with respect to the silver-silver chloride electrode potential at room temperature, atmospheric pressure, oxygen atmosphere and nitrogen atmosphere. The potential was cycled at a scanning speed of 50 mV / s in a scanning range of hydrogen electrode potential conversion 0.025 to 1.025 V). When the current stability at each potential for each cycle was compared and the electrode stability was confirmed, the current value did not fluctuate within the scanning potential range and was stable. Further, when the current values of the oxygen atmosphere and the nitrogen atmosphere at a potential of 0.4 V with respect to the reversible hydrogen electrode potential were compared and the oxygen reduction current was determined, it showed 2539 μA / cm 2 per unit area of the electrode. The oxygen reduction current was determined by comparing the current values of the oxygen atmosphere and the nitrogen atmosphere at a potential of .6 V. The result showed 1649 μA / cm 2 per unit area of the electrode.

実施例2
〔電極触媒の調製〕
水熱反応における加熱器14を250℃に、反応器40内の加熱器44の温度を250℃に、それぞれ調節した以外は実施例1と同様の条件にて混合前駆体スラリーを得た。定常状態における混合部30の液温を測定したところ250℃であり、亜臨界状態の水であることを確認した。得られた電極触媒2は、炭素で被覆された酸化ジルコニウムであった。電極触媒のBET比表面積は233m2/g、炭素量は24.5質量%、炭素被覆率は0.11、電極触媒を構成するジルコニアの結晶形は正方晶系の単相であった。
Example 2
(Preparation of electrode catalyst)
A mixed precursor slurry was obtained under the same conditions as in Example 1 except that the heater 14 in the hydrothermal reaction was adjusted to 250 ° C. and the temperature of the heater 44 in the reactor 40 was adjusted to 250 ° C. When the liquid temperature of the mixing part 30 in a steady state was measured, it was 250 ° C., and it was confirmed to be subcritical water. The obtained electrode catalyst 2 was a zirconium oxide coated with carbon. The electrode catalyst had a BET specific surface area of 233 m 2 / g, a carbon content of 24.5% by mass, a carbon coverage of 0.11, and the crystal form of zirconia constituting the electrode catalyst was a tetragonal single phase.

〔電気化学システムでの評価〕
電極触媒1に代えて、電極触媒2を用いた以外は実施例1と同様の条件にて、電気化学システムでの評価を行ったところ、走査電位範囲内で電流値の変動はなく、安定していた。また、可逆水素電極電位に対して0.4Vの電位での酸素雰囲気と窒素雰囲気の電流値を比較し、酸素還元電流を求めたところ、電極の単位面積当たりで4629μA/cm2を示し、0.6Vの電位での酸素雰囲気と窒素雰囲気の電流値を比較し、酸素還元電流を求めたところ、電極の単位面積当たりで3134μA/cm2を示した。
[Evaluation by electrochemical system]
When the electrochemical system was evaluated under the same conditions as in Example 1 except that the electrode catalyst 2 was used instead of the electrode catalyst 1, the current value did not fluctuate within the scanning potential range and was stable. It was. Further, when the current values of the oxygen atmosphere and the nitrogen atmosphere at a potential of 0.4 V with respect to the reversible hydrogen electrode potential were compared and the oxygen reduction current was determined, it showed 4629 μA / cm 2 per unit area of the electrode, and 0 The oxygen reduction current was determined by comparing the current values of the oxygen atmosphere and the nitrogen atmosphere at a potential of .6 V, and found to be 3134 μA / cm 2 per unit area of the electrode.

比較例1
実施例1の回収した混合前駆体スラリーを遠心分離により固液分離後、水を加え分散させ、液体窒素を用いて凍結させ、凍結した試料を真空凍結乾燥機(アサヒライフサイエンス製、FZ−4.5CL)を用いて1週間乾燥するプロセスに代えて、回収した混合前駆体スラリーを遠心分離により固液分離後、水を加え分散させ、再度遠心分離し固液分離後、60℃、3時間の条件で加熱乾燥法を用いて乾燥して、混合前駆体を得た以外は実施例1と同様の条件にて電極触媒3を得た。得られた電極触媒3は、炭素で被覆された酸化ジルコニウムであった。電極触媒のBET比表面積は162m2/g、炭素量は19.3質量%、炭素被覆率は0.12、電極触媒を構成するジルコニアの結晶形は正方晶系と斜方晶系の混相であった。
Comparative Example 1
The collected mixed precursor slurry of Example 1 was subjected to solid-liquid separation by centrifugation, then water was added and dispersed, and the sample was frozen using liquid nitrogen, and the frozen sample was subjected to a vacuum freeze dryer (FZ-4, manufactured by Asahi Life Sciences). In this case, the recovered mixed precursor slurry is subjected to solid-liquid separation by centrifugation, dispersed by adding water, centrifuged again, and solid-liquid separation, followed by 60 ° C. for 3 hours. The electrode catalyst 3 was obtained under the same conditions as in Example 1 except that the mixed precursor was obtained by drying using the heat drying method. The obtained electrode catalyst 3 was a zirconium oxide coated with carbon. The electrocatalyst has a BET specific surface area of 162 m 2 / g, a carbon content of 19.3% by mass, a carbon coverage of 0.12, and the zirconia constituting the electrocatalyst has a tetragonal and orthorhombic mixed phase. there were.

〔電気化学システムでの評価〕
電極触媒1に代えて、電極触媒3を用いた以外は実施例1と同様にして、電気化学システムでの評価を行ったところ、走査電位範囲内で電流値の変動はなく、安定していた。また、可逆水素電極電位に対して0.4Vの電位での酸素雰囲気と窒素雰囲気の電流値を比較し、酸素還元電流を求めたところ、電極の単位面積当たりで2144μA/cm2を示し、0.6Vの電位での酸素雰囲気と窒素雰囲気の電流値を比較し、酸素還元電流を求めたところ、電極の単位面積当たりで1195μA/cm2を示した。
[Evaluation by electrochemical system]
When the electrochemical system was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the electrode catalyst 3 was used instead of the electrode catalyst 1, the current value did not vary within the scanning potential range and was stable. . Further, when the current values of the oxygen atmosphere and the nitrogen atmosphere at a potential of 0.4 V with respect to the reversible hydrogen electrode potential were compared and the oxygen reduction current was determined, it showed 2144 μA / cm 2 per unit area of the electrode, and 0 The oxygen reduction current was determined by comparing the current values of the oxygen atmosphere and the nitrogen atmosphere at a potential of .6 V, and found to be 1195 μA / cm 2 per unit area of the electrode.

比較例2
実施例2の回収した混合前駆体スラリーを遠心分離により固液分離後、水を加え分散させ、液体窒素を用いて凍結させ、凍結した試料を真空凍結乾燥機(アサヒライフサイエンス製、FZ−4.5CL)を用いて1週間乾燥するプロセスに代えて、回収した混合前駆体スラリーを遠心分離により固液分離後、水を加え分散させ、再度遠心分離し固液分離後、60℃、3時間の条件で加熱乾燥法を用いて乾燥して、電極触媒の前駆体を得た以外は実施例2と同様の条件にて電極触媒4を得た。得られた電極触媒4は、炭素で被覆された酸化ジルコニウムであった。電極触媒のBET比表面積は183m2/g、炭素量は26.4質量%、炭素被覆率は0.14、電極触媒を構成するジルコニアの結晶形は正方晶系の単相であった。
Comparative Example 2
The collected mixed precursor slurry of Example 2 was subjected to solid-liquid separation by centrifugation, water was added and dispersed, and the sample was frozen using liquid nitrogen, and the frozen sample was vacuum freeze-dried (FZ-4, manufactured by Asahi Life Sciences). In this case, the recovered mixed precursor slurry is subjected to solid-liquid separation by centrifugation, dispersed by adding water, centrifuged again, and solid-liquid separation, followed by 60 ° C. for 3 hours. The electrode catalyst 4 was obtained under the same conditions as in Example 2 except that the electrode catalyst precursor was obtained by drying using a heat drying method. The obtained electrode catalyst 4 was zirconium oxide coated with carbon. The electrode catalyst had a BET specific surface area of 183 m 2 / g, a carbon content of 26.4% by mass, a carbon coverage of 0.14, and the zirconia constituting the electrode catalyst had a tetragonal single phase.

〔電気化学システムでの評価〕
電極触媒1に代えて、電極触媒4を用いた以外は実施例1と同様にして、電気化学システムでの評価を行ったところ、走査電位範囲内で電流値の変動はなく、安定していた。また、可逆水素電極電位に対して0.4Vの電位での酸素雰囲気と窒素雰囲気の電流値を比較し、酸素還元電流を求めたところ、電極の単位面積当たりで2116μA/cm2を示し、0.6Vの電位での酸素雰囲気と窒素雰囲気の電流値を比較し、酸素還元電流を求めたところ、電極の単位面積当たりで1126μA/cm2を示した。
[Evaluation by electrochemical system]
When the electrochemical system was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the electrode catalyst 4 was used instead of the electrode catalyst 1, the current value did not vary within the scanning potential range and was stable. . Further, the current value of the oxygen atmosphere and the nitrogen atmosphere at a potential of 0.4 V with respect to the reversible hydrogen electrode potential was compared, and the oxygen reduction current was determined to be 2116 μA / cm 2 per unit area of the electrode. The current values of the oxygen atmosphere and the nitrogen atmosphere at a potential of .6 V were compared and the oxygen reduction current was determined to be 1126 μA / cm 2 per unit area of the electrode.

実施例1、2および比較例1、2の条件および結果を以下の表1に示す。   The conditions and results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Table 1 below.

Figure 2012223693
Figure 2012223693

11,21・・・水タンク、22・・・原料タンク、13,23・・・送液ポンプ、14,24・・・加熱器、30・・・混合部、40・・・反応器、41・・・内部配管、44・・・加熱器、51・・・冷却器、52・・・フィルター、53・・・背圧弁、60・・・回収容器、110,210,220・・・弁、1011・・・水タンク、1022・・・原料タンク、1013、1023・・・送液ポンプ、1014、1024・・・加熱器、1040・・・反応部、1070・・・回収ユニット、1060・・・回収容器 11, 21 ... Water tank, 22 ... Raw material tank, 13, 23 ... Liquid feed pump, 14, 24 ... Heater, 30 ... Mixing unit, 40 ... Reactor, 41 ... Internal piping, 44 ... Heater, 51 ... Cooler, 52 ... Filter, 53 ... Back pressure valve, 60 ... Collection container, 110, 210, 220 ... Valve, 1011 ... Water tank, 1022 ... Raw material tank, 1013, 1023 ... Liquid feed pump, 1014, 1024 ... Heater, 1040 ... Reactor, 1070 ... Recovery unit, 1060 ...・ Recovery container

Claims (7)

以下の第一材料および以下の第二材料を含む混合材料を、超臨界状態または亜臨界状態の水の存在下において水熱反応させて得られる混合前駆体スラリーをフリーズドライ法で乾燥して混合前駆体を得、得られた混合前駆体を第二材料が炭素材料に遷移しうる条件にて焼成することを特徴とする電極触媒の製造方法。
第一材料:4Aおよび5A族からなる群より選択される1種以上の元素と、水素、窒素、塩素、炭素、硼素、硫黄および酸素からなる群より選択される1種以上の元素とで構成される金属化合物
第二材料:炭素材料前駆体または炭素材料前駆体と導電性材料との混合物
A mixed precursor slurry obtained by hydrothermal reaction of a mixed material containing the following first material and the following second material in the presence of water in a supercritical state or a subcritical state is dried by a freeze drying method and mixed. A method for producing an electrode catalyst, comprising: obtaining a precursor; and calcining the obtained mixed precursor under conditions that allow the second material to transition to a carbon material.
First material: composed of one or more elements selected from the group consisting of groups 4A and 5A and one or more elements selected from the group consisting of hydrogen, nitrogen, chlorine, carbon, boron, sulfur and oxygen Metal compound second material: carbon material precursor or mixture of carbon material precursor and conductive material
以下の第一材料を超臨界状態または亜臨界状態の水の存在下において水熱反応させて得られる前駆体と、以下の第二材料とを混合して得られる混合前駆体スラリーをフリーズドライ法で乾燥して混合前駆体を得、得られた混合前駆体を第二材料が炭素材料に遷移しうる条件にて焼成することを特徴とする電極触媒の製造方法。
第一材料:4Aおよび5A族からなる群より選択される1種以上の元素と、水素、窒素、塩素、炭素、硼素、硫黄および酸素からなる群より選択される1種以上の元素とで構成される金属化合物
第二材料:炭素材料前駆体または炭素材料前駆体と導電性材料との混合物
Freeze-drying a mixed precursor slurry obtained by mixing the following first material with a precursor obtained by hydrothermal reaction of the following first material in the presence of supercritical or subcritical water: A method for producing an electrocatalyst, comprising drying the mixture to obtain a mixed precursor, and calcining the obtained mixed precursor under conditions that allow the second material to transition to a carbon material.
First material: composed of one or more elements selected from the group consisting of groups 4A and 5A and one or more elements selected from the group consisting of hydrogen, nitrogen, chlorine, carbon, boron, sulfur and oxygen Metal compound second material: carbon material precursor or mixture of carbon material precursor and conductive material
第一材料における4Aおよび5A族からなる群より選択される1種以上の元素が、ZrまたはTiである請求項1または2に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein the one or more elements selected from the group consisting of groups 4A and 5A in the first material are Zr or Ti. 前記焼成を、無酸素の雰囲気下で行う請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the firing is performed in an oxygen-free atmosphere. 請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法により得られる電極触媒。   The electrode catalyst obtained by the manufacturing method in any one of Claims 1-4. 請求項5に記載の電極触媒を有する電極触媒組成物。   An electrode catalyst composition comprising the electrode catalyst according to claim 5. 請求項5に記載の電極触媒を有する燃料電池。   A fuel cell comprising the electrode catalyst according to claim 5.
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