JP2014117652A - Method for producing catalyst fine particle, and fuel battery including catalyst fine particle produced by the same method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、従来よりも少ない工数を有する触媒微粒子の製造方法、及び当該製造方法により製造される触媒微粒子を含む燃料電池に関する。 The present invention relates to a method for producing catalyst fine particles having fewer man-hours than before, and a fuel cell including catalyst fine particles produced by the production method.
燃料電池は、燃料及び酸化剤を電気的に接続された2つの電極にそれぞれ供給し、電気化学的に燃料を酸化させることで、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ため、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, respectively, and oxidizing the fuel 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、今日の電極触媒に必要とされる量の白金は、燃料電池の大量生産を商業的に実現するには依然として高価である。したがって、白金をより安価な金属と組み合わせることにより、燃料電池カソード及びアノードに含まれる白金の量を低減させる研究がなされてきた。 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 today's electrocatalysts is still expensive for commercial realization of fuel cell mass production. Therefore, studies have been made to reduce the amount of platinum contained in fuel cell cathodes and anodes by combining platinum with less expensive metals.
近年、燃料電池の電極触媒として、コアシェル型の触媒微粒子が注目を集めている。コアに対するシェルの被覆率を上げる観点から、通常、コアシェル型の触媒微粒子の製造方法においては、Cu−UPD法等のアンダーポテンシャル析出法によって予めコア部表面に単原子層を形成した後、当該単原子層をシェル部に置換する方法が知られている。
Cu−UPD法を応用した技術として、特許文献1には、コア部と、当該コア部を被覆するシェル部を備えるコアシェル型触媒微粒子の製造方法であって、コア部に対するシェル部の被覆工程が、コア部に単原子層を被覆する工程、及び、当該単原子層をシェル部に置換する工程の計2工程からなる製造方法が開示されている。
In recent years, core-shell type catalyst fine particles have attracted attention as electrode catalysts for fuel cells. From the viewpoint of increasing the coverage of the shell with respect to the core, in general, in a method for producing core-shell type catalyst fine particles, a monoatomic layer is formed on the surface of the core portion in advance by an underpotential precipitation method such as a Cu-UPD method, A method of replacing an atomic layer with a shell part is known.
As a technique to which the Cu-UPD method is applied,
引用文献1の明細書の段落[0035]には、Cu−UPD法によって予めコア部表面に銅単原子層を形成した後、当該銅単原子層をシェル部に置換する方法が記載されている。しかし、Cu−UPD法を用いた合成方法は、電位の調節が非常に複雑であり、また、銅廃液が大量に排出されることからスケールアップが難しいという問題があった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、従来よりも少ない工数を有する触媒微粒子の製造方法、及び当該製造方法により製造される触媒微粒子を含む燃料電池を提供することを目的とする。
Paragraph [0035] of the specification of the cited
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for producing catalyst fine particles having fewer man-hours than before, and a fuel cell including the catalyst fine particles produced by the production method. To do.
本発明の触媒微粒子の製造方法は、パラジウムを含む中心粒子、及び白金を含み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、パラジウム含有粒子が分散した酸溶液に対し、0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内の電位を付与する第1の電位処理工程、及び、前記第1の電位処理工程後のパラジウム含有粒子が分散した酸溶液に対し、少なくとも白金イオンを添加し、且つ、0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内の電位を付与することにより、前記パラジウム含有粒子に、白金を含む前記最外層を被覆する第2の電位処理工程、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 center particles containing palladium, and an outermost layer containing platinum and covering the center particles, with respect to the acid solution in which the palladium-containing particles are dispersed, A first potential treatment step of applying a potential within the range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE), and at least the acid solution in which the palladium-containing particles after the first potential treatment step are dispersed; By adding platinum ions and applying a potential within a range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE), a second potential for coating the palladium-containing particles with the outermost layer containing platinum. A processing step.
本発明においては、前記第1の電位処理工程及び前記第2の電位処理工程を、交互に2回以上繰り返してもよい。 In the present invention, the first potential processing step and the second potential processing step may be alternately repeated twice or more.
本発明において、前記第1の電位処理工程における電位処理は、好適には0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内、より好適には0.4〜0.45V(vs.RHE)の範囲内の任意の2つの電位間を掃引する電位処理である。 In the present invention, the potential treatment in the first potential treatment step is preferably within a range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE), more preferably 0.4 to 0.45 V (vs. RHE). ) Is a potential process for sweeping between any two potentials within the range.
本発明において、前記第2の電位処理工程における電位処理は、0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内における、予め測定した開回路電位の終点電位を付与する電位処理であることが好ましい。 In the present invention, the potential treatment in the second potential treatment step is a potential treatment for applying an end point potential of an open circuit potential measured in advance within a range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE). Is preferred.
本発明においては、前記パラジウム含有粒子が担体に担持されていてもよい。 In the present invention, the palladium-containing particles may be supported on a carrier.
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の一面側に少なくともアノード触媒層を備えるアノード電極を備え、他面側に少なくともカソード触媒層を備えるカソード電極を備える膜・電極接合体を備える単セルを備える燃料電池であって、上記製造方法により製造される触媒微粒子を、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくともいずれか一方に含むことを特徴とする。 The fuel cell of the present invention comprises a single cell comprising a membrane / electrode assembly comprising an anode electrode having at least an anode catalyst layer on one side of a polymer electrolyte membrane and a cathode electrode having at least a cathode catalyst layer on the other side. A fuel cell comprising: catalyst fine particles produced by the above production method is included in at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer.
本発明によれば、パラジウム含有粒子に対し直接白金を被覆させるため、従来のアンダーポテンシャル析出法を用いた複数段階のコアシェル構造の構築方法と比較して、工数を減らすことができ、その結果大量合成が可能となる。 According to the present invention, since palladium is directly coated on palladium-containing particles, the number of man-hours can be reduced as compared with a conventional method of constructing a multi-stage core-shell structure using an underpotential deposition method. Synthesis is possible.
1.触媒微粒子の製造方法
本発明の触媒微粒子の製造方法は、パラジウムを含む中心粒子、及び白金を含み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、パラジウム含有粒子が分散した酸溶液に対し、0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内の電位を付与する第1の電位処理工程、及び、前記第1の電位処理工程後のパラジウム含有粒子が分散した酸溶液に対し、少なくとも白金イオンを添加し、且つ、0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内の電位を付与することにより、前記パラジウム含有粒子に、白金を含む前記最外層を被覆する第2の電位処理工程、を有することを特徴とする。
1. Method for Producing Catalyst Fine Particles The method for producing catalyst fine particles of the present invention is a method for producing catalyst fine particles comprising central particles containing palladium and an outermost layer containing platinum and covering the central particles, wherein the palladium-containing particles are dispersed. A first potential treatment step for applying a potential in the range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE) to the acid solution, and an acid in which the palladium-containing particles after the first potential treatment step are dispersed. The palladium-containing particles are coated with the outermost layer by adding at least platinum ions to the solution and applying a potential in the range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE). And a second potential processing step.
コアシェル構造を有する触媒微粒子は、白金等のような希少かつ高価な金属の使用量の低減に非常に有望と考えられている。コアシェル構造の構築には、上述したCu−UPD法を用いた合成法や、白金イオン溶液中においてコア材料表面に白金を析出させる合成法が知られている。 Catalyst fine particles having a core-shell structure are considered very promising for reducing the amount of rare and expensive metals such as platinum. For the construction of the core-shell structure, a synthesis method using the Cu-UPD method described above and a synthesis method in which platinum is deposited on the surface of the core material in a platinum ion solution are known.
Cu−UPD法を用いた合成法とは、Cu−UPD法にてコア材料表面に銅を析出させた後、白金イオンを加えることにより銅と白金との置換作用を生じさせ、コア材料表面上に白金層を形成する方法である。Cu−UPD法を用いた合成法の具体例としては、まずコア材料を電極上に塗布し、電極を室温かつ窒素バブリングさせた硫酸銅水溶液中に浸漬させて、所定の電位を付与することにより、コア材料表面に銅の単原子層を形成し、その後当該電極を白金イオン溶液中に浸漬することにより、銅と白金とを置換し、コア材料表面上に白金単原子層を形成する方法が挙げられる。 The synthesis method using the Cu-UPD method is to deposit copper on the surface of the core material by the Cu-UPD method, and then add platinum ions to cause a substitution action between copper and platinum. This is a method of forming a platinum layer. As a specific example of the synthesis method using the Cu-UPD method, first, a core material is applied on an electrode, and the electrode is immersed in an aqueous copper sulfate solution that is bubbled at room temperature and nitrogen, thereby applying a predetermined potential. And forming a monolayer of copper on the surface of the core material, and then immersing the electrode in a platinum ion solution to replace copper and platinum, thereby forming a monolayer of platinum on the surface of the core material. Can be mentioned.
Cu−UPD法を用いた合成法においては、コア材料表面にいかに均一に銅を析出させるかが課題となる。仮にコア材料表面に銅が不均一に析出した場合には、銅を白金と置換した後に、コア材料表面に白金が不均一に析出する結果につながるからである。
しかし、Cu−UPD法を用いた合成法をスケールアップした場合には、溶液中における銅イオンの均一な拡散に長い時間が費やされ、製造効率が落ち、コストが高くなるおそれがある。また、スケールアップした場合には、コア材料全体に電位を一様に付与することが困難となるため、電位降下が局所的に発生し、その結果、コア材料に対して銅が均一に析出せず、得られる触媒微粒子の品質がばらつくおそれがある。また、Cu−UPD法のスケールアップは、銅を含む大量の廃液処理を伴い、環境負荷が高い。さらに、銅と白金との置換が不十分な場合には、得られた触媒微粒子を膜・電極接合体中に用いた際、触媒微粒子中に残存した銅が電極反応中に溶出することにより、膜・電極接合体が劣化するおそれがある。
In the synthesis method using the Cu-UPD method, how to deposit copper uniformly on the surface of the core material is a problem. This is because if copper is deposited non-uniformly on the surface of the core material, it will lead to a result of non-uniform deposition of platinum on the surface of the core material after replacing copper with platinum.
However, when the synthesis method using the Cu-UPD method is scaled up, it takes a long time to uniformly diffuse the copper ions in the solution, which may reduce the production efficiency and increase the cost. In addition, when scaled up, it becomes difficult to uniformly apply a potential to the entire core material, so a potential drop occurs locally, and as a result, copper is uniformly deposited on the core material. Therefore, the quality of the obtained catalyst fine particles may vary. Further, the scale-up of the Cu-UPD method involves a large amount of waste liquid treatment containing copper, and has a high environmental load. Furthermore, when the substitution of copper and platinum is insufficient, when the obtained catalyst fine particles are used in the membrane / electrode assembly, the copper remaining in the catalyst fine particles is eluted during the electrode reaction. The membrane / electrode assembly may deteriorate.
白金イオン溶液中においてコア材料表面に白金を析出させる合成法の具体例としては、コア材料を含む懸濁液を加熱することにより電位低下させた後、白金イオン溶液を当該懸濁液に加えることにより、コア材料を白金により被覆する方法が挙げられる。
このような方法においては、コア材料表面に酸化物が多く存在することとなる。そのため、コア材料表面に白金シェルを形成する際、コア材料表面に対する白金シェルの被覆率が低下する。
As a specific example of the synthesis method for depositing platinum on the surface of the core material in the platinum ion solution, the potential is lowered by heating the suspension containing the core material, and then the platinum ion solution is added to the suspension. Thus, a method of coating the core material with platinum can be mentioned.
In such a method, a large amount of oxide is present on the surface of the core material. Therefore, when the platinum shell is formed on the surface of the core material, the coverage of the platinum shell on the surface of the core material is reduced.
また、コアシェル構造を有する触媒微粒子の前提として、コア部に対するシェル部の被覆率が低い場合には、コアが溶出し、性能が著しく低下するという問題がある。よって、コアシェル構造を有する触媒微粒子の製造方法においては、いかに簡易に被覆率の高いコアシェル触媒を合成できるかが重要である。
本発明者らは、パラジウム含有粒子に対し、第1の電位処理工程を実施した後、白金イオンを添加し且つ第2の電位処理を施すことにより、被覆率の高いコアシェル構造を有する触媒微粒子を、従来よりも簡易に大量合成できることを見出し、本発明を完成させた。
Further, as a premise of the catalyst fine particles having the core-shell structure, there is a problem that when the covering ratio of the shell portion to the core portion is low, the core is eluted and the performance is remarkably deteriorated. Therefore, in the method for producing catalyst fine particles having a core-shell structure, it is important how easily a core-shell catalyst having a high coverage can be synthesized.
The present inventors perform the first potential treatment step on the palladium-containing particles, and then add platinum ions and perform the second potential treatment to obtain catalyst fine particles having a core-shell structure with a high coverage. As a result, it was found that mass synthesis can be performed more easily than in the past, and the present invention was completed.
本発明は、(1)第1の電位処理工程、及び(2)第2の電位処理工程、を有する。本発明は、必ずしも上記2工程のみに限定されることはなく、上記2工程以外にも、例えば、後述するようなろ過工程、洗浄工程、及び乾燥工程等を有していてもよい。
以下、上記工程(1)〜(2)及びその他の工程について、順に説明する。
The present invention includes (1) a first potential processing step and (2) a second potential processing step. The present invention is not necessarily limited to only the above two steps, and may include, for example, a filtration step, a washing step, a drying step and the like as described later in addition to the above two steps.
Hereinafter, the steps (1) to (2) and other steps will be described in order.
1−1.第1の電位処理工程
本発明における第1の電位処理工程は、パラジウム含有粒子が分散した酸溶液に対し、0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内の電位を付与する工程である。
1-1. First potential treatment step The first potential treatment step in the present invention is a step of applying a potential within the range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE) to the acid solution in which the palladium-containing particles are dispersed. is there.
パラジウム含有粒子は、予め合成したものを用いることもできるし、市販品を用いることもできる。なお、本発明でいうパラジウム含有粒子とは、パラジウム粒子及びパラジウム合金粒子の総称である。
後述するように、最外層は白金を含む。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ことから、白金−パラジウム間で格子不整合が生じず、白金によるパラジウムの被覆が十分に行われる。
本発明に使用されるパラジウム含有粒子は、コストを抑える観点から、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を含むことが好ましい。さらに、パラジウム含有粒子は、電気的導通がとれる金属材料を含むことが好ましい。
以上の観点から、本発明に用いられるパラジウム含有粒子は、パラジウム粒子、又は、イリジウム、ロジウム若しくは金等の金属とパラジウムとの合金粒子であることが好ましい。パラジウム合金粒子を用いる場合には、当該パラジウム合金粒子にはパラジウムの他に金属が1種類のみ含まれていてもよいし、2種類以上含まれていてもよい。
As the palladium-containing particles, those previously synthesized can be used, or commercially available products can also be used. In addition, the palladium containing particle | grains said by this invention is a general term for palladium particle | grains and palladium alloy particle | grains.
As will be described later, the outermost layer contains platinum. Platinum is excellent in catalytic activity, particularly oxygen reduction reaction (ORR) activity. In addition, the lattice constant of platinum is 3.92Å, 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. There is no lattice mismatch between platinum and palladium, and palladium is sufficiently covered with platinum.
The palladium-containing particles used in the present invention preferably contain a metal material that is less expensive than the material used for the outermost layer described later, from the viewpoint of cost reduction. Furthermore, the palladium-containing particles preferably include a metal material that can be electrically connected.
From the above viewpoints, the palladium-containing particles used in the present invention are preferably palladium particles or alloy particles of palladium such as iridium, rhodium or gold. When palladium alloy particles are used, the palladium alloy particles may contain only one type of metal in addition to palladium, or two or more types of metals.
パラジウム含有粒子の平均粒径は、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、パラジウム含有粒子1つ当たりのコストに対する表面積の割合が高いという観点から、パラジウム含有粒子の平均粒径は、好ましくは30nm以下、より好ましくは5〜10nmである。
なお、本発明に用いられるパラジウム含有粒子及び触媒微粒子の平均粒径は、常法により算出される。パラジウム含有粒子及び触媒微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、400,000〜1,000,000倍のTEM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 palladium-containing particles is not particularly limited as long as it is equal to or smaller than the average particle diameter of the catalyst fine particles described later. In addition, from a viewpoint that the ratio of the surface area with respect to the cost per palladium containing particle | grain is high, the average particle diameter of palladium containing particle | grains becomes like this. Preferably it is 30 nm or less, More preferably, it is 5-10 nm.
In addition, the average particle diameter of the palladium containing particle | grains and catalyst fine particle which are used for this invention is computed by a conventional method. An example of a method for calculating the average particle diameter of the palladium-containing particles and the catalyst fine particles is as follows. First, in a TEM image having a magnification of 400,000 to 1,000,000, a particle size is calculated for a certain particle when the particle is considered spherical. The calculation of the particle size by such TEM observation is performed on 200 to 300 particles of the same type, and the average of these particles is defined as the average particle size.
パラジウム含有粒子は担体に担持されていてもよい。特に、本発明により製造され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 palladium-containing particles may be supported on a carrier. In particular, when the catalyst fine particles produced according to the present invention are used in an electrode catalyst layer of a fuel cell, the carrier 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.
パラジウム含有粒子が担持された担体は、予め調製されたものであってもよいし、市販のものであってもよい。
パラジウム含有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。パラジウム合金粒子を用いる場合には、パラジウム合金の調製とパラジウム合金粒子の担体への担持が同時に行われてもよい。
The carrier on which the palladium-containing particles are supported may be prepared in advance or may be commercially available.
Conventionally used methods can be employed as a method for supporting the palladium-containing particles on the carrier. When palladium alloy particles are used, the preparation of the palladium alloy and the loading of the palladium alloy particles on the carrier may be performed simultaneously.
本発明に使用される酸溶液は、パラジウム含有粒子表面の酸化物を除去できる程度に十分な酸化力を持つ酸溶液であり、具体的には、硝酸、硫酸、過塩素酸、塩酸、次亜塩素酸等が挙げられる。特に、主にパラジウムを溶解するのに十分な酸化力を持つという観点から、硫酸が好ましい。なお、酸溶液の濃度、及びバブリングによる酸溶液中の雰囲気制御は、酸溶液の種類ごとに適宜調節すればよい。
全てのパラジウム含有粒子に対し電位処理が満遍なく速やかに進行するという観点から、パラジウム含有粒子が分散した酸溶液においては、各パラジウム含有粒子が互いに凝集することなく、酸溶液中に均一に分散していることが好ましい。
The acid solution used in the present invention is an acid solution having an oxidizing power sufficient to remove the oxide on the surface of the palladium-containing particles, and specifically, nitric acid, sulfuric acid, perchloric acid, hydrochloric acid, hypochlorous acid, and the like. Examples include chloric acid. In particular, sulfuric acid is preferable from the viewpoint of mainly having an oxidizing power sufficient to dissolve palladium. In addition, what is necessary is just to adjust suitably the density | concentration of an acid solution and the atmosphere control in the acid solution by bubbling for every kind of acid solution.
In the acid solution in which the palladium-containing particles are dispersed, the palladium-containing particles are uniformly dispersed in the acid solution without agglomeration from each other, from the viewpoint that the potential treatment proceeds uniformly and promptly for all the palladium-containing particles. Preferably it is.
第1の電位処理工程における0.4〜0.6V(vs.RHE)の電位の範囲は、パラジウム含有粒子表面の酸化物(酸化被膜)を除去できる電位の範囲である。0.4V(vs.RHE)未満の電位においては、パラジウムによる水素の吸蔵が始まるおそれがある。一方、0.6V(vs.RHE)を超える電位においては、パラジウム含有粒子中のパラジウム等の金属が溶出しだすおそれがある。なお、下限の0.4V(vs.RHE)を0.2V程度下回ったとしても、パラジウム含有粒子の表面の酸化物を除去するクリーニング効果そのものは、0.4〜0.6V(vs.RHE)の電位範囲の掃引の効果と同程度である。第1の電位処理工程において付与する電位の範囲は、0.4〜0.45V(vs.RHE)の範囲が好ましい。
第1の電位処理工程においては、0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内であれば、所定の電位に固定して電位処理を実行してもよいし、所定の電位の範囲を1回又は2回以上掃引してもよい。なお、パラジウム含有粒子表面に対する吸着物質の脱着を繰り返し、当該表面に存在する酸化物を効率よく除去できるという観点からは、第1の電位処理工程における電位処理は、0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内の任意の2つの電位間を掃引する電位処理であることが好ましい。
任意の2つの電位間にて電位を掃引する場合には、掃引の回数は、反応スケールにより適宜調節することができる。掃引の回数は、例えば、1〜100gのパラジウム含有粒子について、1〜1,000サイクル程度である。
The potential range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE) in the first potential treatment step is a potential range in which the oxide (oxide film) on the surface of the palladium-containing particles can be removed. When the potential is less than 0.4 V (vs. RHE), there is a possibility that the occlusion of hydrogen by palladium starts. On the other hand, at a potential exceeding 0.6 V (vs. RHE), metals such as palladium in the palladium-containing particles may start to elute. Even when the lower limit of 0.4 V (vs. RHE) is lower by about 0.2 V, the cleaning effect itself for removing oxides on the surface of the palladium-containing particles is 0.4 to 0.6 V (vs. RHE). This is equivalent to the effect of sweeping the potential range. The range of the potential applied in the first potential treatment step is preferably in the range of 0.4 to 0.45 V (vs. RHE).
In the first potential processing step, the potential processing may be executed with a predetermined potential fixed within the range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE), or within a predetermined potential range. May be swept once or more than once. In addition, from the viewpoint that the desorption of the adsorbed substance on the surface of the palladium-containing particles can be repeated and the oxide existing on the surface can be efficiently removed, the potential treatment in the first potential treatment step is 0.4 to 0.6 V ( (vs.RHE) is preferably a potential treatment that sweeps between any two potentials.
In the case where the potential is swept between any two potentials, the number of sweeps can be appropriately adjusted according to the reaction scale. The number of sweeps is, for example, about 1 to 1,000 cycles for 1 to 100 g of palladium-containing particles.
第1の電位処理工程に要する時間は、パラジウム含有粒子の表面の酸化物が十分除去できる時間であれば特に限定されず、合成スケールにより適宜調節できる。第1の電位処理工程終了の目安としては、例えば、0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内の任意の2つの電位間を掃引する電位処理を行った場合には、後述する図1に示すような電位処理の波形の軌道が、前回掃引時の波形の軌道とほぼ重なり、複数回掃引しても電位処理の波形がほぼ同一の軌跡を描くようになった場合が挙げられる。このような場合には、当該電位処理に対する電流の変動が一定となり、パラジウム含有粒子の表面の酸化物がほぼ消失したとみなすことができる。
第1の電位処理工程に要する時間は、例えば、1〜100gのパラジウム含有粒子について、1〜24時間程度である。
The time required for the first potential treatment step is not particularly limited as long as the oxide on the surface of the palladium-containing particles can be sufficiently removed, and can be appropriately adjusted depending on the synthesis scale. As an indication of the end of the first potential processing step, for example, when potential processing that sweeps between any two potentials within the range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE) is performed, it will be described later. The potential trajectory of the potential processing as shown in FIG. 1 substantially overlaps the trajectory of the waveform at the previous sweep, and the potential processing waveform draws substantially the same trajectory even after multiple sweeps. . In such a case, the fluctuation of the current with respect to the potential treatment becomes constant, and it can be considered that the oxide on the surface of the palladium-containing particles has almost disappeared.
The time required for the first potential treatment step is, for example, about 1 to 24 hours for 1 to 100 g of palladium-containing particles.
第1の電位処理工程の具体例は以下の通りである。まず、カーボン担持パラジウム微粒子粉末を酸溶液中に加え、適宜酸溶液中に分散させた後、0.4〜0.45V(vs.RHE)の範囲内で電位を往復して掃引する。このとき、酸溶液は、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスにより予めバブリングし、酸溶液中の酸素等を可能な限り除去することが好ましい。なお、図1は、パラジウム微粒子を含む酸溶液に対して0.4〜0.45V(vs.RHE)の範囲内で電位を往復して掃引したときの、1サイクル目の電位処理の波形を示すグラフである。 A specific example of the first potential treatment process is as follows. First, carbon-supported palladium fine particle powder is added to an acid solution and dispersed in the acid solution as appropriate, and then the potential is swept back and forth within a range of 0.4 to 0.45 V (vs. RHE). At this time, the acid solution is preferably bubbled beforehand with an inert gas such as nitrogen gas or argon gas to remove oxygen or the like in the acid solution as much as possible. Note that FIG. 1 shows the waveform of the potential treatment in the first cycle when the potential is reciprocated and swept within a range of 0.4 to 0.45 V (vs. RHE) with respect to the acid solution containing palladium fine particles. It is a graph to show.
このように、白金被覆前のパラジウム含有粒子に対し予め電位処理を行うことにより、パラジウム含有粒子の表面に吸着しているパラジウム酸化物等の酸化物を除去でき、パラジウム含有粒子表面をクリーニングできる。また、付与する電位を0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内、好適には0.4〜0.45V(vs.RHE)の範囲内とすることにより、パラジウム含有粒子からのパラジウム等金属の溶出や、パラジウムによる水素吸蔵のおそれもないため、パラジウム含有粒子表面に酸化物が新たに現れるおそれもない。 As described above, by performing the potential treatment on the palladium-containing particles before the platinum coating, oxides such as palladium oxide adsorbed on the surface of the palladium-containing particles can be removed, and the surface of the palladium-containing particles can be cleaned. Further, the potential to be applied is within the range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE), preferably within the range of 0.4 to 0.45 V (vs. RHE). Since there is no fear of elution of metals such as palladium and hydrogen occlusion by palladium, there is no possibility that an oxide will newly appear on the surface of the palladium-containing particles.
このような第1の電位処理工程は、コアに対するシェルの被覆が不完全なコアシェル構造を有する触媒微粒子の修復及び検品にも応用できる。
従来、被覆率の低いコアシェル構造を有する触媒微粒子に対しては、Cu−UPD法によるコアシェル構造の修復が行われ、被覆率の向上が図られてきた。しかし、コアシェル構造に対してCu−UPD法を施した場合、被覆されずにむき出しとなったコア材料表面のみならず、シェル部の上にも銅が析出してしまう。むき出しのコア材料表面に対する選択的な被覆が不可能であることにより、必要量を超える金属がコアシェル構造の修復に費やされる結果、触媒性能に劣る触媒微粒子が製造され、且つ、コストがかさむこととなる。
第1の電位処理工程を経ることにより、被覆率100%未満のコアシェル構造を有する触媒微粒子において、触媒微粒子表面にむき出しとなった中心粒子表面の酸化物を除去でき、且つ、続く第2の電位処理工程における最外層の被覆の効率を高めることができる。
Such a first potential treatment step can also be applied to repair and inspection of catalyst fine particles having a core-shell structure in which the shell is not completely covered with the core.
Conventionally, for catalyst fine particles having a core-shell structure with a low coverage, the core-shell structure is repaired by the Cu-UPD method, and the coverage has been improved. However, when the Cu-UPD method is applied to the core-shell structure, copper is deposited not only on the surface of the core material that is exposed without being covered but also on the shell portion. The inability to selectively coat the exposed core material surface results in the consumption of more metal than necessary to repair the core-shell structure, resulting in the production of catalyst particles with poor catalytic performance and increased cost. Become.
By passing through the first potential treatment step, in the catalyst fine particles having a core-shell structure with a coverage of less than 100%, the oxide on the surface of the central particles exposed on the surface of the catalyst fine particles can be removed, and the subsequent second potential is obtained. The efficiency of coating the outermost layer in the treatment process can be increased.
第1の電位処理工程を、被覆率100%未満のコアシェル構造を有する触媒微粒子に応用する具体例は以下の通りである。まず、当該触媒微粒子を酸溶液中に加え、適宜酸溶液中に分散させた後、0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内で電位を往復して掃引する。このときの酸溶液の条件は、第1の電位処理工程の上記具体例と同様である。 A specific example in which the first potential treatment process is applied to catalyst fine particles having a core-shell structure with a coverage of less than 100% is as follows. First, the catalyst fine particles are added to an acid solution and dispersed appropriately in the acid solution, and then the potential is reciprocated and swept within a range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE). The conditions of the acid solution at this time are the same as those in the specific example of the first potential treatment step.
1−2.第2の電位処理工程
本発明における第2の電位処理工程は、上述した第1の電位処理工程後のパラジウム含有粒子が分散した酸溶液に対し、少なくとも白金イオンを添加し、且つ、0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内の電位を付与することにより、パラジウム含有粒子に、白金を含む最外層を被覆する工程である。
1-2. Second potential treatment step In the second potential treatment step of the present invention, at least platinum ions are added to the acid solution in which the palladium-containing particles after the first potential treatment step are dispersed, and 0.80 is added. This is a step of coating palladium-containing particles with an outermost layer containing platinum by applying a potential within a range of ˜1.0 V (vs. RHE).
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、燃料電池用触媒としての活性、特に酸素還元反応(ORR)活性のことを指す。
最外層は、白金のみを含んでいてもよいし、白金以外にイリジウム、ルテニウム、ロジウム、又は金を含んでいてもよい。最外層に白金合金を用いる場合には、当該白金合金には白金の他に金属が1種類のみ含まれていてもよいし、2種類以上含まれていてもよい。
The material constituting the outermost layer formed in this step preferably has high catalytic activity. As used herein, the term “catalytic activity” refers to activity as a fuel cell catalyst, particularly oxygen reduction reaction (ORR) activity.
The outermost layer may contain only platinum, or may contain iridium, ruthenium, rhodium, or gold in addition to platinum. When a platinum alloy is used for the outermost layer, the platinum alloy may contain only one type of metal in addition to platinum, or two or more types.
第2の電位処理工程においては、第1の電位処理工程後のパラジウム含有粒子が分散した酸溶液に対し、少なくとも白金イオンを添加すればよいが、白金イオンの他にも、イリジウムイオン、ルテニウムイオン、ロジウムイオン、又は金イオンを適宜添加してもよい。これら金属イオンは、目的とする最外層の組成に合わせて、適宜添加割合を調節できる。
白金イオン等の金属イオンの添加には、白金化合物等の金属化合物そのものを添加してもよいし、白金イオン溶液等の金属イオン溶液を添加してもよい。なお、白金イオン溶液等の金属イオン溶液を添加する場合には、当該金属イオン溶液を、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスにより予めバブリングし、当該金属イオン溶液中の酸素等を可能な限り除去することが好ましい。
白金イオン等の金属イオンの添加量は、パラジウム含有粒子の平均粒径から予め算出した、形成予定の最外層の面積(又は体積)から決定することが好ましい。パラジウム含有粒子の平均粒径は、上述した方法により算出できる。
In the second potential treatment step, at least platinum ions may be added to the acid solution in which the palladium-containing particles after the first potential treatment step are dispersed. In addition to the platinum ions, iridium ions, ruthenium ions may be added. , Rhodium ions, or gold ions may be added as appropriate. The addition ratio of these metal ions can be adjusted as appropriate in accordance with the composition of the target outermost layer.
For the addition of metal ions such as platinum ions, a metal compound itself such as a platinum compound may be added, or a metal ion solution such as a platinum ion solution may be added. In addition, when adding a metal ion solution such as a platinum ion solution, the metal ion solution is previously bubbled with an inert gas such as nitrogen gas or argon gas, and oxygen or the like in the metal ion solution is as much as possible. It is preferable to remove.
The addition amount of metal ions such as platinum ions is preferably determined from the area (or volume) of the outermost layer to be formed, which is calculated in advance from the average particle diameter of the palladium-containing particles. The average particle diameter of the palladium-containing particles can be calculated by the method described above.
0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内の電位とは、パラジウム含有粒子の全表面を、白金を含む最外層が完全に被覆することができる電位である。当該電位が0.80V(vs.RHE)未満である場合には、パラジウム含有粒子の表面において、未だ最外層により被覆されていない部分があるため、得られる触媒微粒子はその被覆率が100%未満となる。また、当該電位が1.0V(vs.RHE)を超える場合には、触媒微粒子の触媒性能が損なわれるおそれがある。 The potential within the range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE) is a potential at which the outermost layer containing platinum can completely cover the entire surface of the palladium-containing particles. When the potential is less than 0.80 V (vs. RHE), the surface of the palladium-containing particles has a portion that is not yet covered with the outermost layer, so that the obtained catalyst fine particles have a coverage of less than 100%. It becomes. Further, when the potential exceeds 1.0 V (vs. RHE), the catalyst performance of the catalyst fine particles may be impaired.
第2の電位処理工程においては、最外層の被覆を効率よく行う観点から、0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内の所定の電位に固定して電位処理を実行することが好ましい。 In the second potential processing step, from the viewpoint of efficiently covering the outermost layer, the potential processing may be performed with a predetermined potential within a range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE). preferable.
第2の電位処理工程における電位処理は、0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内における、予め測定した開回路電位の終点電位を付与する電位処理であることがより好ましい。
開回路電位の終点電位は、使用予定のパラジウム含有粒子と白金イオン等の金属イオンとの組み合わせを予め小さい反応スケールで混合し、その開回路電位(OCV)を測定することにより決定できる。図7は、パラジウム微粒子の表面に白金最外層を被覆する場合の、開回路電位(OCV)の変化を示すグラフである。図7において、反応初期のOCVは約0.3V(vs.RHE)であるが、その後上昇し、約3,000秒後には0.83V(vs.RHE)まで上昇して、当該電位にて収束する。本発明においては、このように開回路の初期から十分な時間が経過した後に収束した電位を、開回路電位の終点電位とする。当該終点電位は、パラジウム微粒子を白金で被覆する工程が完了する電位である。なお、図7のような開回路電位の変化は、Cu−UPD後のパラジウム粒子をそのまま白金イオン溶液につけて、特に電位の調節をしない従来の方法において観察されるものである。
第2の電位処理工程のより好ましい態様においては、反応初期から終点電位を付与することにより、パラジウム含有粒子に対する最外層の被覆を促進させることができる。
The potential treatment in the second potential treatment step is more preferably a potential treatment for applying an end potential of an open circuit potential measured in advance within a range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE).
The end point potential of the open circuit potential can be determined by previously mixing a combination of palladium-containing particles to be used and metal ions such as platinum ions on a small reaction scale and measuring the open circuit potential (OCV). FIG. 7 is a graph showing changes in the open circuit potential (OCV) when the surface of the palladium fine particle is covered with the outermost platinum layer. In FIG. 7, the OCV at the beginning of the reaction is about 0.3 V (vs. RHE), but then rises, and after about 3,000 seconds it rises to 0.83 V (vs. RHE). Converge. In the present invention, the potential converged after a sufficient time has elapsed from the initial stage of the open circuit is set as the end point potential of the open circuit potential. The end point potential is a potential at which the process of coating the palladium fine particles with platinum is completed. The change in the open circuit potential as shown in FIG. 7 is observed in a conventional method in which the palladium particles after Cu-UPD are directly attached to the platinum ion solution and the potential is not particularly adjusted.
In a more preferred embodiment of the second potential treatment step, the coating of the outermost layer on the palladium-containing particles can be promoted by applying the end point potential from the initial stage of the reaction.
第2の電位処理工程に要する時間は、パラジウム含有粒子の表面に最外層が少なくとも1層分完全に被覆される時間であれば特に限定されず、反応スケールにより適宜調節できる。第2の電位処理工程終了の目安としては、例えば、電位の付与を中断して反応溶液の開回路電位を測定し、当該開回路電位が0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内となったとき、好ましくは上記終点電位となったときが挙げられる。
第2の電位処理工程に要する時間は、例えば、1〜100gのパラジウム含有粒子について、1〜24時間程度である。
The time required for the second potential treatment step is not particularly limited as long as the outermost layer is completely covered on the surface of the palladium-containing particles for at least one layer, and can be appropriately adjusted depending on the reaction scale. As an indication of the end of the second potential treatment step, for example, the application of the potential is interrupted and the open circuit potential of the reaction solution is measured, and the open circuit potential is in the range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE). When it is within, preferably when the end point potential is reached.
The time required for the second potential treatment step is, for example, about 1 to 24 hours for 1 to 100 g of palladium-containing particles.
第2の電位処理工程の具体例は以下の通りである。まず、第1の電位処理工程後のカーボン担持パラジウム微粒子粉末を含む酸溶液中に白金イオン溶液を加える。次に、速やかに電気化学セルに対して0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内の電位、好ましくは開回路電位の終点電位を付与することにより、パラジウム含有粒子の表面に白金単原子層を被覆する。 A specific example of the second potential treatment step is as follows. First, a platinum ion solution is added to an acid solution containing carbon-supported palladium fine particle powder after the first potential treatment step. Next, a potential within the range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE), preferably an end-point potential of an open circuit potential, is quickly applied to the electrochemical cell, thereby forming platinum on the surface of the palladium-containing particles. Cover the monoatomic layer.
このように、パラジウム含有粒子に対し、少なくとも白金イオンを添加し且つ0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内に電位を付与することにより、パラジウム含有粒子に対する最外層の被覆を促進させることができる。
また、本発明においては、従来のCu−UPD法を用いた合成法と異なり、銅を使用しないため、合成後に排出される大量の銅含有排液処理の問題が生じない。さらに、本発明により製造される触媒微粒子を膜・電極接合体に使用するに当たって、従来は問題であった、触媒微粒子中に残留した銅が膜・電極接合体に及ぼす悪影響の心配もない。
このように、本発明の製造方法は、従来の合成方法に比べ、より低いコストで、より簡易に、より高い被覆率を有する触媒微粒子を提供することが可能となる。
In this way, the coating of the outermost layer on the palladium-containing particles is promoted by adding at least platinum ions to the palladium-containing particles and applying a potential within the range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE). Can be made.
Further, in the present invention, unlike the synthesis method using the conventional Cu-UPD method, since copper is not used, there is no problem of a large amount of copper-containing drainage treatment discharged after synthesis. Furthermore, when using the catalyst fine particles produced according to the present invention for a membrane / electrode assembly, there is no concern about the adverse effect of copper remaining in the catalyst fine particles on the membrane / electrode assembly, which has been a problem in the past.
As described above, the production method of the present invention can provide catalyst fine particles having a higher coverage at a lower cost and more easily than the conventional synthesis method.
このような第2の電位処理工程は、コアに対するシェルの被覆が不完全なコアシェル構造を有する触媒微粒子の修復や検品にも応用できる。不完全なコアシェル構造を有する触媒微粒子の修復について第2の電位処理工程を実施した場合には、イオン化傾向の違いにより、露出したパラジウム含有粒子表面のパラジウム等の金属と、白金イオン等の金属イオンとが置換される。白金等により既に被覆されている部分においては、置換反応は進行しないため、被覆されていないパラジウム含有粒子表面のみを選択的に被覆でき、且つ、白金イオン等の金属イオンの消費量を必要最小限に留めることができる。 Such a second potential treatment step can also be applied to restoration and inspection of catalyst fine particles having a core-shell structure in which the shell is not completely covered with the core. When the second potential treatment step is carried out for the repair of the catalyst fine particles having an incomplete core-shell structure, the exposed palladium-containing particles such as palladium and metal ions such as platinum ions are exposed due to the difference in ionization tendency. And are replaced. In the portion already covered with platinum or the like, the substitution reaction does not proceed, so that only the surface of the palladium-containing particles that are not coated can be selectively coated, and the consumption of metal ions such as platinum ions is minimized. Can be stopped.
第2の電位処理工程を経ることにより、被覆率100%未満のコアシェル構造を有する触媒微粒子において、無駄な白金を析出させることなく、欠陥のある最外層の部分についてのみ白金を析出させることができ、最外層を修復することができる。このようなプロセスは、合成後の触媒微粒子について、より高品質かつ高性能であり、欠陥のないものを製造できるという観点から、検品にも応用できる。上述したように、従来のCu−UPD法を用いた方法では、プロセスを重ねるごとに最外層の厚さが増すことから、このような方法により触媒微粒子の品質を高めることは難しかった。 By passing through the second potential treatment step, it is possible to deposit platinum only on the defective outermost layer portion without depositing useless platinum in catalyst fine particles having a core-shell structure with a coverage of less than 100%. The outermost layer can be repaired. Such a process can also be applied to inspection from the viewpoint that the synthesized catalyst fine particles can be produced with higher quality and higher performance and are free from defects. As described above, in the method using the conventional Cu-UPD method, the thickness of the outermost layer is increased every time the process is repeated. Therefore, it is difficult to improve the quality of the catalyst fine particles by such a method.
第2の電位処理工程を、被覆率100%未満のコアシェル構造を有する触媒微粒子に応用する具体例は、第2の電位処理工程の上記具体例とほぼ同様である。なお、上記具体例とは異なり、修復又は検品の場合には、白金イオン等の金属イオンの添加量は任意でよい。これは、仮に金属イオンの添加量が不足した場合には、反応溶液中に金属イオンを適宜追加すればよいし、仮に金属イオンの添加量が過剰であった場合には、酸溶液中に金属イオンが残存するのみで、パラジウム含有粒子表面に所定量以上の白金等が析出することはないため、酸溶液を回収した後、金属イオンを再利用できるからである。 A specific example in which the second potential treatment step is applied to catalyst fine particles having a core-shell structure with a coverage of less than 100% is substantially the same as the above specific example of the second potential treatment step. Unlike the above specific example, in the case of repair or inspection, the amount of metal ions such as platinum ions added may be arbitrary. If the addition amount of metal ions is insufficient, metal ions may be appropriately added to the reaction solution. If the addition amount of metal ions is excessive, the metal solution is added to the acid solution. This is because only ions remain, and a predetermined amount or more of platinum or the like does not precipitate on the surface of the palladium-containing particles, so that the metal ions can be reused after the acid solution is recovered.
本発明においては、上述した第1及び第2の電位処理工程を、交互に2回以上繰り返してもよい。これらの電位処理工程を繰り返すことにより、パラジウム含有粒子に対する最外層の被覆率を100%に近づけることができ、好ましくは100%とすることができる。 In the present invention, the first and second potential treatment steps described above may be repeated twice or more alternately. By repeating these potential treatment steps, the coverage of the outermost layer on the palladium-containing particles can be brought close to 100%, preferably 100%.
パラジウム含有粒子の溶出をより抑制できるという観点から、パラジウム含有粒子に対する最外層の被覆率が、80〜100%であることが好ましい。パラジウム含有粒子に対する最外層の被覆率が80%未満である場合、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 viewpoint that elution of the palladium-containing particles can be further suppressed, the coverage of the outermost layer with respect to the palladium-containing particles is preferably 80 to 100%. When the coverage of the outermost layer with respect to the palladium-containing particles is less than 80%, 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「パラジウム含有粒子に対する最外層の被覆率」とは、パラジウム含有粒子の全表面積を100%としたときの、最外層により被覆されているパラジウム含有粒子の面積の割合を百分率で表した値(%)を指す。当該被覆率を算出する方法の一例を以下説明する。まず、誘導結合プラズマ質量分析法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry:ICP−MS)等により、触媒微粒子中の白金含有量(A)を測定する。一方で、透過型電子顕微鏡(TEM)等により、触媒微粒子の平均粒径を測定する。測定した平均粒径から、その粒径の粒子が表面に有する原子の数を推定し、粒子表面の1原子層が白金に置き換わった場合の白金含有量(B)を推定する。白金含有量(A)を白金含有量(B)で除した値が、「パラジウム含有粒子に対する最外層の被覆率」となる。 As used herein, “the coverage of the outermost layer relative to the palladium-containing particles” refers to the percentage of the area of the palladium-containing particles covered by the outermost layer when the total surface area of the palladium-containing particles is 100%. Refers to the value (%) expressed. An example of a method for calculating the coverage will be described below. First, the platinum content (A) in the catalyst fine particles is measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) or the like. On the other hand, the average particle diameter of the catalyst fine particles is measured with a transmission electron microscope (TEM) or the like. From the measured average particle diameter, the number of atoms that the particle having the particle diameter has on the surface is estimated, and the platinum content (B) when one atomic layer on the particle surface is replaced with platinum is estimated. A value obtained by dividing the platinum content (A) by the platinum content (B) is “the coverage of the outermost layer with respect to the palladium-containing particles”.
本工程において形成される最外層は、単原子層であることが好ましい。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、触媒微粒子の平均粒径は、その下限が好適には4nm以上、より好適には5nm以上であり、その上限が好適には40nm以下、より好適には10nm以下である。
The outermost layer formed in this step is preferably a monoatomic layer. Such catalyst fine particles have the advantage that the catalyst performance in the outermost layer is extremely high compared to the catalyst fine particles having the outermost layer of two atomic layers or more, and the advantage that the material cost is low because the coating amount of the outermost layer is small. There is.
The lower limit of the average particle diameter of the catalyst fine particles is preferably 4 nm or more, more preferably 5 nm or more, and the upper limit thereof is preferably 40 nm or less, more preferably 10 nm or less.
第2の電位処理工程後には、触媒微粒子のろ過、洗浄、及び乾燥等が行われてもよい。
触媒微粒子のろ過及び洗浄は、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。当該ろ過及び洗浄の例としては、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1〜12時間乾燥させるという方法が挙げられる。
After the second potential treatment step, catalyst fine particles may be filtered, washed, dried, and the like.
Filtration and washing of the catalyst fine particles are not particularly limited as long as they can remove impurities without impairing the coating structure of the produced catalyst fine particles. Examples of the filtration and washing include a method of 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. Examples of the drying include 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 12 hours.
2.燃料電池
本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の一面側に少なくともアノード触媒層を備えるアノード電極を備え、他面側に少なくともカソード触媒層を備えるカソード電極を備える膜・電極接合体を備える単セルを備える燃料電池であって、上記製造方法により製造される触媒微粒子を、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくともいずれか一方に含むことを特徴とする。
2. Fuel cell The fuel cell of the present invention comprises a membrane / electrode assembly comprising an anode electrode having at least an anode catalyst layer on one side of a polymer electrolyte membrane and a cathode electrode having at least a cathode catalyst layer on the other side. A fuel cell comprising a cell, wherein the catalyst fine particles produced by the production method are contained in at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer.
図2は、本発明に係る燃料電池の単セルの一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。膜・電極接合体8は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ということがある)1、並びに、当該電解質膜1を挟む一対のカソード電極6及びアノード電極7を備える。単セル100は、膜・電極接合体8、並びに、当該膜・電極接合体8を電極の外側から挟む一対のセパレータ9及び10を備える。セパレータと電極との境界にはガス流路11及び12が確保されている。通常は電極として、電解質膜側から順に触媒層及びガス拡散層の積層体が用いられる。すなわち、カソード電極6はカソード触媒層2及びガス拡散層4の積層体を備え、アノード電極7はアノード触媒層3及びガス拡散層5の積層体を備える。本発明に係る燃料電池用触媒は、アノード触媒層及びカソード触媒層の少なくともいずれか一方に用いられる。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a single cell of the fuel cell according to the present invention, and is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction. The membrane / electrode assembly 8 includes a polymer electrolyte membrane (hereinafter sometimes simply referred to as an electrolyte membrane) 1 having hydrogen ion conductivity, and a pair of cathode electrode 6 and anode electrode 7 sandwiching the
高分子電解質膜とは、燃料電池において用いられる高分子電解質膜であり、ナフィオン(商品名)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基(プロトン伝導性基)を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。 The polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane used in a fuel cell, and is a fluorine polymer electrolyte membrane containing a fluorine polymer electrolyte such as perfluorocarbon sulfonic acid resin represented by Nafion (trade name). In addition, sulfonic acid groups are used in hydrocarbon polymers such as engineering plastics such as polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, and polyparaphenylene, and general-purpose plastics such as polyethylene, polypropylene, and polystyrene. And a hydrocarbon polymer electrolyte membrane including a hydrocarbon polymer electrolyte into which a protonic acid group (proton conductive group) such as a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, or a boronic acid group is introduced.
電極は、触媒層及びガス拡散層を備える。
アノード触媒層及びカソード触媒層はいずれも、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜同様の材料を用いることができる。触媒としては、本発明に係る燃料電池用触媒が用いられる。
本発明に係る燃料電池用触媒は、アノード触媒層のみに用いられてもよく、カソード触媒層のみに用いられてもよく、アノード触媒層及びカソード触媒層の両方に用いられてもよい。本発明に係る燃料電池用触媒をアノード触媒層のみに用いる場合には、カソード触媒層には他の触媒が用いられる。また、本発明に係る燃料電池用触媒をカソード触媒層のみに用いる場合には、アノード触媒層には他の触媒が用いられる。
他の触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、アノード電極に供給される燃料の酸化反応又はカソード電極に供給される酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与する役割も担っている。
The electrode includes a catalyst layer and a gas diffusion layer.
Both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer can be formed using a catalyst ink containing a catalyst, a conductive material, and a polymer electrolyte. As the polymer electrolyte, the same material as the polymer electrolyte membrane described above can be used. As the catalyst, the fuel cell catalyst according to the present invention is used.
The fuel cell catalyst according to the present invention may be used only for the anode catalyst layer, may be used only for the cathode catalyst layer, or may be used for both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. When the fuel cell catalyst according to the present invention is used only for the anode catalyst layer, another catalyst is used for the cathode catalyst layer. Further, when the fuel cell catalyst according to the present invention is used only for the cathode catalyst layer, another catalyst is used for the anode catalyst layer.
As the other catalyst, usually, a catalyst component supported on conductive particles is used. The catalyst component is not particularly limited as long as it has catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel supplied to the anode electrode or the reduction reaction of the oxidant supplied to the cathode electrode. What is generally used for the fuel cell can be used. For example, platinum or an alloy of platinum and a metal such as ruthenium, iron, nickel, manganese, cobalt, and copper can be used. As the conductive particles as the catalyst carrier, carbon particles such as carbon black, conductive carbon materials such as carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers can also be used. The conductive material also plays a role of imparting conductivity to the catalyst layer.
触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、高分子電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、高分子電解質膜表面に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、高分子電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着等により接合した後、転写シートの基材フィルムを剥離する方法で、高分子電解質膜表面上に触媒層を形成するか、ガス拡散シート表面に触媒層を形成してもよい。 The method for forming the catalyst layer is not particularly limited. For example, the catalyst layer may be formed on the surface of the gas diffusion sheet by applying catalyst ink to the surface of the gas diffusion sheet and drying, or the polymer electrolyte membrane. A catalyst layer may be formed on the surface of the polymer electrolyte membrane by applying a catalyst ink on the surface and drying. Alternatively, a transfer sheet is prepared by applying a catalyst ink to the surface of the transfer substrate and drying, and the transfer sheet is bonded to the polymer electrolyte membrane or the gas diffusion sheet by thermocompression bonding or the like. A catalyst layer may be formed on the surface of the polymer electrolyte membrane or a catalyst layer may be formed on the surface of the gas diffusion sheet by a method of peeling the material film.
触媒インクは上記のような触媒及び電極用電解質等を、溶媒に分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、触媒及び電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。 The catalyst ink is obtained by dispersing the above catalyst, electrode electrolyte, and the like in a solvent. The solvent of the catalyst ink may be appropriately selected. For example, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and dimethyl sulfoxide (DMSO), or organic solvents such as these Mixtures and mixtures of these organic solvents and water can be used. In addition to the catalyst and the electrolyte, the catalyst ink may contain other components such as a binder and a water repellent resin as necessary.
触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥等が挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、1〜50μm程度とすればよい。 The method for applying the catalyst ink, the drying method, and the like can be selected as appropriate. For example, examples of the coating method include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, a die coating method, and the like. Examples of the drying method include reduced pressure drying, heat drying, and reduced pressure heat drying. There is no restriction | limiting in the specific conditions in reduced pressure drying and heat drying, What is necessary is just to set suitably. The thickness of the catalyst layer is not particularly limited, but may be about 1 to 50 μm.
ガス拡散層を形成するガス拡散シートとしては、触媒層に効率良く燃料を供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム及びその合金、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、亜鉛合金、鉛合金、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるものが挙げられる。導電性多孔質体の厚さは、50〜500μm程度であることが好ましい。 As the gas diffusion sheet for forming the gas diffusion layer, a gas diffusion property capable of efficiently supplying fuel to the catalyst layer, conductivity, and a strength required as a material constituting the gas diffusion layer, for example, Carbonaceous porous bodies such as carbon paper, carbon cloth, carbon felt, titanium, aluminum and alloys thereof, nickel, nickel-chromium alloy, copper and alloys thereof, silver, zinc alloy, lead alloy, niobium, tantalum, iron, Examples thereof include a metal mesh composed of a metal such as stainless steel, gold or platinum, or a conductive porous material such as a metal porous material. The thickness of the conductive porous body is preferably about 50 to 500 μm.
ガス拡散シートは、上記導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び高分子電解質膜内の液水量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善できるという利点がある。
上記方法によって触媒層を形成した高分子電解質膜及びガス拡散シートは、適宜、重ね合わせて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。
The gas diffusion sheet may be composed of a single layer of the conductive porous material, but a water repellent layer may be provided on the side facing the catalyst layer. The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. The water-repellent layer is not always necessary, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of liquid water in the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane. There is an advantage that the electrical contact between the layers can be improved.
The polymer electrolyte membrane and the gas diffusion sheet on which the catalyst layer is formed by the above-described method are appropriately overlapped and subjected to thermocompression bonding or the like, and bonded together to obtain a membrane / electrode assembly.
作製された膜・電極接合体は、好ましくは、反応ガス流路を有するセパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。このようなセパレータを、適切に圧縮成形又は切削加工等することによって、上述した反応ガス流路を形成することができる。 The produced membrane / electrode assembly is preferably held by a separator having a reaction gas flow path to form a single cell. The separator has conductivity and gas sealing properties, and can function as a current collector and gas sealing body, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with resin, metal A metal separator using a material can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. . The reaction gas flow path described above can be formed by appropriately compression molding or cutting such a separator.
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。 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.
1.触媒微粒子の製造
[実施例1]
1−1.第1の電位処理工程
まず、カーボン担持パラジウム微粒子粉末(キャタラー社製、20%Pd/C)を準備した。
次に、カーボン担持パラジウム微粒子粉末を酸溶液中に浸漬させ、0.40〜0.45V(vs.RHE)の範囲内で電位を往復して掃引した。具体的には、まず、酸溶液として硫酸(0.05mol/L H2SO4)を準備し、電気化学セル中に硫酸を加えた後、当該硫酸に対して60分間窒素バブリングを行った。次に、カーボン担持パラジウム微粒子粉末3gを硫酸中に投入し、懸濁液を調製した。続いて、当該電気化学セルについて、0.40〜0.45Vの範囲内で電位を360サイクル往復させて掃引し、カーボン担持パラジウム微粒子粉末を1時間電位処理した。
図1は、0.40〜0.45V(vs.RHE)の範囲内で電位を往復して掃引したときの、1サイクル目の電位処理の波形を示すグラフである。
1. Production of catalyst fine particles [Example 1]
1-1. First potential treatment step First, carbon-supported palladium fine particle powder (Cataler, 20% Pd / C) was prepared.
Next, the carbon-supported palladium fine particle powder was immersed in an acid solution, and the potential was reciprocated and swept within the range of 0.40 to 0.45 V (vs. RHE). Specifically, first, sulfuric acid (0.05 mol / L H 2 SO 4 ) was prepared as an acid solution, and after adding sulfuric acid to the electrochemical cell, nitrogen bubbling was performed on the sulfuric acid for 60 minutes. Next, 3 g of carbon-supported palladium fine particle powder was put into sulfuric acid to prepare a suspension. Subsequently, the electrochemical cell was swept by reciprocating the potential within a range of 0.40 to 0.45 V for 360 cycles, and the carbon-supported palladium fine particle powder was subjected to a potential treatment for 1 hour.
FIG. 1 is a graph showing a waveform of potential processing in the first cycle when the potential is swept back and forth within a range of 0.40 to 0.45 V (vs. RHE).
1−2.第2の電位処理工程
まず、白金イオン溶液(K2PtCl4水溶液)を準備した。なお、白金イオン溶液の濃度は、カーボン担持パラジウム微粒子粉末の平均粒径から、白金最外層を形成するために必要な白金量に基づき予め算出した。なお、白金イオン溶液については、予め窒素バブリングを行った。
次に第1の電位処理工程後の電気化学セルに、白金イオン溶液をさらに加え、速やかに電気化学セルに対して0.83V(vs.RHE)の電位を付与し、パラジウム微粒子の表面に白金単原子層を被覆した。当該電位の付与は1.5時間行った。なお、0.83V(vs.RHE)の電位は、カーボン担持パラジウム微粒子粉末及びK2PtCl4水溶液の組み合わせにおいて、予め測定した開回路電位の終点電位に相当する。
1-2. Second Potential Treatment Step First, a platinum ion solution (K 2 PtCl 4 aqueous solution) was prepared. The concentration of the platinum ion solution was calculated in advance from the average particle diameter of the carbon-supported palladium fine particle powder based on the amount of platinum necessary to form the platinum outermost layer. In addition, about the platinum ion solution, nitrogen bubbling was performed beforehand.
Next, a platinum ion solution is further added to the electrochemical cell after the first potential treatment step, and a potential of 0.83 V (vs. RHE) is quickly applied to the electrochemical cell, and platinum is applied to the surface of the palladium fine particles. A monoatomic layer was coated. The application of the potential was performed for 1.5 hours. Note that the potential of 0.83 V (vs. RHE) corresponds to the end potential of the open circuit potential measured in advance in the combination of the palladium fine carbon powder on carbon and the aqueous solution of K 2 PtCl 4 .
1−3.触媒微粒子の洗浄、乾燥、及び粉砕
電気化学セル中の反応溶液をろ過することにより、カーボンに担持され且つ白金単原子層が表面に被覆されたパラジウム粒子を含む触媒微粒子が得られた。その後、常温(15〜30℃)の純水を約4L、触媒微粒子に対し10回に分けて加え、その都度ろ過し、洗浄した。
洗浄後の触媒微粒子を、60℃の温度条件下、12時間乾燥させた。乾燥後の触媒微粒子を、メノウ乳鉢と乳棒を用いて適宜粉砕し、実施例1の触媒微粒子を製造した。
1-3. Cleaning, drying, and pulverization of catalyst fine particles By filtering the reaction solution in the electrochemical cell, catalyst fine particles containing palladium particles supported on carbon and covered with a platinum monoatomic layer were obtained. Thereafter, about 4 L of pure water at room temperature (15 to 30 ° C.) was added in 10 portions to the catalyst fine particles, and filtered and washed each time.
The washed catalyst fine particles were dried at 60 ° C. for 12 hours. The catalyst fine particles after drying were appropriately pulverized using an agate mortar and pestle to produce catalyst fine particles of Example 1.
[比較例1]
実施例1の第1の電位処理工程において、往復して掃引する電位の範囲を、0.40〜0.45V(vs.RHE)の範囲から0.10〜0.15V(vs.RHE)の範囲に変えたこと以外は、実施例1と同様に、第1の電位処理工程を行った。
あとは、実施例1と同様に、第2の電位処理工程を行い、且つ、得られた触媒微粒子の洗浄、乾燥、及び粉砕を行って、比較例1の触媒微粒子を製造した。
[Comparative Example 1]
In the first potential treatment process of the first embodiment, the range of the potential to be swept back and forth is from 0.40 to 0.45 V (vs. RHE) to 0.10 to 0.15 V (vs. RHE). The first potential treatment step was performed in the same manner as in Example 1 except that the range was changed.
Thereafter, in the same manner as in Example 1, the second potential treatment step was performed, and the obtained catalyst fine particles were washed, dried, and pulverized to produce catalyst fine particles of Comparative Example 1.
[比較例2]
まず、実施例1と同様に、第1の電位処理工程を行った。
次に、実施例1と同様の白金イオン溶液を準備した。続いて、第1の電位処理工程後の電気化学セルに、白金イオン溶液を加え、パラジウム微粒子の表面に白金最外層を被覆した。なお、比較例2の白金最外層被覆においては、電気化学セルに対して電位を特に付与しなかった。また、比較例2においては開回路電位(OCV)を測定した。なお、図7は、パラジウム微粒子の表面に白金最外層を被覆する際のOCV変化を示すグラフである。
あとは、実施例1と同様に、触媒微粒子の洗浄、乾燥、及び粉砕を行い、比較例2の触媒微粒子を製造した。
[Comparative Example 2]
First, as in Example 1, the first potential treatment process was performed.
Next, the same platinum ion solution as in Example 1 was prepared. Subsequently, a platinum ion solution was added to the electrochemical cell after the first potential treatment step, and the surface of the palladium fine particles was coated with the platinum outermost layer. In addition, in the platinum outermost layer coating of Comparative Example 2, no potential was particularly applied to the electrochemical cell. In Comparative Example 2, the open circuit potential (OCV) was measured. FIG. 7 is a graph showing the OCV change when the platinum outermost layer is coated on the surface of the palladium fine particles.
Thereafter, the catalyst fine particles were washed, dried, and pulverized in the same manner as in Example 1 to produce catalyst fine particles of Comparative Example 2.
[比較例3]
まず、カーボン担持パラジウム微粒子粉末(キャタラー社製、20%Pd/C)を準備した。
次に、Cu−UPD法によりパラジウム微粒子上に銅単原子層を被覆した。具体的には、まず、カーボン担持パラジウム微粒子粉末0.5g、及びナフィオン(商品名)0.2gをアルコール水溶液に分散させ、ろ過して得た触媒インクを、グラッシーカーボン電極に塗工した。使用した電気化学装置の詳細は以下の通りである。
・銅イオン溶液:0.05mol/L CuSO4と0.05mol/L H2SO4の混合溶液(予め窒素をバブリングさせた)
・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
[Comparative Example 3]
First, a carbon-supported palladium fine particle powder (Cataler, 20% Pd / C) was prepared.
Next, a copper monoatomic layer was coated on the palladium fine particles by the Cu-UPD method. Specifically, first, 0.5 g of carbon-supported palladium fine particle powder and 0.2 g of Nafion (trade name) were dispersed in an alcohol aqueous solution, and a catalyst ink obtained by filtration was applied to a glassy carbon electrode. The details of the electrochemical device used are as follows.
Copper ion solution: mixed solution of 0.05 mol / L CuSO 4 and 0.05 mol / L H 2 SO 4 (nitrogen was previously bubbled)
・ 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
続いて、0.005M K2PtCl4溶液を調製し、予め当該溶液中に窒素をバブリングさせた。上記方法により銅単原子層をパラジウム微粒子表面に析出させた後、窒素雰囲気下のグローブボックス中において、上記グラッシーカーボンを備えた電極を速やかにK2PtCl4溶液に所定の時間浸漬させた。当該浸漬によりCu−UPDで析出した銅原子と白金イオンとが1対1で置換され、パラジウム微粒子の表面に白金単原子層が析出したカーボン担持触媒微粒子が製造された。
なお、上記方法により製造した触媒微粒子が、パラジウム微粒子の表面に対する白金単原子層の被覆率が100%未満であることを、TEM観察により確認した。
あとは、実施例1と同様に、触媒微粒子の洗浄、乾燥、及び粉砕を行い、比較例3の触媒微粒子を製造した。すなわち、比較例3においては、実施例1のような第1の電位処理工程及び第2の電位処理工程を行わなかった。
Subsequently, a 0.005M K 2 PtCl 4 solution was prepared, and nitrogen was bubbled into the solution in advance. After the copper monoatomic layer was deposited on the surface of the palladium fine particles by the above method, the electrode provided with the glassy carbon was quickly immersed in the K 2 PtCl 4 solution for a predetermined time in a glove box under a nitrogen atmosphere. By the immersion, copper atoms and platinum ions precipitated by Cu-UPD were substituted one-on-one, and carbon-supported catalyst fine particles in which a platinum monoatomic layer was deposited on the surface of palladium fine particles were produced.
It was confirmed by TEM observation that the catalyst fine particles produced by the above method had a platinum monoatomic layer coverage of less than 100% on the surface of the palladium fine particles.
Thereafter, in the same manner as in Example 1, the catalyst fine particles were washed, dried, and pulverized to produce catalyst fine particles of Comparative Example 3. That is, in Comparative Example 3, the first potential processing step and the second potential processing step as in Example 1 were not performed.
[参考例1]
まず、比較例3と同様に、パラジウム微粒子の表面に対する白金単原子層の被覆率が100%未満である触媒微粒子を製造した。
次に、触媒微粒子を酸溶液中に浸漬させ、0.40〜0.45Vの範囲内で電位を往復して掃引した。使用した酸溶液や電位の掃引方法等は、実施例1における第1の電位処理工程と同じ条件とした。
あとは、実施例1と同様に、第2の電位処理工程、触媒微粒子の洗浄、乾燥、及び粉砕を行い、参考例1の触媒微粒子を製造した。
[Reference Example 1]
First, as in Comparative Example 3, catalyst fine particles in which the coverage of the platinum monoatomic layer on the surface of the palladium fine particles was less than 100% were produced.
Next, the catalyst fine particles were immersed in an acid solution and swept by reciprocating the potential within a range of 0.40 to 0.45V. The acid solution used, the potential sweeping method, and the like were the same as those in the first potential treatment step in Example 1.
Thereafter, in the same manner as in Example 1, the second potential treatment step, washing of the catalyst fine particles, drying, and pulverization were performed to produce catalyst fine particles of Reference Example 1.
2.触媒微粒子の評価
2−1.第1の電位処理工程について
実施例1における第1の電位処理工程後のカーボン担持パラジウム微粒子粉末(以下、実施例1のPd/Cと称する場合がある。)、比較例1における第1の電位処理工程後のカーボン担持パラジウム微粒子粉末(以下、比較例1のPd/Cと称する場合がある。)、及び実施例1の原料であるカーボン担持パラジウム微粒子粉末(以下、参考例2のPd/Cと称する場合がある。)について、回転ディスク電極(Rotating Disk Electrode:RDE)法により、40サイクル電位を掃引した。また、1サイクルごとに、各Pd/C中のパラジウム微粒子の表面積を測定した。測定方法の詳細は以下の通りである。
電解液:0.1M過塩素酸溶液
作用極:グラッシーカーボン
対極:白金線
参照極:水素電極
測定装置:デュアル電気化学アナライザー(BAS社製、ALS700C)
バブリング:窒素バブリング
電位:0.05〜0.6V
スキャン速度:50mV/sec
2. 2. Evaluation of catalyst fine particles 2-1. About First Potential Treatment Step Carbon-supported palladium fine particle powder after the first potential treatment step in Example 1 (hereinafter sometimes referred to as Pd / C in Example 1), first potential in Comparative Example 1 Carbon-supported palladium fine particle powder (hereinafter sometimes referred to as Pd / C of Comparative Example 1) after the treatment step, and carbon-supported palladium fine particle powder (hereinafter referred to as Pd / C of Reference Example 2) as the raw material of Example 1 40 cycle potential was swept by a rotating disk electrode (Rotating Disk Electrode: RDE) method. Moreover, the surface area of the palladium fine particle in each Pd / C was measured for every cycle. Details of the measurement method are as follows.
Electrolytic solution: 0.1 M perchloric acid working electrode: glassy carbon Counter electrode: platinum wire Reference electrode: hydrogen electrode Measuring device: Dual electrochemical analyzer (manufactured by BAS, ALS700C)
Bubbling: Nitrogen bubbling Potential: 0.05-0.6V
Scan speed: 50 mV / sec
図3は、実施例1、比較例1、及び参考例2の各Pd/Cについて、各サイクルのQ値をプロットしたグラフである。図3は、縦軸にQ値(%)を、横軸にサイクル数を、それぞれとったグラフである。なお、本実施例においてQ値とはパラジウム微粒子の表面積のことを指す。図3中のQ値は、40サイクル後の参考例2のQ値を100%とした相対値として示す。図3中、四角のプロットは実施例1のデータを、三角のプロットは比較例1のデータを、菱形のプロットは参考例2のデータを、それぞれ示す。なお、Q値は、酸化被膜のような水素が吸着できないサイトを定量的に示す指標ともなり、Q値が大きいほど当該サイトが少なく、白金がより均一に被覆しやすいことを示す。 FIG. 3 is a graph in which the Q value of each cycle is plotted for each Pd / C of Example 1, Comparative Example 1, and Reference Example 2. FIG. 3 is a graph in which the vertical axis represents the Q value (%) and the horizontal axis represents the number of cycles. In this example, the Q value refers to the surface area of the palladium fine particles. The Q value in FIG. 3 is shown as a relative value with the Q value of Reference Example 2 after 40 cycles as 100%. In FIG. 3, the square plot shows the data of Example 1, the triangular plot shows the data of Comparative Example 1, and the diamond plot shows the data of Reference Example 2. The Q value is also an index that quantitatively shows sites that cannot adsorb hydrogen, such as an oxide film, and the larger the Q value, the smaller the number of sites and the easier it is to coat platinum.
図3から分かるように、参考例2のPd/Cにおいて、1サイクル目のQ値は84%である。したがって、40サイクル目に100%となるまでに、16%ものQ値の向上代がある。よって、従来のPd/Cにおいては、パラジウム粒子表面に酸化物が多く存在し、Q値が低いことが分かる。
また、図3から分かるように、比較例1のPd/Cにおいて、1サイクル目のQ値は87%である。この結果は、従来のPd/Cである参考例2とあまり変わらない。よって、第1の電位処理工程において、往復して掃引する電位の範囲を0.10〜0.15V(vs.RHE)の範囲とした場合においては、従来のPd/CよりもQ値が若干向上するものの、依然パラジウム粒子表面に酸化物が多く存在し、Q値が低いことが分かる。
一方、図3から分かるように、実施例1のPd/Cにおいて、1サイクル目のQ値は97%である。この結果は、参考例2の15サイクル目のQ値、及び比較例1の11サイクル目のQ値と同程度である。よって、第1の電位処理工程において、往復して掃引する電位の範囲を0.40〜0.45V(vs.RHE)の範囲とする本発明の製造方法においては、その初期からパラジウム粒子表面に酸化物が極めて少なく、Q値が極めて高いことが分かる。
As can be seen from FIG. 3, in Pd / C of Reference Example 2, the Q value in the first cycle is 84%. Therefore, there is an increase in Q value of 16% until it reaches 100% at the 40th cycle. Therefore, it can be seen that in conventional Pd / C, there are many oxides on the surface of the palladium particles, and the Q value is low.
Further, as can be seen from FIG. 3, in Pd / C of Comparative Example 1, the Q value in the first cycle is 87%. This result is not much different from the reference example 2 which is the conventional Pd / C. Therefore, in the first potential treatment step, when the range of potentials swept back and forth is set to a range of 0.10 to 0.15 V (vs. RHE), the Q value is slightly higher than that of the conventional Pd / C. Although improved, it can be seen that there are still many oxides on the surface of the palladium particles and the Q value is low.
On the other hand, as can be seen from FIG. 3, in Pd / C of Example 1, the Q value in the first cycle is 97%. This result is comparable to the Q value of the 15th cycle of Reference Example 2 and the Q value of the 11th cycle of Comparative Example 1. Therefore, in the first potential treatment step, in the production method of the present invention in which the range of the potential swept back and forth is in the range of 0.40 to 0.45 V (vs. RHE), the palladium particle surface is initially applied from the initial stage. It can be seen that there is very little oxide and the Q value is very high.
2−2.触媒微粒子表面の白金の割合及び白金表面積の測定
実施例1及び比較例2の触媒微粒子について、それぞれ白金の割合及び白金表面積を測定した。
白金の割合の測定方法は以下の通りである。まず、XRDにより測定したパラジウム粒径を球と仮定した。当該球の表面に白金原子が乗っていると仮定して、理論的に1層(単原子層)の白金によってパラジウム粒子を被覆するために必要な白金量を算出した。なお、当該算出には以下の物性値を用いた。
パラジウム粒子の半径:XRDにより測定したパラジウム粒径を2で除した値
白金原子の半径:135pm(文献値)
白金密度:2,145kg/m3
パラジウム密度:12,023kg/m3
以上の物性値を用いて、パラジウム粒子表面に白金層が1層被覆する場合のPt/Pd比を理論的に算出した。
カーボン上の白金量及びパラジウム量は、それぞれICP測定により実測値(質量%)を算出した。したがって、これら実測値及び理論値より、パラジウム粒子表面に白金層が何層被覆しているのかを算出した。
なお、白金の割合は、特願2012−111402号の明細書の段落[0057]に記載された方法により算出してもよい。
2-2. Measurement of platinum ratio and surface area of platinum on catalyst fine particle surface For the catalyst fine particles of Example 1 and Comparative Example 2, the ratio of platinum and the platinum surface area were measured, respectively.
The measuring method of the ratio of platinum is as follows. First, the palladium particle size measured by XRD was assumed to be a sphere. Assuming that platinum atoms are on the surface of the sphere, the amount of platinum necessary to cover the palladium particles with one layer (monoatomic layer) of platinum theoretically was calculated. In addition, the following physical property values were used for the calculation.
Radius of palladium particles: Value obtained by dividing palladium particle diameter measured by XRD by 2 Radius of platinum atoms: 135 pm (reference value)
Platinum density: 2,145 kg / m 3
Palladium density: 12,023 kg / m 3
Using the above physical property values, the Pt / Pd ratio in the case where one platinum layer was coated on the palladium particle surface was theoretically calculated.
The amount of platinum and the amount of palladium on the carbon were calculated as measured values (mass%) by ICP measurement. Therefore, the number of platinum layers coated on the surface of the palladium particles was calculated from these measured values and theoretical values.
The ratio of platinum may be calculated by the method described in paragraph [0057] of the specification of Japanese Patent Application No. 2012-111402.
一方、白金表面積は、活性化支配電流(Ik)を、電気化学表面積(ECSA)により除することにより算出した。このうち、活性化支配電流(Ik)は、特願2012−054624号の明細書の段落[0045]及び[0046]に記載された方法により算出した。また、電気化学表面積(ECSA)は、特願2012−104504号の明細書の段落[0036]に記載された方法により算出した。 On the other hand, the platinum surface area was calculated by dividing the activation dominant current (Ik) by the electrochemical surface area (ECSA). Among these, the activation dominant current (Ik) was calculated by the method described in paragraphs [0045] and [0046] of the specification of Japanese Patent Application No. 2012-054624. The electrochemical surface area (ECSA) was calculated by the method described in paragraph [0036] of the specification of Japanese Patent Application No. 2012-104504.
図4は、実施例1及び比較例2の触媒微粒子の白金割合を比較した棒グラフであり、縦軸に比較例2の触媒微粒子の白金割合を1.0としたときの比をとる。また、図5は、実施例1及び比較例2の触媒微粒子の白金表面積を比較した棒グラフであり、縦軸に比較例2の触媒微粒子の白金表面積を1.0としたときの比をとる。
図4から分かるように、比較例2の触媒微粒子の白金割合を1.0としたとき、実施例1の触媒微粒子の白金割合は1.15である。この結果は、第2の電位処理工程において、速やかに電気化学セルに対して0.83V(vs.RHE)の電位を付与した場合(実施例1)は、電気化学セルに対して電位を付与しなかった場合(比較例2)と比較して、白金の吸着量が1.15倍に増えたことを示す。
図5から分かるように、比較例2の触媒微粒子の白金表面積を1.0としたとき、実施例1の触媒微粒子の白金表面積は1.05である。この結果は、第2の電位処理工程において、速やかに電気化学セルに対して0.83V(vs.RHE)の電位を付与した場合(実施例1)は、電気化学セルに対して電位を付与しなかった場合(比較例2)と比較して、白金表面積が1.05倍に増えたことを示す。パラジウムが表面に露出している場合には、触媒微粒子全体の表面積に対する白金の表面積が占める割合が少なくなるため、その分白金表面積も減る。図5の結果は、白金表面積の増加と共にパラジウム露出面積が減少していることをも示している。
FIG. 4 is a bar graph comparing the platinum ratios of the catalyst fine particles of Example 1 and Comparative Example 2, and the vertical axis represents the ratio when the platinum ratio of the catalyst fine particles of Comparative Example 2 is 1.0. FIG. 5 is a bar graph comparing the platinum surface areas of the catalyst fine particles of Example 1 and Comparative Example 2, and the vertical axis represents the ratio when the platinum surface area of the catalyst fine particles of Comparative Example 2 is 1.0.
As can be seen from FIG. 4, when the platinum ratio of the catalyst fine particles of Comparative Example 2 is 1.0, the platinum ratio of the catalyst fine particles of Example 1 is 1.15. As a result, in the second potential treatment step, when a potential of 0.83 V (vs. RHE) was quickly applied to the electrochemical cell (Example 1), the potential was applied to the electrochemical cell. It shows that the amount of platinum adsorbed increased 1.15 times as compared with the case where it did not (Comparative Example 2).
As can be seen from FIG. 5, when the platinum surface area of the catalyst fine particles of Comparative Example 2 is 1.0, the platinum surface area of the catalyst fine particles of Example 1 is 1.05. As a result, in the second potential treatment step, when a potential of 0.83 V (vs. RHE) was quickly applied to the electrochemical cell (Example 1), the potential was applied to the electrochemical cell. It shows that the platinum surface area increased 1.05 times compared with the case where it did not (Comparative Example 2). When palladium is exposed on the surface, the ratio of the surface area of platinum to the surface area of the entire catalyst fine particle is reduced, so that the platinum surface area is also reduced accordingly. The results in FIG. 5 also show that the palladium exposed area decreases with increasing platinum surface area.
また、実施例1の触媒微粒子については、MA=550A/gPtが得られた。これは、従来のCu−UPD法を用いて比較的小さい反応スケールで合成したコアシェル触媒微粒子のMAと同等の値である。よって、本発明においては、大量合成においても十分に高いMAが得られることが明らかとなった。 For the catalyst fine particles of Example 1, MA = 550 A / gPt was obtained. This is a value equivalent to MA of core-shell catalyst fine particles synthesized on a relatively small reaction scale using the conventional Cu-UPD method. Therefore, in the present invention, it has become clear that sufficiently high MA can be obtained even in mass synthesis.
2−3.触媒微粒子の修復の検討
参考例1及び比較例3の触媒微粒子について、80℃の硫酸中におけるパラジウム溶出量を測定した。測定方法は以下の通りである。
まず、各触媒微粒子を50mgずつ秤量した。次に、秤量した触媒微粒子を、0.1M硫酸300mLに加え、80℃に加熱し、酸素をバブリングさせながら1時間攪拌した。その後、溶液を回収し、ICP分析を行うことにより、パラジウム溶出量を測定した。
2-3. Examination of repair of catalyst fine particles The catalyst fine particles of Reference Example 1 and Comparative Example 3 were measured for the amount of palladium eluted in sulfuric acid at 80 ° C. The measuring method is as follows.
First, 50 mg of each catalyst fine particle was weighed. Next, the weighed catalyst fine particles were added to 300 mL of 0.1 M sulfuric acid, heated to 80 ° C., and stirred for 1 hour while bubbling oxygen. Thereafter, the solution was recovered, and ICP analysis was performed to measure the palladium elution amount.
また、参考例1及び比較例3の触媒微粒子について、公知の方法により、誘導結合プラズマ質量分析法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry:ICP−MS)により、触媒微粒子表面の白金量及びパラジウム量を定量した。 In addition, with respect to the catalyst fine particles of Reference Example 1 and Comparative Example 3, the amounts of platinum and palladium on the surfaces of the catalyst fine particles were quantified by a known method by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). .
図6は、参考例1及び比較例3の触媒微粒子について、80℃の硫酸中におけるパラジウム溶出量(質量%)を比較した棒グラフである。また、下記表1は、参考例1及び比較例3の触媒微粒子についてのICP−MS測定結果である。
図6から分かるように、80℃の硫酸中におけるパラジウム溶出量は、比較例3の触媒微粒子において10.6質量%であるのに対し、参考例1の触媒微粒子において4.5質量%である。これらの結果より、第1及び第2の電位処理工程を経た参考例1の触媒微粒子は、これら電位処理工程を経ない比較例3の触媒微粒子と比較して、パラジウム溶出量を4割程度に抑えられることが分かる。
また、下記表1における参考例1と比較例3とを比較しても分かるように、参考例1の触媒微粒子表面においては、表面に露出したパラジウムが第1及び第2の電位処理工程により溶出した分だけ白金が被覆していることが分かる。
以上の結果から、パラジウム微粒子の表面に対する白金単原子層の被覆率が100%未満である触媒微粒子においても、イオン化傾向の違いを利用することで、表面に露出したパラジウムと白金イオンを置換させることができ、その結果、パラジウムの溶出量を大幅に減らせることが証明された。
FIG. 6 is a bar graph comparing the palladium elution amount (mass%) in sulfuric acid at 80 ° C. for the catalyst fine particles of Reference Example 1 and Comparative Example 3. Table 1 below shows ICP-MS measurement results for the catalyst fine particles of Reference Example 1 and Comparative Example 3.
As can be seen from FIG. 6, the palladium elution amount in sulfuric acid at 80 ° C. is 10.6% by mass in the catalyst fine particles of Comparative Example 3, whereas it is 4.5% by mass in the catalyst fine particles of Reference Example 1. . From these results, the catalyst fine particles of Reference Example 1 that passed through the first and second potential treatment steps had a palladium elution amount of about 40% compared to the catalyst fine particles of Comparative Example 3 that did not go through these potential treatment steps. It turns out that it can be suppressed.
Further, as can be seen by comparing Reference Example 1 and Comparative Example 3 in Table 1 below, palladium exposed on the surface of the catalyst fine particles of Reference Example 1 is eluted by the first and second potential treatment steps. It can be seen that platinum is covered by the amount of the above.
From the above results, even in the catalyst fine particles where the platinum monoatomic layer coverage with respect to the surface of the palladium fine particles is less than 100%, the difference in ionization tendency can be used to replace the palladium exposed on the surface with platinum ions. As a result, it was proved that the elution amount of palladium can be greatly reduced.
1 高分子電解質膜
2 カソード触媒層
3 アノード触媒層
4,5 ガス拡散層
6 カソード電極
7 アノード電極
8 膜・電極接合体
9,10 セパレータ
11,12 ガス流路
100 燃料電池の単セル
DESCRIPTION OF
Claims (6)
パラジウム含有粒子が分散した酸溶液に対し、0.4〜0.6V(vs.RHE)の範囲内の電位を付与する第1の電位処理工程、及び、
前記第1の電位処理工程後のパラジウム含有粒子が分散した酸溶液に対し、少なくとも白金イオンを添加し、且つ、0.80〜1.0V(vs.RHE)の範囲内の電位を付与することにより、前記パラジウム含有粒子に、白金を含む前記最外層を被覆する第2の電位処理工程、
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 center particles containing palladium and outermost layers containing platinum and covering the center particles,
A first potential treatment step of applying a potential within a range of 0.4 to 0.6 V (vs. RHE) to the acid solution in which the palladium-containing particles are dispersed; and
At least platinum ions are added to the acid solution in which the palladium-containing particles are dispersed after the first potential treatment step, and a potential in the range of 0.80 to 1.0 V (vs. RHE) is applied. A second potential treatment step of covering the palladium-containing particles with the outermost layer containing platinum;
A method for producing catalyst fine particles, comprising:
前記請求項1乃至5のいずれか一項に記載の製造方法により製造される触媒微粒子を、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくともいずれか一方に含むことを特徴とする、燃料電池。 A fuel cell comprising a single cell comprising a membrane / electrode assembly comprising an anode electrode comprising at least an anode catalyst layer on one side of a polymer electrolyte membrane and comprising a cathode electrode comprising at least a cathode catalyst layer on the other side,
6. A fuel cell comprising catalyst fine particles produced by the production method according to claim 1 in at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer.
Priority Applications (1)
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