JP2015196144A - Method for producing core shell catalyst - Google Patents

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紘子 木村
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典之 喜多尾
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誠 安達
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a core shell catalyst high in specific activity.SOLUTION: Provided is a method for producing a core shell catalyst provided with a core including palladium and a shell including platinum and covering the core, including a step of preparing palladium-containing particles having a peak at 2θ=40°±1° as a result of X-ray diffraction measurement, and in which crystalline size obtained from the half value width of the peak at 2θ=40°±1° by a Scherrer method is 5 to 8.5 nm; a copper precipitation step of precipitating copper on the surface of each palladium-containing particle by applying a potential nobler than the oxidation-reduction potential of copper to each palladium-containing particle in copper ion-containing electrolyte; and a substitution step of contacting the copper precipitated on the surface of each palladium-containing particle after the copper precipitation step with a platinum ion-containing solution, thus substituting the copper precipitated on the surface of each palladium-containing particle into platinum to form a shell.

Description

本発明は、コアシェル触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a core-shell catalyst.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。そのため、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Therefore, since the fuel cell is not subject to the Carnot cycle, it exhibits high energy conversion efficiency. A fuel cell is usually configured 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、燃料電池の燃料極(アノード電極)及び酸化剤極(カソード電極)の電極触媒として、白金及び白金合金材料が採用されてきた。しかし、現在の最新技術の電極触媒に必要な量の白金は、燃料電池の大量生産を商業的に実現可能にするには依然として高価である。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、燃料電池の燃料極及び酸化剤極に含まれる白金の量を低減させる研究がなされてきた(例えば特許文献1、非特許文献1〜3)。
例えば、特許文献1には、銅アンダーポテンシャル析出(Cu−UPD)を応用した置換メッキにより、コアシェル触媒を製造する方法が記載されている。
Cu−UPDは、銅と結合力の強い異種金属表面に、銅の酸化還元電位よりも貴な電位で、金属状態の銅の単原子層が形成される現象である。表面にCu−UPDにより銅原子層が形成されたコアを、シェル金属イオンを含有する溶液に浸漬し、イオン化傾向の違いを利用して銅をシェル金属で置換することによって、コアをシェルで被覆したコアシェル触媒を製造することができる。
Conventionally, platinum and platinum alloy materials have been employed as electrode catalysts for the fuel electrode (anode electrode) and oxidant electrode (cathode electrode) of fuel cells. However, the amount of platinum required for current state-of-the-art electrocatalysts is still expensive to make mass production of fuel cells commercially feasible. Therefore, studies have been made to reduce the amount of platinum contained in the fuel electrode and the oxidant electrode of the fuel cell by combining platinum with a cheaper metal (for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 to 3).
For example, Patent Document 1 describes a method for producing a core-shell catalyst by displacement plating using copper underpotential deposition (Cu-UPD).
Cu-UPD is a phenomenon in which a copper monoatomic layer in a metallic state is formed on a surface of a dissimilar metal having a strong bonding force with copper at a potential nobler than the redox potential of copper. A core with a copper atomic layer formed by Cu-UPD on the surface is immersed in a solution containing shell metal ions, and the core is covered with the shell by substituting the shell metal with copper using the difference in ionization tendency. The core-shell catalyst can be produced.

米国出願公開第2010/0177462号公報US Application Publication No. 2010/0177462

平成19年度〜平成20年度成果報告書,独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構,(委託先)国立大学法人 千葉大学 平成20年6月2007-2008 Results Report, New Energy and Industrial Technology Development Organization, (Certificate) Chiba University, June 2008 Junliang Zhang,et,al Angew.Chem.Int.Ed.2005,44,2132−2135Junlian Zhang, et, al Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 2132-2135 Radoslav R.Adzic,Electrocatal(2012),3:163−169Radoslav R. Adzic, Electrocatal (2012), 3: 163-169

しかしながら、従来の製造方法により得られるコアシェル触媒は、白金の単位表面積あたり触媒活性(以下、比活性と称する)が低いという問題がある。
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、比活性の高いコアシェル触媒の製造方法を提供することである。
However, the core-shell catalyst obtained by the conventional production method has a problem that the catalyst activity per unit surface area of platinum (hereinafter referred to as specific activity) is low.
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 a core-shell catalyst having high specific activity.

本発明のコアシェル触媒の製造方法は、パラジウムを含むコアと、白金を含み且つ前記コアを被覆するシェルと、を備えるコアシェル触媒の製造方法であって、
X線回折測定結果として2θ=40°±1°にピークを有し、前記2θ=40°±1°におけるピークの半値幅からScherrer法により求められる結晶子サイズが、5〜8.5nmであるパラジウム含有粒子を準備する工程と、
銅イオン含有電解液中において、前記パラジウム含有粒子に銅の酸化還元電位よりも貴な電位を印加することによって、前記パラジウム含有粒子の表面に銅を析出させる銅析出工程と、
前記銅析出工程後、前記パラジウム含有粒子の表面に析出した前記銅に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、前記パラジウム含有粒子の表面に析出した前記銅を白金に置換することによって前記シェルを形成する置換工程と、を有することを特徴とする。
A method for producing a core-shell catalyst of the present invention is a method for producing a core-shell catalyst comprising: a core containing palladium; and a shell containing platinum and covering the core,
The X-ray diffraction measurement result has a peak at 2θ = 40 ° ± 1 °, and the crystallite size determined by the Scherrer method from the half-value width of the peak at 2θ = 40 ° ± 1 ° is 5 to 8.5 nm. Preparing palladium-containing particles;
In the copper ion-containing electrolyte, by applying a potential nobler than the copper redox potential to the palladium-containing particles, a copper deposition step of depositing copper on the surface of the palladium-containing particles,
After the copper deposition step, the copper deposited on the surface of the palladium-containing particles is contacted with a platinum ion-containing solution, thereby replacing the copper deposited on the surface of the palladium-containing particles with platinum. And a substitution step to be formed.

本発明のコアシェル触媒の製造方法において、前記パラジウム含有粒子が担体に担持されていることが好ましい。   In the method for producing a core-shell catalyst of the present invention, the palladium-containing particles are preferably supported on a carrier.

本発明によれば、比活性の高いコアシェル触媒の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of a core-shell catalyst with high specific activity can be provided.

(A)はコアシェル触媒のTEM写真であり、(B)は(A)に示すコアシェル触媒を矢印方向に観測したPt/Pd原子濃度比を示す図である。(A) is a TEM photograph of the core-shell catalyst, and (B) is a diagram showing a Pt / Pd atomic concentration ratio obtained by observing the core-shell catalyst shown in (A) in the arrow direction. 本発明のコアシェル触媒の製造方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of the core-shell catalyst of this invention. 本発明のコアシェル触媒の製造方法に用いる合成装置の一例を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed typically an example of the synthesis apparatus used for the manufacturing method of the core-shell catalyst of this invention. 実施例1で用いたパラジウム粒子のXRD測定結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an XRD measurement result of palladium particles used in Example 1. 実施例2で用いたパラジウム粒子のXRD測定結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an XRD measurement result of palladium particles used in Example 2. 比較例1で用いたパラジウム粒子のXRD測定結果を示す図である。It is a figure which shows the XRD measurement result of the palladium particle | grains used by the comparative example 1. 比較例2で用いたパラジウム粒子のXRD測定結果を示す図である。It is a figure which shows the XRD measurement result of the palladium particle | grains used by the comparative example 2. 実施例及び比較例で用いたパラジウム粒子の結晶子サイズとコアシェル触媒の比活性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the crystallite size of the palladium particle used by the Example and the comparative example, and the specific activity of a core-shell catalyst.

本発明のコアシェル触媒の製造方法は、パラジウムを含むコアと、白金を含み且つ前記コアを被覆するシェルと、を備えるコアシェル触媒の製造方法であって、
X線回折測定結果として2θ=40°±1°にピークを有し、前記2θ=40°±1°におけるピークの半値幅からScherrer法により求められる結晶子サイズが、5〜8.5nmであるパラジウム含有粒子を準備する工程と、
銅イオン含有電解液中において、前記パラジウム含有粒子に銅の酸化還元電位よりも貴な電位を印加することによって、前記パラジウム含有粒子の表面に銅を析出させる銅析出工程と、
前記銅析出工程後、前記パラジウム含有粒子の表面に析出した前記銅に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、前記パラジウム含有粒子の表面に析出した前記銅を白金に置換することによって前記シェルを形成する置換工程と、を有することを特徴とする。
A method for producing a core-shell catalyst of the present invention is a method for producing a core-shell catalyst comprising: a core containing palladium; and a shell containing platinum and covering the core,
The X-ray diffraction measurement result has a peak at 2θ = 40 ° ± 1 °, and the crystallite size determined by the Scherrer method from the half-value width of the peak at 2θ = 40 ° ± 1 ° is 5 to 8.5 nm. Preparing palladium-containing particles;
In the copper ion-containing electrolyte, by applying a potential nobler than the copper redox potential to the palladium-containing particles, a copper deposition step of depositing copper on the surface of the palladium-containing particles,
After the copper deposition step, the copper deposited on the surface of the palladium-containing particles is contacted with a platinum ion-containing solution, thereby replacing the copper deposited on the surface of the palladium-containing particles with platinum. And a substitution step to be formed.

粒子は、結晶子サイズが大きいほど、規則的な原子配列を持つ単結晶体に近づき、表面エネルギー的に安定な(111)面の割合が高くなると推定される。
また、非特許文献1には、単層白金シェルが形成されたパラジウム粒子(以下、Pt/Pdと称する場合がある)の活性は結晶面によって異なり、活性の序列はPt/Pd(100)<Pt/Pd(111)〜Pt/Pd(110)であることが報告されている。
さらに、非特許文献2〜3では、Pt/Pd(111)は、Pt(111)より活性が高いことが報告されている。
上記知見から、(111)面の割合の高いパラジウム含有粒子を用いれば、コアシェル触媒の比活性が高くなる、すなわち、パラジウム含有粒子の結晶子サイズが大きいほど、表面エネルギー的に安定な(111)面の割合が高くなるため、コアシェル触媒の比活性が高くなることが予想される。
しかし、本発明者らは、上記予想に反して、パラジウム含有粒子の結晶子サイズが5〜8.5nmの範囲内でないとコアシェル触媒の比活性が低下することを見出し、本発明を完成させた。
パラジウム含有粒子の結晶子サイズが5nmより小さいと、配位数の少ない原子がパラジウム含有粒子表面に出ている割合が少なく、白金シェルとの相互作用が発現し難くなるため、比活性が低くなると推察される。また、パラジウム含有粒子表面に結晶面のテラス部分が出ている割合が小さくなり、白金原子が安定に存在できず、パラジウム含有粒子表面に均一な白金シェルが形成され難くなるためと推察される。
一方、パラジウム含有粒子の結晶子サイズが8.5nmより大きいと、パラジウム粒子表面における銅及び白金の吸着状態のポテンシャルエネルギーが負の値で高くなるため、パラジウム粒子表面の白金の3次元成長が生じ易くなり、均一な白金シェルが形成され難くなるためであると推察される。なお、パラジウム粒子表面における銅及び白金の吸着状態のポテンシャルエネルギーは、第一原理計算プログラムInterface(株式会社豊田中央研究所製)により、パラジウムの構造を立方八面体と仮定した場合に得られる値を採用した。
It is estimated that the larger the crystallite size, the closer the particle is to a single crystal having a regular atomic arrangement, and a higher proportion of the (111) plane that is stable in terms of surface energy.
In Non-Patent Document 1, the activity of palladium particles (hereinafter sometimes referred to as Pt / Pd) in which a single-layer platinum shell is formed varies depending on the crystal plane, and the order of activity is Pt / Pd (100) < It is reported that Pt / Pd (111) to Pt / Pd (110).
Furthermore, Non-Patent Documents 2 to 3 report that Pt / Pd (111) is more active than Pt (111).
From the above findings, if palladium-containing particles with a high proportion of the (111) plane are used, the specific activity of the core-shell catalyst increases, that is, the larger the crystallite size of the palladium-containing particles, the more stable the surface energy (111) It is expected that the specific activity of the core-shell catalyst will increase because of the higher surface ratio.
However, contrary to the above expectation, the present inventors have found that the specific activity of the core-shell catalyst is reduced unless the crystallite size of the palladium-containing particles is within the range of 5 to 8.5 nm, and completed the present invention. .
When the crystallite size of the palladium-containing particles is smaller than 5 nm, the proportion of atoms with a small number of coordinations appearing on the surface of the palladium-containing particles is small, and the interaction with the platinum shell is difficult to express. Inferred. Further, it is presumed that the ratio of the terrace portion of the crystal plane appearing on the surface of the palladium-containing particles is reduced, platinum atoms cannot be stably present, and it is difficult to form a uniform platinum shell on the surface of the palladium-containing particles.
On the other hand, if the crystallite size of the palladium-containing particles is larger than 8.5 nm, the potential energy of the adsorption state of copper and platinum on the surface of the palladium particles becomes high at a negative value, so that three-dimensional growth of platinum on the surface of the palladium particles occurs. It is assumed that this is because it becomes easy and it is difficult to form a uniform platinum shell. In addition, the potential energy of the adsorption state of copper and platinum on the surface of palladium particles is a value obtained when the structure of palladium is assumed to be a cubic octahedron by the first principle calculation program Interface (manufactured by Toyota Central R & D Co., Ltd.). Adopted.

上記の裏付けとして、結晶子サイズが約10nmのパラジウム粒子を用いて製造したコアシェル触媒について、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてエネルギー分散型X線分析法(Energy Dispersive x−ray Spectroscopy;EDS)による分析を行った。結果を図1に示す。図1(A)はコアシェル触媒のTEM写真であり、図1(B)は図1(A)に示すコアシェル触媒を矢印方向に観測したPt/Pd原子濃度比を示す図である。図1(B)に示すように、製造したコアシェル触媒は、触媒表面での白金濃度が高く、かつ、距離が長いことから、パラジウムコアの表面で白金の3次元成長が生じていることが確認できた。   In support of the above, an energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) using a transmission electron microscope (TEM) for a core-shell catalyst manufactured using palladium particles having a crystallite size of about 10 nm. Analysis was performed. The results are shown in FIG. FIG. 1A is a TEM photograph of the core-shell catalyst, and FIG. 1B is a diagram showing the Pt / Pd atomic concentration ratio obtained by observing the core-shell catalyst shown in FIG. 1A in the arrow direction. As shown in FIG. 1 (B), the produced core-shell catalyst has a high platinum concentration on the catalyst surface and a long distance, so it is confirmed that three-dimensional growth of platinum occurs on the surface of the palladium core. did it.

本発明において、シェルがコアを被覆するとは、コアの全表面がシェルによって覆われている形態のみならず、コアの表面の一部がシェルによって被覆され、コアの表面の一部が露出している形態も含まれる。さらに、シェルは、単原子層であっても、原子が2原子以上積層した多原子層であってもよいが、比活性向上の観点から、単原子層であることが好ましい。   In the present invention, the shell covers the core not only in a form in which the entire surface of the core is covered by the shell, but also a part of the surface of the core is covered by the shell, and a part of the surface of the core is exposed. The form which is included is also included. Furthermore, the shell may be a monoatomic layer or a polyatomic layer in which two or more atoms are stacked, but from the viewpoint of improving specific activity, the shell is preferably a monoatomic layer.

以下、本発明のコアシェル触媒の製造方法について詳しく説明する。
図2は、本発明のコアシェル触媒の製造方法の一例を示すフローチャートである。
図2に示すコアシェル触媒の製造方法は、(1)準備工程、(2)銅析出工程、(3)置換工程、(4)洗浄工程、(5)乾燥工程を有する。
本発明のコアシェル触媒の製造方法は、少なくとも(1)準備工程、(2)銅析出工程、(3)置換工程を有し、必要に応じ、置換工程の後に(4)洗浄工程、(5)乾燥工程等を有する。
以下、各工程について、順に説明する。
Hereafter, the manufacturing method of the core-shell catalyst of this invention is demonstrated in detail.
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a method for producing the core-shell catalyst of the present invention.
The manufacturing method of the core-shell catalyst shown in FIG. 2 includes (1) a preparation step, (2) a copper deposition step, (3) a replacement step, (4) a washing step, and (5) a drying step.
The method for producing a core-shell catalyst of the present invention has at least (1) a preparation step, (2) a copper deposition step, and (3) a substitution step, and if necessary, after the substitution step, (4) a washing step, (5) It has a drying process.
Hereinafter, each process is demonstrated in order.

(1)準備工程
準備工程は、X線回折測定結果として2θ=40°±1°にピークを有し、前記2θ=40°±1°におけるピークの半値幅からScherrer法により求められる結晶子サイズが、5〜8.5nmであるパラジウム含有粒子を準備する工程である。
(1) Preparatory Step The preparatory step has a peak at 2θ = 40 ° ± 1 ° as a result of X-ray diffraction measurement, and the crystallite size determined by the Scherrer method from the half width of the peak at 2θ = 40 ° ± 1 °. Is a step of preparing palladium-containing particles having a diameter of 5 to 8.5 nm.

本発明に用いるパラジウム含有粒子は、結晶子サイズが、5〜8.5nmであれば、特に限定されず、5.7〜7.5nmであることが好ましい。
本発明における結晶子サイズは、X線回折法(XRD)により求めることができる。XRDによる結晶子サイズの具体的な算出方法としては、例えば、次の方法が挙げられる。
複数のパラジウム含有粒子にX線を照射し、2θ=40°±1°におけるピークの半値幅から次のScherrerの式(1)を用いて結晶子サイズを求めることができる。
[式(1)]
D=(Kλ)/(βcosθ)
上記式(1)において各符号の意味は次の通りである。
D:結晶子サイズ(nm)
K:Scherrer定数
λ:測定X線波長(nm)
β:半値幅(rad)
θ:回折線のブラッグ角度(rad)
The palladium-containing particles used in the present invention are not particularly limited as long as the crystallite size is 5 to 8.5 nm, and preferably 5.7 to 7.5 nm.
The crystallite size in the present invention can be determined by X-ray diffraction (XRD). As a specific method for calculating the crystallite size by XRD, for example, the following method may be mentioned.
A plurality of palladium-containing particles are irradiated with X-rays, and the crystallite size can be obtained from the half width of the peak at 2θ = 40 ° ± 1 ° using the following Scherrer equation (1).
[Formula (1)]
D = (Kλ) / (βcosθ)
In the above formula (1), the meaning of each symbol is as follows.
D: Crystallite size (nm)
K: Scherrer constant λ: Measurement X-ray wavelength (nm)
β: Half width (rad)
θ: Bragg angle (rad) of diffraction line

パラジウム含有粒子としては、パラジウム粒子及びパラジウム合金粒子から選ばれる少なくとも一方の粒子を用いることができる。
パラジウム合金としては、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀及び金からなる群より選ばれる金属材料とパラジウムとの合金が挙げられ、パラジウム合金を構成するパラジウム以外の金属は1種でも2種以上でもよい。
パラジウム合金は、合金全体の質量を100質量%としたときのパラジウムの含有割合が80質量%以上であることが好ましい。パラジウムの含有割合が80質量%以上であることにより、均一な白金含有シェルを形成することができるからである。
パラジウム含有粒子の平均粒径は、特に限定されないが、8nm以下であることが好ましい。パラジウム含有粒子の平均粒径が8nmを超える場合、白金の質量あたり表面積が小さくなり、必要な活性を得るには多くの白金が必要となるためコストがかかる。パラジウム含有粒子の平均粒径が小さ過ぎると、パラジウム自体が溶けやすくなり触媒の耐久性が低下するため、パラジウム含有粒子の平均粒径は3nm以上であることが好ましい。
本発明に使用される粒子の平均粒径の算出方法は以下の通りである。すなわち、走査型電子顕微鏡(TEM)を用いて1,000,000倍のTEM写真をとり、粒子の平面上への投影面積と同一面積を有する真円の直径(円相当粒子径)を粒子の粒径とみなす。このような写真観察による粒径の測定を、同じ種類の500個の粒子について行い、これらの粒子の粒径の平均を平均粒径とする。なお、写真端部に観察される切れた粒子は解析から除外する。
したがって、本発明において結晶子サイズと平均粒径とは異なる定義により算出されるものであり、平均粒径は、結晶子サイズの近似値として流用できるものではない。
As the palladium-containing particles, at least one particle selected from palladium particles and palladium alloy particles can be used.
Examples of the palladium alloy include an alloy of palladium and a metal material selected from the group consisting of iridium, ruthenium, rhodium, iron, cobalt, nickel, copper, silver, and gold. The metal other than palladium constituting the palladium alloy is 1 Two or more species may be used.
The palladium alloy preferably has a palladium content of 80% by mass or more when the mass of the entire alloy is 100% by mass. This is because a uniform platinum-containing shell can be formed when the palladium content is 80 mass% or more.
The average particle size of the palladium-containing particles is not particularly limited, but is preferably 8 nm or less. When the average particle diameter of the palladium-containing particles exceeds 8 nm, the surface area per mass of platinum becomes small, and a lot of platinum is required to obtain the necessary activity, which is costly. If the average particle size of the palladium-containing particles is too small, the palladium itself is easily dissolved and the durability of the catalyst is lowered. Therefore, the average particle size of the palladium-containing particles is preferably 3 nm or more.
The calculation method of the average particle diameter of the particles used in the present invention is as follows. That is, using a scanning electron microscope (TEM), take a TEM photograph at a magnification of 1,000,000, and calculate the diameter of a perfect circle having the same area as the projected area of the particle on the plane (equivalent particle diameter) of the particle. Considered as particle size. The measurement of the particle size by photographic observation is performed for 500 particles of the same type, and the average of the particle sizes of these particles is defined as the average particle size. Note that the broken particles observed at the edge of the photograph are excluded from the analysis.
Therefore, in the present invention, the crystallite size and the average particle size are calculated based on different definitions, and the average particle size cannot be used as an approximate value of the crystallite size.

パラジウム含有粒子は、担体に担持されていることが好ましい。担体としては、特に限定されないが、本発明のコアシェル触媒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担保する観点から、導電性担体を用いることが好ましい。
パラジウム含有粒子を担持する担体として使用できる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等が挙げられる。
担体に担持されたパラジウム含有粒子担持体は、市販品を用いることもできるし、合成することもできる。パラジウム含有粒子を担体に担持する方法としては、従来から用いられている方法を採用することができる。例えば、担体を分散させた担体分散液に、パラジウム含有粒子を混合し、濾過、洗浄して、エタノール等に再分散した後、真空ポンプ等で乾燥する方法が挙げられる。溶媒を除去する観点、パラジウム含有粒子表面のパラジウム酸化物をパラジウムに還元する観点から、必要に応じて、乾燥後、焼成してもよい。焼成方法は、後述する結晶子サイズを制御する方法における焼成方法と同様とすることができる。
The palladium-containing particles are preferably supported on a carrier. Although it does not specifically limit as a support | carrier, When using the core-shell catalyst of this invention for the electrode catalyst layer of a fuel cell, it is preferable to use an electroconductive support | carrier from a viewpoint of ensuring electroconductivity for an electrode catalyst layer.
Specific examples of materials that can be used as a carrier for supporting palladium-containing particles include Ketjen Black (trade name: manufactured by Ketjen Black International), Vulcan (trade name: manufactured by Cabot), and Nolit (trade name: Norit). ), Black pearl (trade name: manufactured by Cabot), acetylene black (trade name: manufactured by Chevron), etc., conductive carbon materials such as carbon particles and carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers. It is done.
A commercially available product can be used as the palladium-containing particle carrier supported on the carrier, or it can be synthesized. As a method of supporting the palladium-containing particles on the carrier, a conventionally used method can be employed. For example, there may be mentioned a method in which palladium-containing particles are mixed with a carrier dispersion in which a carrier is dispersed, filtered, washed, redispersed in ethanol or the like and then dried with a vacuum pump or the like. From the viewpoint of removing the solvent, and from the viewpoint of reducing the palladium oxide on the surface of the palladium-containing particles to palladium, drying may be performed as necessary. The firing method can be the same as the firing method in the method for controlling the crystallite size described later.

結晶子サイズを制御する方法としては、パラジウム含有粒子を焼成する方法、パラジウム含有粒子に電位サイクル処理をかける方法等が挙げられる。
パラジウム含有粒子を焼成する方法としては、例えば、パラジウム含有粒子をアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下、300〜500℃で1〜6時間焼成する方法等が挙げられる。焼成温度が300℃未満であると、結晶子サイズが大きくならない恐れがあり、焼成温度が500℃を超えると、結晶子サイズが大きくなりすぎる恐れがある。
Examples of the method for controlling the crystallite size include a method of firing palladium-containing particles, a method of subjecting palladium-containing particles to potential cycle treatment, and the like.
Examples of the method for firing the palladium-containing particles include a method of firing the palladium-containing particles at 300 to 500 ° C. for 1 to 6 hours in an inert gas atmosphere such as argon gas and nitrogen gas. If the firing temperature is less than 300 ° C, the crystallite size may not increase, and if the firing temperature exceeds 500 ° C, the crystallite size may become too large.

電位サイクル処理は、例えば、パラジウム含有粒子を含む電解液中において、パラジウム含有粒子に所定の電位を印加することにより行うことができる。
パラジウム含有粒子に電位を印加する方法、電位制御装置は、後述する銅析出工程で行われる方法、装置と同様とすることができる。
電位サイクル処理に使用できる電解液としては、特に限定されず、例えば酸溶液が挙げられる。電位サイクル処理に使用できる酸としては、具体的には、後述する銅イオン含有電解液に使用できる酸と同様の酸が使用できる。
なお、電位サイクル処理と、後述する銅析出工程とを、同じ反応容器内で行う場合には、電位サイクル処理に使用した電解液に、銅イオン含有電解液を加えてもよい。例えば、電位サイクル処理の電解液として硫酸を使用した場合には、使用後の硫酸に硫酸銅水溶液を加えて、銅析出工程を行ってもよい。なお、電位サイクル処理において用いる電解液中の対アニオンと、銅析出工程において用いる銅イオン含有電解液の対アニオンとは、同一であってもよく、異なっていてもよい。
電位サイクル処理は、パラジウム含有粒子の結晶子サイズを制御することに加え、パラジウム含有粒子表面の酸化物を速やかに除去することができるという観点から、電解液中の酸素を可能な限り除去し、電解液中には、窒素をバブリングさせることが好ましい。
電位サイクル処理における電位印加信号パターンは、矩形波、三角波、台形波等が挙げられる。
電位範囲は、特に限定されないが、0.05〜1.2V(vs.RHE)であることが好ましい。
電位のサイクル数は、電位印加信号パターンが三角波の場合は、特に限定されないが、10〜6000サイクルであることが好ましく、電位の掃引速度は、例えば、5〜100mV/秒とすることができる。
パラジウム含有粒子に電位サイクル処理を行うことにより、パラジウム含有粒子の結晶子サイズを制御できるのは、以下の理由によるものと推察される。
電位サイクル処理時は、パラジウム含有粒子間において、電解液を介したパラジウムイオンの授受がされるのが通常である。そのため、電解液中では、パラジウムの溶解、再析出が生じる。このとき、電解液中では、相対的に粒径の小さいパラジウム含有粒子が溶解し、溶解したパラジウムイオンが相対的に粒径の大きいパラジウム含有粒子の表面で再析出する、いわゆるオストワルド熟成が起こる。パラジウムの溶解、再析出を繰り返すことで、不規則であった原子の配列が規則正しくなり、パラジウム含有粒子の結晶子サイズが大きくなっていくと推察される。
The potential cycle treatment can be performed, for example, by applying a predetermined potential to the palladium-containing particles in an electrolytic solution containing palladium-containing particles.
The method of applying a potential to the palladium-containing particles and the potential control device can be the same as the method and device performed in the copper deposition step described later.
The electrolytic solution that can be used for the potential cycle treatment is not particularly limited, and examples thereof include an acid solution. As an acid that can be used for the potential cycle treatment, specifically, an acid similar to the acid that can be used for the copper ion-containing electrolyte described later can be used.
In addition, when performing a potential cycle process and the copper precipitation process mentioned later in the same reaction container, you may add a copper ion containing electrolyte solution to the electrolyte solution used for the potential cycle process. For example, when sulfuric acid is used as the electrolytic solution for potential cycle treatment, a copper precipitation step may be performed by adding an aqueous copper sulfate solution to the sulfuric acid after use. The counter anion in the electrolytic solution used in the potential cycle treatment and the counter anion in the copper ion-containing electrolytic solution used in the copper deposition step may be the same or different.
In addition to controlling the crystallite size of the palladium-containing particles, the potential cycle treatment removes oxygen in the electrolyte solution as much as possible from the viewpoint of being able to quickly remove oxides on the surface of the palladium-containing particles. Nitrogen is preferably bubbled into the electrolytic solution.
Examples of the potential application signal pattern in the potential cycle process include a rectangular wave, a triangular wave, and a trapezoidal wave.
The potential range is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 1.2 V (vs. RHE).
The number of potential cycles is not particularly limited when the potential application signal pattern is a triangular wave, but is preferably 10 to 6000 cycles, and the potential sweep rate can be set to 5 to 100 mV / second, for example.
It is speculated that the crystallite size of the palladium-containing particles can be controlled by subjecting the palladium-containing particles to potential cycle treatment for the following reason.
During the potential cycle treatment, palladium ions are usually exchanged between the palladium-containing particles via the electrolytic solution. Therefore, dissolution and reprecipitation of palladium occur in the electrolytic solution. At this time, in the electrolytic solution, so-called Ostwald ripening occurs in which the palladium-containing particles having a relatively small particle size are dissolved, and the dissolved palladium ions are reprecipitated on the surface of the palladium-containing particles having a relatively large particle size. It is inferred that by repeating dissolution and reprecipitation of palladium, the irregular arrangement of atoms becomes regular and the crystallite size of the palladium-containing particles increases.

(2)銅析出工程
銅析出工程は、銅イオン含有電解液中において、パラジウム含有粒子に銅の酸化還元電位よりも貴な電位を印加することによって、前記パラジウム含有粒子の表面に銅を析出させる工程である。
(2) Copper deposition step In the copper deposition step, copper is deposited on the surface of the palladium-containing particles by applying a potential higher than the redox potential of copper to the palladium-containing particles in the copper ion-containing electrolyte. It is a process.

図3は、本発明のコアシェル触媒の製造方法において使用可能な合成装置の一例を模式的に示す斜視図である。
図3に示す合成装置20は、反応容器1、参照極4、対極5、対極用コンパートメント6及び攪拌子7を有している。
反応容器1は、Ti製であり、作用極としても機能する。反応容器1の表面はRuOでコーティングされており、耐腐食性が付与されている。反応容器1内には、結晶子サイズが、5〜8.5nmであるパラジウム含有粒子2と、銅イオンを含有する電解液3とが収容されている。反応容器1に収容されたパラジウム含有粒子2と電解液3は、攪拌子7での攪拌が可能となっている。
参照極4及び対極5は、白金線8により吊るされ、電解液3に十分に浸かるように配置されている。作用極でもある反応容器1、参照極4及び対極5が電位制御装置(例えば、ポテンショスタット等。図示せず)と電気的に接続され、作用極の電位が制御できるようになっている。なお、参照極4及び対極5は、白金線8を介して電位制御装置に接続されている。対極5は、電解液3中のパラジウム含有粒子2が対極5に接触するのを防ぐため、ガラス製の対極用コンパートメント6内に収容された状態で電解液3に浸漬されている。対極用コンパートメント6は、底部が多孔性のガラスフリットにより形成されており、対極5と電解液3との接触性が確保されている。
FIG. 3 is a perspective view schematically showing an example of a synthesis apparatus that can be used in the method for producing a core-shell catalyst of the present invention.
A synthesis apparatus 20 shown in FIG. 3 includes a reaction vessel 1, a reference electrode 4, a counter electrode 5, a counter electrode compartment 6, and a stirrer 7.
The reaction vessel 1 is made of Ti and functions as a working electrode. The surface of the reaction vessel 1 is coated with Ru 2 O to give corrosion resistance. In the reaction vessel 1, palladium-containing particles 2 having a crystallite size of 5 to 8.5 nm and an electrolytic solution 3 containing copper ions are accommodated. The palladium-containing particles 2 and the electrolytic solution 3 accommodated in the reaction vessel 1 can be stirred with the stirring bar 7.
The reference electrode 4 and the counter electrode 5 are suspended by a platinum wire 8 and are disposed so as to be sufficiently immersed in the electrolytic solution 3. The reaction vessel 1, the reference electrode 4 and the counter electrode 5 which are also working electrodes are electrically connected to a potential control device (for example, a potentiostat or the like, not shown) so that the potential of the working electrode can be controlled. The reference electrode 4 and the counter electrode 5 are connected to a potential control device via a platinum wire 8. In order to prevent the palladium-containing particles 2 in the electrolytic solution 3 from coming into contact with the counter electrode 5, the counter electrode 5 is immersed in the electrolytic solution 3 while being accommodated in a glass counter electrode compartment 6. The counter electrode compartment 6 is formed of a porous glass frit at the bottom, and the contact property between the counter electrode 5 and the electrolytic solution 3 is ensured.

銅イオン含有電解液としては、パラジウム含有粒子の表面にCu−UPDによって銅を析出させることができる電解液であれば特に限定されない。銅イオン含有電解液は、通常、溶媒に銅塩を所定量溶かしたものから構成されるが、特にこの構成に限定されず、銅イオンの一部又は全部が液中に解離して存在している電解液であればよい。
銅イオン含有電解液に用いられる溶媒としては、水、有機溶媒が挙げられるが、パラジウム含有粒子の表面への銅の析出を妨げないという観点から、水が好ましい。
銅イオン含有電解液に用いられる銅塩としては、具体的には、硫酸銅、硝酸銅、塩化銅、亜塩素酸銅、過塩素酸銅、シュウ酸銅等が挙げられる。
電解液中において、銅イオン濃度は、特に限定されないが、10〜1000mMであることが好ましい。
銅イオン含有電解液には、上記溶媒及び銅塩の他にも、例えば、酸等を含んでいてもよい。銅イオンを含有する電解液に添加できる酸としては、具体的には、硫酸、硝酸、塩酸、亜塩素酸、過塩素酸、シュウ酸等が挙げられる。なお、銅イオン含有電解液中の対アニオンと、酸中の対アニオンとは、同一であってもよく、異なっていてもよい。
また、電解液は、予め、不活性ガスをバブリングしておくことが好ましい。パラジウム含有粒子の酸化を抑制し、白金含有シェルによる均一な被覆が可能となるからである。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス等を用いることができる。
The electrolytic solution containing copper ions is not particularly limited as long as the electrolytic solution can deposit copper on the surface of the palladium-containing particles by Cu-UPD. The copper ion-containing electrolytic solution is usually composed of a predetermined amount of copper salt dissolved in a solvent, but is not particularly limited to this configuration, and some or all of the copper ions are dissociated and exist in the liquid. Any electrolyte solution may be used.
Examples of the solvent used for the copper ion-containing electrolytic solution include water and organic solvents, but water is preferable from the viewpoint of not preventing the precipitation of copper on the surface of the palladium-containing particles.
Specific examples of the copper salt used in the copper ion-containing electrolyte include copper sulfate, copper nitrate, copper chloride, copper chlorite, copper perchlorate, and copper oxalate.
In the electrolytic solution, the copper ion concentration is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 mM.
In addition to the solvent and copper salt, the copper ion-containing electrolytic solution may contain, for example, an acid or the like. Specific examples of the acid that can be added to the electrolytic solution containing copper ions include sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, chlorous acid, perchloric acid, and oxalic acid. The counter anion in the copper ion-containing electrolyte and the counter anion in the acid may be the same or different.
In addition, it is preferable that an inert gas is bubbled in advance in the electrolytic solution. This is because the oxidation of the palladium-containing particles is suppressed and uniform coating with the platinum-containing shell becomes possible. Nitrogen gas, argon gas, etc. can be used as the inert gas.

パラジウム含有粒子は、粉末状態で電解液に添加することによって電解液に浸漬、分散させてもよいし、予め、溶媒に分散させてパラジウム含有粒子分散液を調製し、該パラジウム含有粒子分散液を電解液に添加することによって電解液に浸漬、分散させてもよい。パラジウム含有粒子分散液に用いられる溶媒は、上述の銅イオン含有電解液に用いられる溶媒と同様のものを用いることができる。また、パラジウム含有粒子分散液は、銅イオン含有電解液に添加可能な上記酸を含有していてもよい。
また、導電性基材上や作用極上にパラジウム含有粒子を固定し、導電性基材や作用極のパラジウム含有粒子固定面を、電解液に浸漬してもよい。パラジウム含有粒子を固定する方法としては、例えば、電解質樹脂(例えばナフィオン(登録商標)等)と、水やアルコール等の溶媒とを用いて、パラジウム含有粒子ペーストを調製し、導電性基材や作用極の表面に塗布する方法が挙げられる。
The palladium-containing particles may be immersed and dispersed in the electrolytic solution by adding to the electrolytic solution in a powder state. Alternatively, the palladium-containing particles are previously dispersed in a solvent to prepare a palladium-containing particle dispersion. You may immerse and disperse | distribute to electrolyte solution by adding to electrolyte solution. As the solvent used in the palladium-containing particle dispersion, the same solvents as those used in the above-described copper ion-containing electrolytic solution can be used. Moreover, the palladium-containing particle dispersion may contain the acid that can be added to the copper ion-containing electrolyte.
Alternatively, the palladium-containing particles may be fixed on the conductive base material or the working electrode, and the palladium-containing particle fixing surface of the conductive base material or the working electrode may be immersed in the electrolytic solution. As a method for fixing the palladium-containing particles, for example, a palladium-containing particle paste is prepared using an electrolyte resin (for example, Nafion (registered trademark)) and a solvent such as water or alcohol, and the conductive substrate or the action. The method of apply | coating to the surface of a pole is mentioned.

パラジウム含有粒子に電位を印加する方法は、特に限定されず、一般的な方法を採用することができる。例えば、銅イオン含有電解液中に、作用極、対極及び参照極を浸漬させ、作用極に電位を印加する方法が挙げられる。
作用極としては、例えば、チタン、白金メッシュ、白金板、金板等の金属材料、グラッシーカーボン、カーボン板等の導電性炭素材料等の導電性が担保できる材料を用いることができる。なお、反応容器を上記導電性材料で形成し、作用極としても機能させることもできる。金属材料の反応容器を作用極として用いる場合、反応容器の内壁には、腐食を抑制する観点から、RuOをコーティングすることが好ましい。炭素材料の反応容器を作用極として用いる場合は、コーティング無しでそのまま使用することが可能である。
対極としては、例えば、白金メッシュに白金黒をめっきしたもの及び導電性炭素繊維等を用いることができる。
参照極としては、可逆水素電極(reversible hydrogen electrode;RHE)、銀−塩化銀電極及び銀−塩化銀−塩化カリウム電極等を用いることができる。
電位制御装置としては、ポテンショスタット及びポテンショガルバノスタット等を用いることができる。
The method for applying a potential to the palladium-containing particles is not particularly limited, and a general method can be adopted. For example, a method in which a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode are immersed in a copper ion-containing electrolytic solution, and a potential is applied to the working electrode.
As the working electrode, for example, a metal material such as titanium, platinum mesh, platinum plate, or gold plate, a conductive carbon material such as glassy carbon, carbon plate, or the like that can ensure conductivity can be used. Note that the reaction vessel may be formed of the above conductive material and function as a working electrode. When using a reaction vessel made of a metal material as a working electrode, it is preferable to coat the inner wall of the reaction vessel with RuO 2 from the viewpoint of suppressing corrosion. When a carbon material reaction vessel is used as a working electrode, it can be used as it is without coating.
As the counter electrode, for example, a platinum mesh plated with platinum black and conductive carbon fiber can be used.
As the reference electrode, a reversible hydrogen electrode (RHE), a silver-silver chloride electrode, a silver-silver chloride-potassium chloride electrode, or the like can be used.
As the potential control device, a potentiostat, a potentiogalvanostat, or the like can be used.

印加する電位は、パラジウム含有粒子の表面に銅を析出させることができる電位、すなわち、銅の酸化還元電位よりも貴な電位であれば、特に限定されないが、例えば、0.35〜0.7V(vs.RHE)の範囲内であることが好ましく、0.4V(vs.RHE)であることが特に好ましい。
電位を印加する時間は、特に限定されないが、60分以上行うことが好ましく、反応電流が定常となり、ゼロに近づくまで行なうことがより好ましい。
電位の印加は、上記電位範囲を含む範囲において電位を掃引することによって行ってもよい。掃引する電位範囲としては、具体的には、0.3〜0.8V(vs.RHE)であることが好ましい。
電位掃引のサイクル数は、特に限定されないが、1〜10000サイクルであることが好ましい。また、電位の掃引速度は、例えば、0.01〜100mV/秒である。
The potential to be applied is not particularly limited as long as it is a potential at which copper can be deposited on the surface of the palladium-containing particles, that is, a potential nobler than the oxidation-reduction potential of copper. It is preferably within the range of (vs. RHE), particularly preferably 0.4 V (vs. RHE).
The time for applying the potential is not particularly limited, but is preferably 60 minutes or more, and more preferably until the reaction current becomes steady and approaches zero.
The application of the potential may be performed by sweeping the potential in a range including the potential range. Specifically, the potential range to be swept is preferably 0.3 to 0.8 V (vs. RHE).
The number of potential sweep cycles is not particularly limited, but is preferably 1 to 10,000 cycles. The potential sweep rate is, for example, 0.01 to 100 mV / sec.

銅析出工程は、パラジウム含有粒子の表面の酸化防止や銅の酸化防止の観点から、窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気下で行なうのが好ましい。
また、銅析出工程において、銅イオン含有電解液は、必要に応じて適宜攪拌することが好ましい。例えば、作用極を兼ねる反応容器を用い、該反応容器内の電解液にパラジウム含有粒子を浸漬、分散させた場合、電解液を攪拌することで、各パラジウム含有粒子を作用極である反応容器の表面に接触させ、各パラジウム含有粒子に均一に電位を印加させることができる。この場合、攪拌は、銅析出工程中、連続的に行ってもよいし、断続的に行ってもよい。
The copper precipitation step is preferably performed in an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere from the viewpoint of preventing oxidation of the surface of the palladium-containing particles and preventing oxidation of copper.
In the copper deposition step, it is preferable that the copper ion-containing electrolyte is appropriately stirred as necessary. For example, when a reaction vessel that also serves as a working electrode is used and palladium-containing particles are immersed and dispersed in the electrolytic solution in the reaction vessel, each of the palladium-containing particles is mixed with the reaction vessel that is the working electrode by stirring the electrolytic solution. The surface can be contacted and a potential can be uniformly applied to each palladium-containing particle. In this case, stirring may be performed continuously or intermittently during the copper deposition step.

(3)置換工程
置換工程は、前記銅析出工程後、前記パラジウム含有粒子の表面に析出した前記銅に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、前記パラジウム含有粒子の表面に析出した前記銅を白金に置換することによって前記シェルを形成する工程である。
置換工程において、パラジウム含有粒子の表面に析出した銅に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、イオン化傾向の違いにより、銅と白金とを置換することができる。
(3) Substitution step The substitution step is a step of bringing the copper deposited on the surface of the palladium-containing particles into contact with the copper deposited on the surface of the palladium-containing particles by bringing a platinum ion-containing solution into contact therewith. The step of forming the shell by substituting platinum.
In the substitution step, copper and platinum can be substituted due to the difference in ionization tendency by bringing the platinum ion-containing solution into contact with copper deposited on the surface of the palladium-containing particles.

本発明におけるシェルには、白金及び白金合金が含まれる。
白金合金としては、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケル及び金からなる群より選ばれる金属材料との合金等が挙げられ、白金合金を構成する白金以外の金属は1種でも2種以上でもよい。
白金合金は、合金全体の質量を100質量%としたときの白金の含有割合が90質量%以上であることが好ましい。白金の含有割合が90質量%未満であるとすると、十分な触媒活性及び耐久性が得られないからである。
白金イオン含有溶液に用いられる白金塩は、例えば、KPtCl、KPtCl等を用いることができ、また、([PtCl][Pt(NH])等のアンモニア錯体を用いることもできる。
白金イオン含有溶液中において白金イオン濃度は特に限定されないが、0.01〜100mMであることが好ましい。
白金イオン含有溶液に用いることができる溶媒は、上述した銅イオンを含有する電解液に用いられる溶媒と同様とすることができる。また、白金イオン含有溶液には、上記溶媒及び白金塩の他にも、例えば、酸等を含んでいてもよい。酸としては、具体的には、硫酸、硝酸、塩酸、亜塩素酸、過塩素酸、シュウ酸等が挙げられる。
白金イオン含有溶液は、事前に十分に攪拌し、パラジウム含有粒子の表面の酸化防止や、銅の酸化防止の観点から、当該溶液中には予め窒素をバブリングさせることが好ましい。
置換時間(白金イオン含有溶液とパラジウム含有粒子との接触時間)は、特に限定されないが、10分以上確保することが好ましく、白金イオン含有溶液を加えていくと、反応溶液の電位が上昇していくため、そのモニター電位が変化しなくなるまで置換させることがより好ましい。
なお、銅析出工程と置換工程とを、同じ反応容器内で行う場合には、銅析出工程に使用した電解液に、白金イオン含有溶液を加えてもよい。例えば、銅析出工程後、電位制御を停止し、銅析出工程において使用した銅イオン含有電解液に、白金イオン含有溶液を添加することで、銅が析出したパラジウム含有粒子を白金イオン含有溶液に接触させてもよい。
The shell in the present invention includes platinum and a platinum alloy.
Examples of the platinum alloy include an alloy with a metal material selected from the group consisting of iridium, ruthenium, rhodium, nickel and gold. The metal other than platinum constituting the platinum alloy may be one kind or two or more kinds.
The platinum alloy preferably has a platinum content of 90% by mass or more when the mass of the entire alloy is 100% by mass. This is because if the platinum content is less than 90% by mass, sufficient catalytic activity and durability cannot be obtained.
As the platinum salt used in the platinum ion-containing solution, for example, K 2 PtCl 4 , K 2 PtCl 6 or the like can be used, and an ammonia complex such as ([PtCl 4 ] [Pt (NH 3 ) 4 ]) can be used. It can also be used.
The platinum ion concentration in the platinum ion-containing solution is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 100 mM.
The solvent that can be used in the platinum ion-containing solution can be the same as the solvent used in the electrolytic solution containing copper ions described above. Further, the platinum ion-containing solution may contain, for example, an acid or the like in addition to the solvent and the platinum salt. Specific examples of the acid include sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, chlorous acid, perchloric acid, and oxalic acid.
The platinum ion-containing solution is sufficiently stirred in advance, and nitrogen is preferably bubbled into the solution in advance from the viewpoint of preventing oxidation of the palladium-containing particles and preventing oxidation of copper.
The replacement time (contact time between the platinum ion-containing solution and the palladium-containing particles) is not particularly limited, but it is preferable to ensure 10 minutes or more. As the platinum ion-containing solution is added, the potential of the reaction solution increases. Therefore, it is more preferable to substitute until the monitor potential does not change.
In addition, when performing a copper precipitation process and a substitution process within the same reaction container, you may add a platinum ion containing solution to the electrolyte solution used for the copper precipitation process. For example, after the copper deposition step, the potential control is stopped, and the platinum-containing solution is added to the copper ion-containing electrolyte used in the copper deposition step, so that the palladium-containing particles on which the copper is deposited are brought into contact with the platinum ion-containing solution. You may let them.

(4)洗浄工程
洗浄工程は、置換工程後、コアシェル触媒を洗浄する工程である。
コアシェル触媒の洗浄は、製造されたコアシェル触媒のコアシェル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濾過をする方法が挙げられる。
(4) Washing process The washing process is a process of washing the core-shell catalyst after the replacement process.
The washing of the core-shell catalyst is not particularly limited as long as it can remove impurities without impairing the core-shell structure of the produced core-shell catalyst. As an example of the cleaning, a method of suction filtration using water, perchloric acid, dilute sulfuric acid, dilute nitric acid or the like can be mentioned.

(5)乾燥工程
乾燥工程は、置換工程後、得られたコアシェル触媒を乾燥させる工程である。
コアシェル触媒の乾燥は、溶媒等を除去できる方法であれば特に限定されず、例えば、不活性ガス雰囲気下、50〜100℃の温度を6〜12時間保持させる方法等が挙げられる。
コアシェル触媒は必要に応じて粉砕してもよい。粉砕方法は、固形物を粉砕できる方法であれば特に限定されない。当該粉砕の例としては、不活性ガス雰囲気下、或いは大気下における乳鉢等を用いた粉砕や、ボールミル、ターボミル、ジェットミル等のメカニカルミリングが挙げられる。
(5) Drying step The drying step is a step of drying the obtained core-shell catalyst after the substitution step.
The drying of the core-shell catalyst is not particularly limited as long as it is a method capable of removing a solvent and the like, and examples thereof include a method of maintaining a temperature of 50 to 100 ° C. for 6 to 12 hours in an inert gas atmosphere.
The core-shell catalyst may be pulverized as necessary. The pulverization method is not particularly limited as long as it is a method capable of pulverizing solids. Examples of the pulverization include pulverization using an inert gas atmosphere or mortar in the atmosphere, and mechanical milling such as a ball mill, a turbo mill, and a jet mill.

(実施例1)
[準備工程]
直径15cmのTi製円筒状容器であって、表面をRuOでコーティングしたものを反応容器として用いた。この反応容器を作用極としても機能させた。
対極として、白金メッシュに白金黒をめっきしたものを準備した、対極は、底にフリットガラスの付いたコンパートメントに入れて、ポリエチレンフロートで反応容器に設置した。
参照極として、Ag/AgCl/KCl(3M)電極(Cypress Systems社製)を使用した。
0.05M硫酸0.55Lを作用極である反応容器に入れた。なお、硫酸は事前に窒素でバブリングしておいた。
作用極である反応容器、参照極及び対極には、外部から電位制御装置としてポテンショスタットをつないで、電位を制御できるようにした。
反応容器内の硫酸を窒素でバブリングしながら、パラジウム担持カーボン(以下、Pd/Cということがある)を反応容器に入れ、分散させた。サイクリックボルタンメトリー(CV)を電位範囲0.05〜1.2V(vs.RHE)、三角波、電位サイクル数1200サイクル、電位の掃引速度100mV/秒で実施し、パラジウム粒子の結晶子サイズを制御した。なお、Ag/AgCl/KCl(3M)電極の電位はRHEへ換算して記載した。
CV処理後、Pd/Cの一部を採取し、10質量%のシリコン粉末(NIST640b)を添加し、メノウ乳鉢で混合して、パラジウム粒子についてXRD測定を行った。XRD測定結果を図4に示す。
XRD測定条件は、以下の通りである。
・装置:株式会社リガク製 RINT−TTRIII型広角X線回折装置
・X線源:CuKα線
・管電圧−管電流:50kV−300mA
・ステップ幅:0.01deg
・測定速度:1秒/step
・スリット系:0.5deg−0.15mm−0.5deg
・モノクロメータ:回折線湾曲結晶モノクロメータ
結晶子サイズは、図4に示される2θ=40°付近の(111)面ピークの半値幅よりシェラーの式を用いて算出した。なお、図4に示される2θ=47°付近のピークは(200)面ピークである。得られたパラジウム粒子の結晶子サイズは、5.7nmであった。
また、得られたパラジウム粒子の平均粒径をTEM写真から求めた。得られたパラジウム粒子の平均粒径は3.1nmであった。
(Example 1)
[Preparation process]
A Ti cylindrical container having a diameter of 15 cm and having a surface coated with RuO 2 was used as a reaction container. This reaction vessel was also functioned as a working electrode.
As a counter electrode, a platinum mesh plated with platinum black was prepared. The counter electrode was placed in a compartment with a frit glass on the bottom and placed in a reaction vessel with a polyethylene float.
An Ag / AgCl / KCl (3M) electrode (manufactured by Cypress Systems) was used as a reference electrode.
0.055 L of 0.05 M sulfuric acid was placed in a reaction vessel serving as a working electrode. The sulfuric acid was previously bubbled with nitrogen.
The reaction vessel, reference electrode, and counter electrode, which are working electrodes, were connected to a potentiostat as a potential control device from the outside so that the potential could be controlled.
While bubbling sulfuric acid in the reaction vessel with nitrogen, palladium-supported carbon (hereinafter sometimes referred to as Pd / C) was placed in the reaction vessel and dispersed. Cyclic voltammetry (CV) was performed at a potential range of 0.05 to 1.2 V (vs. RHE), a triangular wave, a potential cycle number of 1200 cycles, and a potential sweep rate of 100 mV / sec to control the crystallite size of the palladium particles. . The potential of the Ag / AgCl / KCl (3M) electrode is described in terms of RHE.
After the CV treatment, a part of Pd / C was collected, 10% by mass of silicon powder (NIST640b) was added, mixed in an agate mortar, and XRD measurement was performed on palladium particles. The XRD measurement results are shown in FIG.
The XRD measurement conditions are as follows.
・ Device: Rigaku Corporation RINT-TTRIII type wide angle X-ray diffractometer ・ X-ray source: CuKα ray ・ Tube voltage-Tube current: 50 kV-300 mA
-Step width: 0.01 deg
・ Measurement speed: 1 second / step
・ Slit system: 0.5 deg-0.15 mm-0.5 deg
Monochromator: Diffraction line curved crystal monochromator The crystallite size was calculated using the Scherrer formula from the half-value width of the (111) plane peak near 2θ = 40 ° shown in FIG. The peak near 2θ = 47 ° shown in FIG. 4 is a (200) plane peak. The crystallite size of the obtained palladium particles was 5.7 nm.
Moreover, the average particle diameter of the obtained palladium particle | grains was calculated | required from the TEM photograph. The average particle diameter of the obtained palladium particles was 3.1 nm.

[銅析出工程]
準備工程に続いて、反応容器内の硫酸を窒素でバブリングしながら、硫酸銅5水和物を反応溶液に加え、銅イオン濃度が50mMになるように調整した。
そして、作用極である反応容器の電位を0.4V(vs.RHE)に固定し、Pd/Cのパラジウム粒子上に銅を析出させた。時々、攪拌子(スターラー)で反応容器内を攪拌した。0.4Vの印加は、反応電流が定常となり、ゼロに近づくまで行なった。
[Copper deposition process]
Following the preparation step, copper sulfate pentahydrate was added to the reaction solution while bubbling sulfuric acid in the reaction vessel with nitrogen, and the copper ion concentration was adjusted to 50 mM.
Then, the potential of the reaction vessel as the working electrode was fixed to 0.4 V (vs. RHE), and copper was deposited on the palladium particles of Pd / C. Occasionally, the reaction vessel was stirred with a stir bar. Application of 0.4 V was performed until the reaction current became steady and approached zero.

[置換工程]
銅析出工程に続いて、0.4V(vs.RHE)の電位制御を止め、反応容器内の溶液を攪拌子で攪拌しながら、KPtClの硫酸溶液をゆっくり投入し、パラジウム粒子上の銅を白金に置換した。なお、KPtClの硫酸溶液は、白金イオン濃度が2mMとなるようにKPtClを0.05M硫酸溶液500mLに溶解させて調製した。また、KPtClの硫酸溶液は、反応容器に投入する前に予め窒素バブリングしておいた。
[Replacement process]
Following the copper precipitation step, the potential control of 0.4 V (vs. RHE) was stopped, and while stirring the solution in the reaction vessel with a stirrer, a sulfuric acid solution of K 2 PtCl 4 was slowly added to the palladium particles. Copper was replaced with platinum. Incidentally, sulfuric acid solution of K 2 PtCl 4 is a platinum ion concentration was prepared by the K 2 PtCl 4 dissolved in 0.05M sulfuric acid solution 500mL such that 2 mM. Further, the sulfuric acid solution of K 2 PtCl 4 was previously bubbled with nitrogen before being put into the reaction vessel.

[洗浄工程、乾燥工程]
置換工程後、反応容器内の溶液を濾過し、粉末を回収した。回収した粉末を、常温純水4Lを10回に分けて加え、その都度濾過し、洗浄した。
その後、12時間、60℃で乾燥し、メノウ乳鉢と乳棒を用いて粉砕し、コアシェル触媒を得た。
[Washing process, drying process]
After the replacement step, the solution in the reaction vessel was filtered to recover the powder. The collected powder was added with 4 L of room temperature pure water in 10 portions, and filtered and washed each time.
Then, it dried at 60 degreeC for 12 hours, and grind | pulverized using the agate mortar and the pestle, and obtained the core-shell catalyst.

(実施例2)
準備工程においてCVを電位サイクル数2500サイクルで実施し、平均粒径5.4nm、結晶子サイズ7.5nmのパラジウム粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様にしてコアシェル触媒を製造した。実施例2におけるパラジウム粒子のXRD測定結果を図5に示す。
(Example 2)
A core-shell catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that CV was carried out at a potential cycle number of 2500 in the preparation step, and palladium particles having an average particle size of 5.4 nm and a crystallite size of 7.5 nm were prepared. The XRD measurement result of the palladium particles in Example 2 is shown in FIG.

(比較例1)
準備工程においてCVを実施せず、平均粒径2.8nm、結晶子サイズ4.7nmのパラジウム粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様にしてコアシェル触媒を製造した。比較例1におけるパラジウム粒子のXRD測定結果を図6に示す。
(Comparative Example 1)
A core-shell catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that CV was not performed in the preparation step and palladium particles having an average particle size of 2.8 nm and a crystallite size of 4.7 nm were prepared. The XRD measurement result of the palladium particles in Comparative Example 1 is shown in FIG.

(比較例2)
準備工程においてCVを実施せず、不活性雰囲気下、600℃、1時間焼成し、平均粒径8.1nm、結晶子サイズ9.9nmのパラジウム粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様にしてコアシェル触媒を製造した。比較例2におけるパラジウム粒子のXRD測定結果を図7に示す。
(Comparative Example 2)
The same as in Example 1 except that CV was not performed in the preparation step, and calcined in an inert atmosphere at 600 ° C. for 1 hour to prepare palladium particles having an average particle size of 8.1 nm and a crystallite size of 9.9 nm. Thus, a core-shell catalyst was produced. The XRD measurement result of the palladium particles in Comparative Example 2 is shown in FIG.

[質量活性評価]
実施例1〜2、比較例1〜2で得られたコアシェル触媒をそれぞれ30mgずつ採取し、それぞれのコアシェル触媒を、5%ナフィオン(登録商標)分散液131.25μL、超純水30mL、及びイソプロパノール7.5mLの混合溶液に分散し、触媒インクを作製した。当該触媒インクを回転ディスク電極(RDE)のグラッシーカーボン電極上に塗布し、自然乾燥させた。
そして、それぞれのコアシェル触媒について酸素還元反応(ORR)測定を行った。
ORR測定条件を下記に示す。
・電解液:0.1M 過塩素酸水溶液(事前に酸素ガスを30mL/分で30分以上バブリングし酸素飽和したもの)
・雰囲気:酸素雰囲気下
・掃引速度:10mV/秒
・電位掃引範囲:0.1〜1.05V(vs.RHE)
・回転数:1600rpm
ORR測定により得られた酸素還元波からそれぞれのコアシェル触媒における白金の単位質量当たりの触媒活性(MA)を測定した。
なお、コアシェル触媒における白金の単位質量当たりの触媒活性は、ORR測定により得られた酸素還元波において、0.9V(vs.RHE)の電流値を酸素還元電流(I0.9)、0.3V(vs.RHE)の電流値を拡散限界電流(Ilim)とし、次式(2)から活性化支配電流(Ik)を求め、グラッシーカーボン電極上に塗布したコアシェル触媒に含まれる白金量(g)でIk(A)を除して白金の単位質量当たりの触媒活性(A/g−Pt)を算出した。
[式(2)]
Ik=(Ilim×I0.9)/(Ilim−I0.9
上記式(2)において各符号の意味は次の通りである。
Ik:活性化支配電流(A)
lim:拡散限界電流(A)
0.9:酸素還元電流(A)
[Mass activity evaluation]
30 mg each of the core-shell catalysts obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were collected, and 131.25 μL of 5% Nafion (registered trademark) dispersion, 30 mL of ultrapure water, and isopropanol were collected. A catalyst ink was prepared by dispersing in 7.5 mL of the mixed solution. The catalyst ink was applied onto a glassy carbon electrode of a rotating disk electrode (RDE) and allowed to dry naturally.
And the oxygen reduction reaction (ORR) measurement was performed about each core-shell catalyst.
The ORR measurement conditions are shown below.
・ Electrolyte: 0.1M perchloric acid aqueous solution (Oxygen saturated in advance by bubbling oxygen gas at 30mL / min for 30 minutes or more)
-Atmosphere: Under oxygen atmosphere-Sweep speed: 10 mV / sec-Potential sweep range: 0.1-1.05 V (vs. RHE)
・ Rotation speed: 1600 rpm
From the oxygen reduction wave obtained by ORR measurement, the catalytic activity (MA) per unit mass of platinum in each core-shell catalyst was measured.
In addition, the catalytic activity per unit mass of platinum in the core-shell catalyst is determined by using an oxygen reduction wave obtained by ORR measurement with a current value of 0.9 V (vs. RHE) as an oxygen reduction current (I 0.9 ), 0. The current value of 3 V (vs. RHE) is defined as the diffusion limit current (I lim ), the activation dominant current (Ik) is obtained from the following formula (2), and the amount of platinum contained in the core-shell catalyst coated on the glassy carbon electrode ( The catalyst activity per unit mass of platinum (A / g-Pt) was calculated by dividing Ik (A) by g).
[Formula (2)]
Ik = (I lim × I 0.9 ) / (I lim −I 0.9 )
In the above formula (2), the meaning of each symbol is as follows.
Ik: Activation dominant current (A)
I lim : diffusion limit current (A)
I 0.9 : Oxygen reduction current (A)

[電気化学表面積]
実施例1〜2、比較例1〜2で得られたコアシェル触媒についてサイクリックボルタンメトリー(CV)測定を実施し、コアシェル触媒の電気化学表面積(ECSA)を算出した。
上記質量活性評価と同様の方法で触媒インクを作製し、当該触媒インクをグラッシーカーボン電極(RDE)に塗布、乾燥し、CV測定を実施した。
CV測定条件を下記に示す。
・電解液:0.1M 過塩素酸水溶液(事前にArガスを30mL/分で30分以上バブリングし、Ar飽和させたもの)
・雰囲気:Ar雰囲気下
・掃引速度:50mV/秒
・電位掃引範囲:0.05〜1.2V(vs.RHE)
得られたサイクリックボルタモグラムから水素脱着ピークの電荷量(C)を積算した。
また、グラッシーカーボン電極に塗布した触媒インクの濃度と塗布量から白金の質量(g)を算出した。
水素脱着ピークの電荷量(C)を白金の単位活性表面積当たりの電荷量(C/m)と白金の質量(g)で割った値から、白金の電気化学表面積(m/g−Pt)を算出した。
[Electrochemical surface area]
Cyclic voltammetry (CV) measurement was implemented about the core-shell catalyst obtained in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2, and the electrochemical surface area (ECSA) of the core-shell catalyst was computed.
A catalyst ink was prepared by the same method as the mass activity evaluation, and the catalyst ink was applied to a glassy carbon electrode (RDE) and dried, and CV measurement was performed.
CV measurement conditions are shown below.
Electrolyte: 0.1M perchloric acid aqueous solution (Ar gas was bubbled at 30 mL / min for 30 minutes or more in advance and saturated with Ar)
-Atmosphere: Under Ar atmosphere-Sweep speed: 50 mV / sec-Potential sweep range: 0.05 to 1.2 V (vs. RHE)
From the obtained cyclic voltammogram, the charge amount (C) of the hydrogen desorption peak was integrated.
Further, the mass (g) of platinum was calculated from the concentration and coating amount of the catalyst ink applied to the glassy carbon electrode.
From the value obtained by dividing the charge amount (C) of the hydrogen desorption peak by the charge amount per unit active surface area of platinum (C / m 2 ) and the mass of platinum (g), the electrochemical surface area of platinum (m 2 / g-Pt ) Was calculated.

[比活性]
実施例1〜2、比較例1〜2で得られたコアシェル触媒について、白金の単位質量当たりの触媒活性(A/g−Pt)を白金の電気化学表面積(m/g−Pt)で除することによって、白金の表面積当たり触媒活性(A/m)を算出した。結果を図8に示す。
図8に示すように、結晶子サイズが5〜8.5nmのパラジウム粒子を用いた実施例1、2のコアシェル触媒は比活性が4A/mを超えて高いことがわかる。一方、結晶子サイズが5nm未満のパラジウム粒子を用いた比較例1、結晶子サイズが8.5nmを超えるパラジウム粒子を用いた比較例2のコアシェル触媒は比活性が4A/mを下回って低いことがわかる。
[Specific activity]
For the core-shell catalysts obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the catalytic activity per unit mass of platinum (A / g-Pt) is divided by the electrochemical surface area of platinum (m 2 / g-Pt). The catalytic activity per platinum surface area (A / m 2 ) was calculated. The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 8, it can be seen that the core-shell catalysts of Examples 1 and 2 using palladium particles having a crystallite size of 5 to 8.5 nm have a high specific activity exceeding 4 A / m 2 . On the other hand, the core-shell catalyst of Comparative Example 1 using palladium particles having a crystallite size of less than 5 nm and Comparative Example 2 using palladium particles having a crystallite size exceeding 8.5 nm has a specific activity lower than 4 A / m 2. I understand that.

1 反応容器
2 パラジウム含有粒子
3 電解液
4 参照極
5 対極
6 対極用コンパートメント
7 攪拌子(スターラー)
8 白金線
20 合成装置
1 reaction vessel 2 palladium-containing particles 3 electrolyte 4 reference electrode 5 counter electrode 6 counter electrode compartment 7 stirrer (stirrer)
8 Platinum wire 20 Synthesizer

Claims (2)

パラジウムを含むコアと、白金を含み且つ前記コアを被覆するシェルと、を備えるコアシェル触媒の製造方法であって、
X線回折測定結果として2θ=40°±1°にピークを有し、前記2θ=40°±1°におけるピークの半値幅からScherrer法により求められる結晶子サイズが、5〜8.5nmであるパラジウム含有粒子を準備する工程と、
銅イオン含有電解液中において、前記パラジウム含有粒子に銅の酸化還元電位よりも貴な電位を印加することによって、前記パラジウム含有粒子の表面に銅を析出させる銅析出工程と、
前記銅析出工程後、前記パラジウム含有粒子の表面に析出した前記銅に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、前記パラジウム含有粒子の表面に析出した前記銅を白金に置換することによって前記シェルを形成する置換工程と、を有することを特徴とするコアシェル触媒の製造方法。
A core-shell catalyst manufacturing method comprising: a core containing palladium; and a shell containing platinum and covering the core,
The X-ray diffraction measurement result has a peak at 2θ = 40 ° ± 1 °, and the crystallite size determined by the Scherrer method from the half-value width of the peak at 2θ = 40 ° ± 1 ° is 5 to 8.5 nm. Preparing palladium-containing particles;
In the copper ion-containing electrolyte, by applying a potential nobler than the copper redox potential to the palladium-containing particles, a copper deposition step of depositing copper on the surface of the palladium-containing particles,
After the copper deposition step, the copper deposited on the surface of the palladium-containing particles is contacted with a platinum ion-containing solution, thereby replacing the copper deposited on the surface of the palladium-containing particles with platinum. A core shell catalyst production method comprising: a substitution step to be formed.
前記パラジウム含有粒子が担体に担持されている、請求項1に記載のコアシェル触媒の製造方法。   The manufacturing method of the core-shell catalyst of Claim 1 with which the said palladium containing particle | grain is carry | supported by the support | carrier.
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