JP2015199002A - Apparatus and method for production of core-shell catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コアシェル触媒製造装置及びコアシェル触媒の製造方法に関する。 The present invention relates to a core-shell catalyst manufacturing apparatus and a core-shell catalyst manufacturing method.
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には、アンダーポテンシャル析出(UPD)を応用した置換メッキにより、燃料電池用電極触媒として注目されているコア及び当該コアを被覆するシェルを備えるコアシェル触媒を製造する方法が記載されている。
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 oxidant electrode of a fuel cell by combining platinum with a cheaper metal.
For example, Patent Document 1 describes a method of manufacturing a core-shell catalyst including a core that is attracting attention as an electrode catalyst for a fuel cell and a shell that covers the core by displacement plating using underpotential deposition (UPD). ing.
アンダーポテンシャル析出(UPD)は、コア金属よりも相対的に卑である金属(以下、相対的卑金属と称する)と結合力の強いコア金属(例えばPd)材料表面に、相対的卑金属の酸化還元電位よりも貴な電位で、相対的卑金属の単原子層が形成される現象である。
表面にUPDにより相対的卑金属原子層が形成されたコア金属材料を、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相対的卑金属(例えばCu)をシェル金属(例えばPt)で置換することによって、コア金属材料表面をシェル金属含有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。
UPDや、UPDの前処理としてコア金属材料の表面の酸化膜や不純物を除去する場合、作用極と白金等の耐腐食性貴金属を用いた対極との間に電圧を印加することによって、対極側で水の酸化反応(2H2O→O2+4H++4e− E0=+1.23V)を起こさせる必要がある。
コアシェル触媒を大量製造するために装置を大型化すると、作用極と対極との電極間隔が広がるため、それに伴い過電圧が大きくなり、上記したような対極側での水の酸化反応を進行させることが困難になるという問題がある。
そのため、過電圧を低減させ、対極側での水の酸化反応を促進させるためには、対極面積を大きくする必要があるが、そうすると対極に使用する耐腐食性貴金属が大量に必要となり、製造コストが増大するという問題がある。
Underpotential deposition (UPD) is caused by the relative redox potential of the base metal on the surface of the core metal (for example, Pd) material having a stronger binding force than the core metal (hereinafter referred to as a relative base metal). This is a phenomenon in which a monoatomic layer of a relative base metal is formed at a more noble potential.
The core metal material having a relative base metal atomic layer formed by UPD on the surface is dipped in a solution containing shell metal ions, and the relative base metal (for example, Cu) is converted into the shell metal (for example, Pt using the difference in ionization tendency). ), A core-shell catalyst in which the surface of the core metal material is coated with a shell metal-containing shell can be produced.
When removing oxides and impurities on the surface of the core metal material as a pretreatment of UPD and UPD, by applying a voltage between the working electrode and a counter electrode using a corrosion-resistant noble metal such as platinum, the counter electrode side in water oxidation reaction (2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e - E 0 = + 1.23V) it is necessary to cause.
When the apparatus is enlarged to produce a large amount of the core-shell catalyst, the distance between the working electrode and the counter electrode is widened, so that the overvoltage increases accordingly, and the water oxidation reaction on the counter electrode side as described above can be advanced. There is a problem that it becomes difficult.
Therefore, in order to reduce overvoltage and promote the oxidation reaction of water on the counter electrode side, it is necessary to increase the counter electrode area. There is a problem of increasing.
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、電極反応時の過電圧を低減することができるコアシェル触媒の製造装置及び製造コストを低減することができるコアシェル触媒の製造方法を提供することである。 The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to produce a core-shell catalyst production apparatus capable of reducing overvoltage during electrode reaction and production of a core-shell catalyst capable of reducing production cost. Is to provide a method.
本発明のコアシェル触媒製造装置は、アンダーポテンシャル析出法により、コア金属を含むコアと、シェル金属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を製造する装置であって、
アレニウスの定義による酸性化合物を含有する酸性溶液を収容し、且つ、作用極と、参照極を備える第一の槽と、
前記酸性化合物を前記第一の槽における濃度よりも高い濃度で含有する酸性溶液を収容し、且つ、金及び白金から選ばれる貴金属を含む対極を備える第二の槽と、
前記作用極と前記参照極と前記対極の電位を制御する電位制御機構と、を有し、
前記第一の槽及び前記第二の槽が、陽イオン交換膜で互いに隔てられていることを特徴とする。
The core-shell catalyst production apparatus of the present invention is an apparatus for producing a core-shell catalyst comprising a core containing a core metal and a shell containing the shell metal and covering the core by an underpotential deposition method,
A first tank containing an acidic solution containing an acidic compound according to the definition of Arrhenius and having a working electrode and a reference electrode;
A second tank containing an acidic solution containing the acidic compound at a concentration higher than the concentration in the first tank, and having a counter electrode containing a noble metal selected from gold and platinum;
A potential control mechanism for controlling the potential of the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode;
The first tank and the second tank are separated from each other by a cation exchange membrane.
本発明のコアシェル触媒製造装置において、前記酸性化合物が、硫酸であることが好ましい。
本発明のコアシェル触媒製造装置において、前記第二の槽における前記硫酸が前記第一の槽における前記硫酸よりも10〜100倍高濃度であることが好ましい。
本発明のコアシェル触媒製造装置において、前記第一の槽が前記作用極としても機能するものであってもよい。
In the core-shell catalyst production apparatus of the present invention, the acidic compound is preferably sulfuric acid.
In the core-shell catalyst production apparatus of the present invention, it is preferable that the sulfuric acid in the second tank is 10 to 100 times higher in concentration than the sulfuric acid in the first tank.
In the core-shell catalyst production apparatus of the present invention, the first tank may function as the working electrode.
本発明のコアシェル触媒の製造方法は、コア金属を含むコアと、シェル金属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、
アレニウスの定義による酸性化合物を含有する酸性溶液を収容し、且つ、作用極と、参照極を備える第一の槽と、前記酸性化合物を前記第一の槽における濃度よりも高い濃度で含有する酸性溶液を収容し、且つ、金及び白金から選ばれる貴金属を含む対極を備える第二の槽と、前記作用極と前記参照極と前記対極の電位を制御する電位制御機構と、を有し、前記第一の槽及び前記第二の槽が、陽イオン交換膜で互いに隔てられている装置を準備する工程と、
前記第一の槽に、コア金属材料及び前記コア金属よりも相対的に卑である金属のイオンを含有する卑金属イオン含有溶液を供給する工程と、
前記卑金属イオン含有溶液及び前記酸性溶液を含む混合液中において、前記相対的卑金属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、前記コア金属材料の表面に前記相対的卑金属を析出させる工程と、
前記析出工程後、前記相対的卑金属が析出した前記コア金属材料に、前記シェル金属のイオンを含有するシェル金属イオン含有溶液を接触させることによって、前記相対的卑金属を前記シェル金属に置換することによって前記シェルを形成する工程と、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 a core metal; and a shell containing the shell metal and covering the core,
An acidic solution containing an acidic compound according to the definition of Arrhenius and containing a working electrode, a first tank provided with a reference electrode, and an acid containing the acidic compound at a concentration higher than the concentration in the first tank A second tank containing a solution and including a counter electrode containing a noble metal selected from gold and platinum, and a potential control mechanism for controlling the potential of the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode, Preparing a device in which the first tank and the second tank are separated from each other by a cation exchange membrane;
Supplying a base metal ion-containing solution containing a core metal material and ions of a metal relatively lower than the core metal to the first tank;
The step of precipitating the relative base metal on the surface of the core metal material by applying a noble potential higher than the oxidation-reduction potential of the relative base metal in the mixed solution containing the base metal ion-containing solution and the acidic solution. When,
After the deposition step, the shell metal ion-containing solution containing the shell metal ions is brought into contact with the core metal material on which the relative base metal is deposited, thereby replacing the relative base metal with the shell metal. Forming the shell.
本発明のコアシェル触媒の製造方法において、前記酸性化合物が、硫酸であることが好ましい。
本発明のコアシェル触媒の製造方法において、前記第二の槽における前記硫酸が前記第一の槽における前記硫酸よりも10〜100倍高濃度であることが好ましい。
本発明のコアシェル触媒の製造方法は、前記供給工程において、前記コア金属材料の供給後、前記卑金属イオン含有溶液の供給前に、第一の槽における前記酸性溶液中で、前記コア金属材料に電位を印加することが好ましい。
本発明のコアシェル触媒の製造方法において、前記第一の槽が前記作用極としても機能するものであってもよい。
In the method for producing a core-shell catalyst of the present invention, the acidic compound is preferably sulfuric acid.
In the method for producing a core-shell catalyst of the present invention, the sulfuric acid in the second tank is preferably 10 to 100 times higher in concentration than the sulfuric acid in the first tank.
The core shell catalyst production method of the present invention is characterized in that, in the supplying step, after supplying the core metal material, before supplying the base metal ion-containing solution, in the acidic solution in the first tank, the core metal material has a potential. Is preferably applied.
In the method for producing a core-shell catalyst of the present invention, the first tank may function as the working electrode.
本発明のコアシェル触媒製造装置によれば、電極反応時の過電圧を低減することができる。
本発明のコアシェル触媒の製造方法によれば、製造コストを低減することができる。
According to the core-shell catalyst production apparatus of the present invention, it is possible to reduce overvoltage during electrode reaction.
According to the manufacturing method of the core-shell catalyst of the present invention, the manufacturing cost can be reduced.
1.コアシェル触媒製造装置
本発明のコアシェル触媒製造装置は、アンダーポテンシャル析出法により、コア金属を含むコアと、シェル金属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を製造する装置であって、
アレニウスの定義による酸性化合物を含有する酸性溶液を収容し、且つ、作用極と、参照極を備える第一の槽と、
前記酸性化合物を前記第一の槽における濃度よりも高い濃度で含有する酸性溶液を収容し、且つ、金及び白金から選ばれる貴金属を含む対極を備える第二の槽と、
前記作用極と前記参照極と前記対極の電位を制御する電位制御機構と、を有し、
前記第一の槽及び前記第二の槽が、陽イオン交換膜で互いに隔てられていることを特徴とする。
1. Core-shell catalyst production apparatus The core-shell catalyst production apparatus of the present invention is an apparatus for producing a core-shell catalyst comprising a core containing a core metal and a shell containing the shell metal and covering the core by an underpotential deposition method. ,
A first tank containing an acidic solution containing an acidic compound according to the definition of Arrhenius and having a working electrode and a reference electrode;
A second tank containing an acidic solution containing the acidic compound at a concentration higher than the concentration in the first tank, and having a counter electrode containing a noble metal selected from gold and platinum;
A potential control mechanism for controlling the potential of the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode;
The first tank and the second tank are separated from each other by a cation exchange membrane.
本発明により過電圧を低減することができるのは、第一の槽及び第二の槽を陽イオン交換膜で互いに隔て、第二の槽の酸性溶液に第一の槽よりも高濃度の酸性化合物を含有させることにより対極側の反応速度のみを上げることができ、さらに、酸性化合物の存在により、電極反応の活性化エネルギーを低下させることができるためと推察される。
本発明によれば、装置を大型化しても過電圧を低減することができる。
本発明によれば、第一の槽及び第二の槽を陽イオン交換膜で互いに隔てているため、第一の槽の酸性溶液に含有させる酸性化合物の濃度が第二の槽の酸性溶液に含有させる酸性化合物の濃度よりも低濃度であっても過電圧を低減することができるため、酸性化合物の使用量を低減することができる。
なお、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。
According to the present invention, the overvoltage can be reduced by separating the first tank and the second tank by a cation exchange membrane, and the acidic solution in the second tank having a higher concentration than the first tank. It is presumed that the inclusion of can increase only the reaction rate on the counter electrode side, and further can reduce the activation energy of the electrode reaction due to the presence of the acidic compound.
According to the present invention, overvoltage can be reduced even if the apparatus is enlarged.
According to the present invention, since the first tank and the second tank are separated from each other by the cation exchange membrane, the concentration of the acidic compound contained in the acidic solution of the first tank is the acid solution of the second tank. Since the overvoltage can be reduced even if the concentration is lower than the concentration of the acidic compound to be contained, the amount of the acidic compound used can be reduced.
In the present invention, the shell covers the core is not only a form in which the entire surface of the core is covered by the shell, but 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 doing is also included.
図1は、本発明のコアシェル触媒製造装置の一例を示す断面模式図である。
図1に示す装置10は、酸性溶液1と、作用極3と、参照極4を収容する第一の槽6と、酸性溶液2と、対極5を収容する第二の槽7と、を有し、第一の槽6及び第二の槽7が、互いに隣接し、当該隣接部位の一部が陽イオン交換膜8で形成され、第一の槽6及び第二の槽7が陽イオン交換膜8で互いに隔てられている。
作用極3、参照極4は、酸性溶液1に十分に浸かるように配置され、対極5は、酸性溶液2に十分に浸かるように配置されている。作用極3、参照極4及び対極5が電位制御機構(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3の電位が制御できるようになっている。
酸性溶液2は、酸性溶液1よりも濃度の高い酸性化合物を含有している。
コア金属材料9は、第一の槽6の酸性溶液1にのみ添加されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the core-shell catalyst production apparatus of the present invention.
The apparatus 10 shown in FIG. 1 has an acidic solution 1, a working electrode 3, a first tank 6 that accommodates a reference electrode 4, an acidic solution 2, and a second tank 7 that accommodates a counter electrode 5. The first tank 6 and the second tank 7 are adjacent to each other, a part of the adjacent portion is formed by the cation exchange membrane 8, and the first tank 6 and the second tank 7 are cation exchange. They are separated from each other by a membrane 8.
The working electrode 3 and the reference electrode 4 are disposed so as to be sufficiently immersed in the acidic solution 1, and the counter electrode 5 is disposed so as to be sufficiently immersed in the acidic solution 2. The working electrode 3, the reference electrode 4 and the counter electrode 5 are electrically connected to a potential control mechanism (for example, a potentiostat, etc., not shown) so that the potential of the working electrode 3 can be controlled.
The acidic solution 2 contains an acidic compound having a higher concentration than the acidic solution 1.
The core metal material 9 is added only to the acidic solution 1 in the first tank 6.
本発明のコアシェル触媒製造装置の別の形態として、図2及び図3に示すものが挙げられる。なお、図2及び図3において、図1と共通する構成については、同じ番号を付し、また、その説明を省略する。
図2に示す装置20において、対極5は、陽イオン交換膜8を底部に有する第二の槽7に収容された状態で、第一の槽6内に配置されている。
図3に示す装置30において、対極5は、陽イオン交換膜8を底部に有する第二の槽7に収容された状態で、第一の槽6内に配置されている。また、第一の槽6は、良導電性材料で形成されており、その内表面が作用極3としても機能するものである。
As another form of the core-shell catalyst production apparatus of the present invention, the one shown in FIGS. 2 and 3, the same reference numerals are given to the same components as those in FIG. 1, and the description thereof is omitted.
In the apparatus 20 shown in FIG. 2, the counter electrode 5 is arrange | positioned in the 1st tank 6 in the state accommodated in the 2nd tank 7 which has the cation exchange membrane 8 in the bottom part.
In the apparatus 30 shown in FIG. 3, the counter electrode 5 is disposed in the first tank 6 in a state of being accommodated in the second tank 7 having the cation exchange membrane 8 at the bottom. The first tank 6 is made of a highly conductive material, and its inner surface also functions as the working electrode 3.
装置は、第一の槽、第二の槽、電位制御機構を有し、第一の槽及び第二の槽が、陽イオン交換膜で互いに隔てられているものであれば、特に限定されない。
本発明において、「第一の槽及び第二の槽が、陽イオン交換膜で互いに隔てられている」とは、第一の槽及び第二の槽が隣接している場合は、第一の槽及び第二の槽が隣接している部分の少なくとも一部が、陽イオン交換膜で形成されていればよく、第二の槽が第一の槽に収容されている場合は、第二の槽は、第二の槽が第一の槽の酸性溶液と接触している部分の少なくとも一部(例えば底部)が陽イオン交換膜で形成されていればよく、第一の槽が第二の槽に収容されている場合は、第一の槽は、第一の槽が第二の槽の酸性溶液と接触している部分の少なくとも一部(例えば底部)が陽イオン交換膜で形成されていればよい。
陽イオン交換膜としては、例えば、Nafion(登録商標:DuPont社製)等のパーフルオロスルホン酸ポリマー系電解質膜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。陽イオン交換膜により、陽イオンのみ第一の槽と第二の槽との間の移動が可能となり、対極へのコア金属材料の接触を防止することができる。また、例えば、陽イオン交換膜としてNafion膜を用い、後述する酸性化合物として硫酸を用いた場合、プロトンはNafion膜を透過するが、第一の槽の硫酸の濃度と第二の槽の硫酸の濃度は、装置の規模にもよるが、数日間であればあまり大きく変化しない。
電位制御機構としては、作用極と参照極と対極の電位を制御することができるものであれば特に限定されず、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 apparatus is not particularly limited as long as it has a first tank, a second tank, and a potential control mechanism, and the first tank and the second tank are separated from each other by a cation exchange membrane.
In the present invention, “the first tank and the second tank are separated from each other by a cation exchange membrane” means that the first tank and the second tank are adjacent to each other. It suffices that at least a part of the portion adjacent to the tank and the second tank is formed of a cation exchange membrane, and when the second tank is accommodated in the first tank, the second tank The tank should just be formed by the cation exchange membrane at least a part (for example, bottom part) where the 2nd tank is contacting the acidic solution of the 1st tank, and the 1st tank is the 2nd tank. When accommodated in the tank, at least a part (for example, the bottom part) of the first tank in contact with the acidic solution of the second tank is formed of a cation exchange membrane. Just do it.
Examples of the cation exchange membrane include a polyether ether as well as a fluorine polymer electrolyte membrane containing a fluorine polymer electrolyte such as a perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane such as Nafion (registered trademark: DuPont). Hydrocarbon polymers such as ketones, polyetherketone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyparaphenylene, and other general purpose plastics such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, etc., sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, Examples thereof include a hydrocarbon polymer electrolyte membrane including a hydrocarbon polymer electrolyte into which a proton acid group (proton conductive group) such as a phosphate group or a boronic acid group is introduced. The cation exchange membrane allows only the cations to move between the first tank and the second tank, and prevents the core metal material from contacting the counter electrode. For example, when a Nafion membrane is used as a cation exchange membrane and sulfuric acid is used as an acidic compound described later, protons pass through the Nafion membrane, but the concentration of sulfuric acid in the first tank and the sulfuric acid in the second tank Although the concentration depends on the scale of the apparatus, it does not change so much in a few days.
The potential control mechanism is not particularly limited as long as it can control the potential of the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode, and a potentiostat, a potentiogalvanostat, or the like can be used.
第一の槽は、酸性溶液を収容し、作用極と、参照極を備えるものであれば特に限定されず、必要に応じ、少なくとも一部が陽イオン交換膜で形成された第二の槽を収容する。また、第一の槽は、第一の槽の内表面の少なくとも一部を後述する作用極に用いられる導電性材料で形成し、作用極として機能させることもできる。
酸性溶液は、酸性化合物を含有するものであれば、特に限定されない。
酸性化合物は、アレニウスの定義による酸に該当するものであれば特に限定されず、水よりも酸化還元され易いものであることが好ましい。酸性化合物の具体例としては、硫酸、過塩素酸、硝酸、塩酸及び燐酸からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むものが挙げられ、1種のみを用いることが好ましく、硫酸が特に好ましい。
第一の槽における酸性化合物の濃度は、特に限定されないが、酸性化合物が硫酸の場合は、0.01〜1.00Mであることが好ましい。
作用極としては、例えば、チタン等の金属材料、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。作用極は、第一の槽と別体であってもよいし、第一の槽の内表面の少なくとも一部であってもよいし、全表面であってもよい。
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。
第一の槽の陽イオン交換膜以外の部分の材質は特に限定されず、ガラス、プラスチック、セラミックス等を用いることができ、第一の槽を作用極として機能させる場合は、上述した作用極に用いられる導電性材料を用いることができる。金属材料の第一の槽を作用極として用いる場合、第一の槽の内表面には、腐食を抑制する観点から、RuO2等の耐腐食性材料をコーティングすることが好ましい。導電性炭素材料の第一の槽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。
The first tank is not particularly limited as long as it contains an acidic solution and includes a working electrode and a reference electrode, and if necessary, a second tank at least partially formed of a cation exchange membrane. Accommodate. Moreover, a 1st tank can also form at least one part of the inner surface of a 1st tank with the electroconductive material used for the working electrode mentioned later, and can also function as a working electrode.
The acidic solution is not particularly limited as long as it contains an acidic compound.
An acidic compound will not be specifically limited if it corresponds to the acid by the definition of Arrhenius, and it is preferable that it is a thing which is oxidized and reduced more easily than water. Specific examples of the acidic compound include those containing at least one selected from the group consisting of sulfuric acid, perchloric acid, nitric acid, hydrochloric acid and phosphoric acid. It is preferable to use only one type, and sulfuric acid is particularly preferable.
Although the density | concentration of the acidic compound in a 1st tank is not specifically limited, When an acidic compound is a sulfuric acid, it is preferable that it is 0.01-1.00M.
As the working electrode, for example, a material that can ensure conductivity, such as a metal material such as titanium, a conductive carbon material such as glassy carbon, or a carbon plate, can be used. The working electrode may be separate from the first tank, may be at least part of the inner surface of the first tank, or may be the entire surface.
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.
The material of the portion other than the cation exchange membrane of the first tank is not particularly limited, and glass, plastic, ceramics, etc. can be used, and when the first tank functions as a working electrode, the working electrode described above is used. The conductive material used can be used. When the first tank of metal material is used as the working electrode, it is preferable to coat the inner surface of the first tank with a corrosion-resistant material such as RuO 2 from the viewpoint of suppressing corrosion. When the first tank of conductive carbon material is used as a working electrode, it can be used as it is without coating.
第二の槽は、酸性溶液を収容し、且つ、対極を備えるものであれば特に限定されず、必要に応じ、少なくとも一部が陽イオン交換膜で形成された第一の槽を収容する。
第二の槽における酸性溶液は、酸性化合物を第一の槽における濃度よりも高い濃度で含有するものであれば特に限定されない。
第二の槽における酸性化合物の濃度は、第一の槽における濃度よりも高い濃度であれば特に限定されず、酸性化合物が硫酸の場合は、第一の槽における濃度よりも10〜100倍高濃度であることが好ましい。なお、第一の槽及び第二の槽の酸性溶液に含有させる酸性化合物の濃度が同じ場合であっても、酸性化合物の濃度を高濃度にすれば過電圧を低減することができるが、大量の酸性化合物が必要になる。そのため、酸性化合物を節約する観点から、第二の槽の酸性溶液に含有させる酸性化合物の濃度のみ高くすることが好ましい。
対極としては、金及び白金から選ばれる貴金属を含むものであれば特に限定されず、白金、金、白金合金、金合金、金及び白金の少なくとも一方とその他の金属とを含む混合物等が挙げられる。
白金合金の場合は、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、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。
白金合金を使用する場合には、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80質量%以上であることが好ましい。
金合金の場合は、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、白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、金合金を構成する金以外の金属は1種でも2種以上でもよい。
金合金を使用する場合には、合金全体の質量を100質量%としたときの金の含有割合が80質量%以上であることが好ましい。
対極の具体例としては、金板、白金板、白金黒、白金メッシュに白金黒をめっきしたもの等が挙げられる。
第二の槽の陽イオン交換膜以外の部分の材質は特に限定されず、ガラス、プラスチック、セラミックス等を用いることができる。
The second tank is not particularly limited as long as it contains an acidic solution and is provided with a counter electrode. If necessary, the second tank contains a first tank at least partially formed of a cation exchange membrane.
The acidic solution in the second tank is not particularly limited as long as it contains an acidic compound at a concentration higher than that in the first tank.
The concentration of the acidic compound in the second tank is not particularly limited as long as it is higher than the concentration in the first tank. When the acidic compound is sulfuric acid, it is 10 to 100 times higher than the concentration in the first tank. The concentration is preferred. In addition, even if the concentration of the acidic compound contained in the acidic solution in the first tank and the second tank is the same, overvoltage can be reduced by increasing the concentration of the acidic compound, Acidic compounds are required. Therefore, from the viewpoint of saving acidic compounds, it is preferable to increase only the concentration of acidic compounds contained in the acidic solution of the second tank.
The counter electrode is not particularly limited as long as it contains a noble metal selected from gold and platinum, and examples thereof include platinum, gold, a platinum alloy, a gold alloy, a mixture containing at least one of gold and platinum, and another metal. .
In the case of a platinum alloy, an alloy with a metal material selected from the group consisting of iridium, ruthenium, rhodium and gold can be used, and the metal other than platinum constituting the platinum alloy may be one type or two or more types.
When a platinum alloy is used, the platinum content is preferably 80% by mass or more when the mass of the entire alloy is 100% by mass.
In the case of a gold alloy, an alloy with a metal material selected from the group consisting of iridium, ruthenium, rhodium, and platinum can be used, and the metal other than gold constituting the gold alloy may be one type or two or more types.
When a gold alloy is used, the gold content is preferably 80% by mass or more when the mass of the entire alloy is 100% by mass.
Specific examples of the counter electrode include a gold plate, a platinum plate, platinum black, a platinum mesh plated with platinum black, and the like.
The material of the portion other than the cation exchange membrane in the second tank is not particularly limited, and glass, plastic, ceramics and the like can be used.
2.コアシェル触媒の製造方法
本発明のコアシェル触媒の製造方法は、コア金属を含むコアと、シェル金属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、
アレニウスの定義による酸性化合物を含有する酸性溶液を収容し、且つ、作用極と、参照極を備える第一の槽と、前記酸性化合物を前記第一の槽における濃度よりも高い濃度で含有する酸性溶液を収容し、且つ、金及び白金から選ばれる貴金属を含む対極を備える第二の槽と、前記作用極と前記参照極と前記対極の電位を制御する電位制御機構と、を有し、前記第一の槽及び前記第二の槽が、陽イオン交換膜で互いに隔てられている装置を準備する工程と、
前記第一の槽に、コア金属材料及び前記コア金属よりも相対的に卑である金属のイオンを含有する卑金属イオン含有溶液を供給する工程と、
前記卑金属イオン含有溶液及び前記酸性溶液を含む混合液中において、前記相対的卑金属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、前記コア金属材料の表面に前記相対的卑金属を析出させる工程と、
前記析出工程後、前記相対的卑金属が析出した前記コア金属材料に、前記シェル金属のイオンを含有するシェル金属イオン含有溶液を接触させることによって、前記相対的卑金属を前記シェル金属に置換することによって前記シェルを形成する工程と、を有することを特徴とする。
2. A method for producing a core-shell catalyst according to the present invention is a method for producing a core-shell catalyst comprising: a core containing a core metal; and a shell containing the shell metal and covering the core,
An acidic solution containing an acidic compound according to the definition of Arrhenius and containing a working electrode, a first tank provided with a reference electrode, and an acid containing the acidic compound at a concentration higher than the concentration in the first tank A second tank containing a solution and including a counter electrode containing a noble metal selected from gold and platinum, and a potential control mechanism for controlling the potential of the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode, Preparing a device in which the first tank and the second tank are separated from each other by a cation exchange membrane;
Supplying a base metal ion-containing solution containing a core metal material and ions of a metal relatively lower than the core metal to the first tank;
The step of precipitating the relative base metal on the surface of the core metal material by applying a noble potential higher than the oxidation-reduction potential of the relative base metal in the mixed solution containing the base metal ion-containing solution and the acidic solution. When,
After the deposition step, the shell metal ion-containing solution containing the shell metal ions is brought into contact with the core metal material on which the relative base metal is deposited, thereby replacing the relative base metal with the shell metal. Forming the shell.
本発明の製造方法によれば、対極の面積を大きくしなくても、電極反応を進行させることができ、製造コストを下げることができる。
図4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4に示すコアシェル触媒の製造方法は、(1)準備工程、(2)供給工程、(3)析出工程、(4)置換工程、(5)洗浄工程、(6)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)供給工程、(3)析出工程、(4)置換工程を有し、必要に応じ、置換工程の後に(5)洗浄工程、(6)乾燥工程等を有する。
以下、各工程について、順に説明する。
According to the production method of the present invention, the electrode reaction can proceed without increasing the counter electrode area, and the production cost can be reduced.
FIG. 4 is a flowchart showing an example of the method for producing the core-shell catalyst of the present invention.
The manufacturing method of the core-shell catalyst shown in FIG. 4 includes (1) preparation step, (2) supply step, (3) precipitation step, (4) substitution step, (5) washing step, and (6) drying step.
The method for producing a core-shell catalyst of the present invention has at least (1) a preparation step, (2) a supply step, (3) a precipitation step, and (4) a substitution step, and (5) washing after the substitution step as necessary. A process, and (6) a drying process.
Hereinafter, each process is demonstrated in order.
(1)準備工程
準備工程は、アレニウスの定義による酸性化合物を含有する酸性溶液を収容し、且つ、作用極と、参照極を備える第一の槽と、前記酸性化合物を前記第一の槽における濃度よりも高い濃度で含有する酸性溶液を収容し、且つ、金及び白金から選ばれる貴金属を含む対極を備える第二の槽と、前記作用極と前記参照極と前記対極の電位を制御する電位制御機構と、を有し、前記第一の槽及び前記第二の槽が、陽イオン交換膜で互いに隔てられている装置を準備する工程である。
準備工程で準備する装置は、上述の本発明のコアシェル触媒製造装置であるため、装置の説明は省略する。
(1) Preparatory step The preparatory step accommodates an acidic solution containing an acidic compound according to the definition of Arrhenius, and has a working electrode, a first tank provided with a reference electrode, and the acidic compound in the first tank. A second tank containing a counter electrode containing a noble metal selected from gold and platinum and containing an acidic solution containing a higher concentration than the concentration; and a potential for controlling the potential of the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode And a control mechanism, and preparing a device in which the first tank and the second tank are separated from each other by a cation exchange membrane.
Since the apparatus prepared in the preparation step is the above-described core-shell catalyst manufacturing apparatus of the present invention, description of the apparatus is omitted.
(2)供給工程
供給工程は、前記第一の槽に、コア金属材料及び前記コア金属よりも相対的に卑である金属のイオンを含有する卑金属イオン含有溶液を供給する工程である。
(2) Supplying process The supplying process is a process of supplying a base metal ion-containing solution containing ions of a metal that is relatively baser than the core metal material and the core metal to the first tank.
コア金属は、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀及び金より選ばれる少なくとも1種の金属、並びに前記金属を含む合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、パラジウム及びパラジウム合金が特に好ましく、パラジウムがさらに好ましい。
パラジウム合金の場合は、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の合金等が挙げられ、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。
パラジウム合金を使用する場合には、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50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50質量%以上であることにより、後述するシェル金属が白金の場合に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。
The core metal is at least one selected from the group consisting of at least one metal selected from palladium, iridium, ruthenium, rhodium, iron, cobalt, nickel, copper, silver and gold, and an alloy containing the metal. Are preferred, palladium and palladium alloys are particularly preferred, and palladium is more preferred.
In the case of a palladium alloy, an alloy with a metal material selected from the group consisting of iridium, ruthenium, rhodium, iron, cobalt, nickel, copper, silver, and gold can be mentioned. The metal other than palladium constituting the palladium alloy is 1 Two or more species may be used.
When using a palladium alloy, it is preferable that the content rate of palladium is 50 mass% or more when the mass of the whole alloy is 100 mass%. This is because when the content ratio of palladium is 50% by mass or more, a uniform platinum-containing shell can be formed when the shell metal described later is platinum.
本発明においてコア金属材料の形態は、特に限定されず、粒子状、板状等が挙げられる。
コア金属材料は担体に担持されていてもよい。特に、本発明により得られる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。また、コア金属材料が導電性担体に担持されていることによって、コア金属材料に効率良く電位を印加することができる。
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。
In the present invention, the form of the core metal material is not particularly limited, and examples thereof include particles and plates.
The core metal material may be supported on a carrier. In particular, when the core-shell catalyst obtained by the present invention is used for 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. Further, since the core metal material is supported on the conductive carrier, a potential can be efficiently applied to the core metal material.
Specific examples of conductive materials that can be used as carriers include Ketjen Black (trade name: manufactured by Ketjen Black International), Vulcan (trade name: manufactured by Cabot), Norit (trade name: manufactured by Norit), and Black. Examples thereof include carbon particles such as pearl (trade name: manufactured by Cabot) and acetylene black (trade name: manufactured by Chevron), conductive carbon materials such as carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers.
卑金属イオン含有溶液としては、コア金属材料の表面に相対的卑金属を析出させることができる溶液であれば特に限定されない。
卑金属イオン含有溶液は、通常、酸性化合物を含む酸性溶液に相対的卑金属の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、卑金属イオンの一部又は全部が液中に解離して存在している溶液であればよい。
卑金属イオン含有溶液に用いられる酸性化合物としては、上記第一の槽における酸性溶液に含まれる酸性化合物として例示したものを用いることができる。
相対的卑金属としては、Cu、Pb、Bi、Sn、Ce、Ag、Sb、Tl等が挙げられ、Cuが好ましい。
相対的卑金属の塩としては、当該相対的卑金属が銅である場合には、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。
卑金属イオン含有溶液中において、相対的卑金属イオン濃度は、特に限定されず、製造するコアシェル触媒の量に応じて適宜設定することができる。
なお、相対的卑金属の塩の対アニオンと、酸性溶液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が、同一であることが好ましい。
また、卑金属イオン含有溶液は、予め、不活性ガスをバブリングしておくことが好ましい。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 base metal ion-containing solution is not particularly limited as long as it is a solution capable of depositing a relative base metal on the surface of the core metal material.
The base metal ion-containing solution is usually composed of a solution in which a predetermined amount of a base metal salt is dissolved in an acidic solution containing an acidic compound, but is not particularly limited to this configuration, and part or all of the base metal ions are in the liquid. Any solution that has been dissociated and present may be used.
As the acidic compound used for the base metal ion-containing solution, those exemplified as the acidic compound contained in the acidic solution in the first tank can be used.
Examples of the relative base metal include Cu, Pb, Bi, Sn, Ce, Ag, Sb, Tl and the like, and Cu is preferable.
Examples of the relative base metal salt include copper sulfate, copper nitrate, copper chloride, copper chlorite, copper perchlorate, and copper oxalate when the relative base metal is copper.
In the base metal ion-containing solution, the relative base metal ion concentration is not particularly limited and can be appropriately set according to the amount of the core-shell catalyst to be produced.
The counter anion of the relative base metal salt and the counter anion in the acidic solution may be the same or different, but are preferably the same.
The base metal ion-containing solution is preferably bubbled with an inert gas in advance. Nitrogen gas, argon gas, etc. can be used as the inert gas.
供給工程において、コア金属材料の供給と、卑金属イオン含有溶液の供給は、同時であっても、いずれかが先であってもよいが、コア金属材料の供給が先であることが好ましい。
また、供給工程においては、コア金属材料の供給後、卑金属イオン含有溶液の供給前に、第一の槽における酸性溶液中で、コア金属材料に電位を印加することが好ましい。電位印加処理により、コア金属材料表面の酸化物を除去し、コア金属材料に対し、均一にシェル金属含有シェルを被覆することができるからである。
本発明によれば、供給工程における電極反応時の過電圧を低減することができる。
In the supplying step, the supply of the core metal material and the supply of the base metal ion-containing solution may be performed at the same time or either one may be performed first, but the supply of the core metal material is preferably performed first.
In the supplying step, it is preferable to apply a potential to the core metal material in the acidic solution in the first tank after supplying the core metal material and before supplying the base metal ion-containing solution. This is because the oxide on the surface of the core metal material can be removed by the potential application treatment, and the shell metal-containing shell can be uniformly coated on the core metal material.
According to the present invention, it is possible to reduce overvoltage at the time of electrode reaction in the supplying step.
供給工程においてコア金属材料に電位を印加する場合のコア金属材料は、粉末状態で第一の槽における酸性溶液に添加することによって酸性溶液に浸漬、分散させてもよいし、予め、溶媒に分散させたものを、第一の槽における酸性溶液に添加することによって、酸性溶液に浸漬、分散させてもよい。上記溶媒としては、例えば、水、有機溶媒を用いることができ、さらに、該溶媒に、酸性化合物を含んでいてもよい。酸性化合物としては、上記第一の槽における酸性溶液に含まれる酸性化合物として例示したものを用いることができる。
また、導電性基材上や作用極上にコア金属材料を固定し、導電性基材や作用極のコア金属材料固定面を酸性溶液に浸漬させた状態で、該導電性基材や該作用極に電位を印加する方法が挙げられる。コア金属材料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(商品名)等)と、水やアルコール等の溶媒とを用いて、コア金属材料ペーストを調製し、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。
コア金属材料に電位を印加する方法は、特に限定されず、作用極、対極及び参照極を電位制御機構に接続し、作用極に電位を印加する方法が挙げられる。
When applying a potential to the core metal material in the supplying step, the core metal material may be immersed and dispersed in the acidic solution by adding it to the acidic solution in the first tank in a powder state, or dispersed in the solvent in advance. You may make it soak and disperse | distribute to an acidic solution by adding what was made to add to the acidic solution in a 1st tank. As the solvent, for example, water or an organic solvent can be used, and the solvent may contain an acidic compound. As an acidic compound, what was illustrated as an acidic compound contained in the acidic solution in said 1st tank can be used.
In addition, the core metal material is fixed on the conductive base material or the working electrode, and the conductive base material or the working electrode is immersed in an acidic solution. And a method of applying a potential to the substrate. As a method for fixing the core metal material, for example, a core metal material paste is prepared using an electrolyte resin (for example, Nafion (trade name) or the like) and a solvent such as water or alcohol, and the conductive base material or action The method of apply | coating to the surface of a pole is mentioned.
The method for applying a potential to the core metal material is not particularly limited, and examples include a method in which a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode are connected to a potential control mechanism, and a potential is applied to the working electrode.
供給工程においてコア金属材料の供給後、卑金属イオン含有溶液の供給前に第一の槽における酸性溶液中で、コア金属材料に電位を印加する場合、酸化物除去を速やかに進行させるという観点から、一定の電位範囲において、電位を複数回往復させることが好ましい。電位印加信号パターンは、三角波、矩形波、台形波等がある。
電位の範囲は、コア金属の種類によって適宜設定することができ、コア金属がパラジウムの場合には、0.05〜1.2V(vs.RHE)であることが好ましい。電位印加信号パターンが三角波である場合の電位サイクル数は、特に限定されないが、500〜3000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、5〜500mV/秒とすることができる。
供給工程における電位の印加は、酸性溶液中の酸素を可能な限り除去し、酸化物除去を速やかに進行させることができるという点から、酸性溶液中には、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスをバブリングさせることが好ましい。
また、供給工程において電位を印加する場合の第一の槽における酸性溶液は、必要に応じて適宜攪拌することが好ましい。例えば、酸性溶液にコア金属材料を浸漬、分散させた場合、酸性溶液を攪拌することで、各コア金属材料を作用極の表面に接触させ、各コア金属材料に均一に電位を印加させることができるからである。この場合、攪拌は、電位印加中、連続的に行ってもよいし、断続的に行ってもよい。第一の槽における酸性溶液を攪拌する方法は、特に限定されず、例えば、マグネチックスターラーによる攪拌等が挙げられる。
In the supply step, after supplying the core metal material, before supplying the base metal ion-containing solution, in the acidic solution in the first tank, when applying a potential to the core metal material, from the viewpoint of promptly proceeding with oxide removal, It is preferable to reciprocate the potential a plurality of times in a certain potential range. Examples of the potential application signal pattern include a triangular wave, a rectangular wave, and a trapezoidal wave.
The range of the potential can be appropriately set depending on the type of the core metal. When the core metal is palladium, it is preferably 0.05 to 1.2 V (vs. RHE). The number of potential cycles when the potential application signal pattern is a triangular wave is not particularly limited, but is preferably 500 to 3000 cycles, and the potential sweep rate can be, for example, 5 to 500 mV / sec.
The application of potential in the supply step removes oxygen in the acidic solution as much as possible and allows the oxide removal to proceed promptly. In the acidic solution, inert gas such as nitrogen gas or argon gas is used. It is preferable to bubble the gas.
Moreover, it is preferable that the acidic solution in the first tank in the case of applying a potential in the supplying step is appropriately stirred as necessary. For example, when the core metal material is immersed and dispersed in an acidic solution, each core metal material is brought into contact with the surface of the working electrode by stirring the acidic solution, and a potential is applied uniformly to each core metal material. Because it can. In this case, stirring may be performed continuously during potential application, or may be performed intermittently. The method for stirring the acidic solution in the first tank is not particularly limited, and examples thereof include stirring with a magnetic stirrer.
(3)析出工程
析出工程は、前記卑金属イオン含有溶液及び前記酸性溶液を含む混合液中において、前記相対的卑金属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、前記コア金属材料の表面に前記相対的卑金属を析出させる工程である。
本発明によれば、析出工程における電極反応時の過電圧を低減することができる。
(3) Precipitation step In the precipitation step, the surface of the core metal material is applied by applying a potential higher than the oxidation-reduction potential of the relative base metal in the mixed solution containing the base metal ion-containing solution and the acidic solution. And depositing the relative base metal.
According to the present invention, it is possible to reduce overvoltage during electrode reaction in the deposition step.
析出工程におけるコア金属材料に電位を印加する方法は、上述した供給工程と同様とすることができる。
印加する電位は、コア金属材料の表面に相対的卑金属を析出させることができる電位、すなわち、相対的卑金属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。例えば、相対的卑金属が銅の場合、0.75〜0.30V(vs.RHE)が好ましく、0.37V(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、2時間以上、特に15時間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さらに好ましい。
The method of applying a potential to the core metal material in the precipitation step can be the same as the supply step described above.
The potential to be applied is not particularly limited as long as it is a potential at which a relative base metal can be deposited on the surface of the core metal material, that is, a potential nobler than the oxidation-reduction potential of the relative base metal. For example, when the relative base metal is copper, 0.75 to 0.30 V (vs. RHE) is preferable, and 0.37 V (vs. RHE) is particularly preferable.
The time for applying the potential is not particularly limited, but is preferably 2 hours or more, particularly preferably 15 hours or more, and more preferably until the reaction current becomes steady and approaches zero.
析出工程は、相対的卑金属の安定性の観点から、窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましい。
また、析出工程において、混合液は、必要に応じて適宜攪拌することが好ましい。攪拌方法は、供給工程と同様とすることができる。
The deposition step is preferably performed in an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere from the viewpoint of relative base metal stability.
In the precipitation step, the mixed solution is preferably stirred as necessary. The stirring method can be the same as in the supplying step.
(4)置換工程
置換工程は、前記析出工程後、前記相対的卑金属が析出した前記コア金属材料に、前記シェル金属のイオンを含有するシェル金属イオン含有溶液を接触させることによって、前記相対的卑金属を前記シェル金属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、コア金属材料の表面に析出した相対的卑金属をシェル金属に置換する方法は特に限定されない。通常、シェル金属イオン含有溶液に、表面に相対的卑金属を析出させたコア金属材料を接触させることによって、イオン化傾向の違いにより、相対的卑金属とシェル金属とを置換することができる。
(4) Substitution step The substitution step is performed by bringing the shell metal ion-containing solution containing ions of the shell metal into contact with the core metal material on which the relative base metal is deposited after the precipitation step. Is a step of forming the shell by substituting for the shell metal.
In the replacement step, the method of replacing the relative base metal deposited on the surface of the core metal material with the shell metal is not particularly limited. Usually, the base metal material and the shell metal can be replaced due to the difference in ionization tendency by contacting the shell metal ion-containing solution with the core metal material on which the surface base metal is deposited.
シェル金属は、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム及び金より選ばれる少なくとも1種の金属、並びに前記金属を含む合金からなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、白金及び白金合金が特に好ましく、白金がさらに好ましい。
白金合金の場合は、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。
白金合金を使用する場合には、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40質量%以上であることが好ましい。白金の含有割合が40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。
The shell metal is preferably at least one selected from the group consisting of at least one metal selected from platinum, iridium, ruthenium, rhodium and gold, and an alloy containing the metal, and platinum and platinum alloys are particularly preferable. More preferred is platinum.
In the case of a platinum alloy, an alloy with a metal material selected from the group consisting of iridium, ruthenium, rhodium, nickel and gold can be used, and the metal other than platinum constituting the platinum alloy may be one type or two or more types.
When a platinum alloy is used, the platinum content is preferably 40% 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 40% by mass, sufficient catalytic activity and durability cannot be obtained.
シェル金属イオン含有溶液としては、相対的卑金属をシェル金属に置換することができる溶液であれば特に限定されない。
シェル金属イオン含有溶液は、通常、酸性化合物を含む酸性溶液にシェル金属の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、シェル金属のイオンの一部又は全部が液中に解離して存在している溶液であればよい。
シェル金属イオン含有溶液に用いられるシェル金属の塩は、シェル金属が白金である場合は、例えば、K2PtCl4、K2PtCl6等を用いることができ、また、([PtCl4][Pt(NH3)4])等のアンモニア錯体を用いることもできる。
シェル金属イオン含有溶液中において、シェル金属イオン濃度は特に限定されず、製造するコアシェル触媒の量に応じて適宜設定することができる。
シェル金属イオン含有溶液に用いることができる酸性化合物は、上記第一の槽における酸性溶液に含まれる酸性化合物として例示したものを用いることができる。
The shell metal ion-containing solution is not particularly limited as long as it is a solution that can replace the relative base metal with the shell metal.
The shell metal ion-containing solution is usually composed of a solution obtained by dissolving a predetermined amount of a salt of a shell metal in an acidic solution containing an acidic compound, but is not particularly limited to this configuration. Any solution that is dissociated in the liquid may be used.
When the shell metal is platinum, for example, K 2 PtCl 4 , K 2 PtCl 6, etc. can be used as the salt of the shell metal used in the shell metal ion-containing solution, and ([PtCl 4 ] [Pt Ammonia complexes such as (NH 3 ) 4 ]) can also be used.
In the shell metal ion-containing solution, the shell metal ion concentration is not particularly limited, and can be appropriately set according to the amount of the core-shell catalyst to be produced.
As the acidic compound that can be used in the shell metal ion-containing solution, those exemplified as the acidic compound contained in the acidic solution in the first tank can be used.
シェル金属イオン含有溶液は、事前に十分に攪拌し、析出した相対的卑金属の安定性の観点から、当該溶液中には予め窒素ガス等の不活性ガスをバブリングさせることが好ましい。
置換時間(シェル金属イオン含有溶液とコア金属材料との接触時間)は、特に限定されないが、120分以上行うことが好ましい。
なお、析出工程と置換工程とを、同じ装置内で行う場合には、析出工程に使用した混合液に、シェル金属塩やシェル金属イオン含有溶液を加えてもよい。
It is preferable that the shell metal ion-containing solution is sufficiently agitated in advance and an inert gas such as nitrogen gas is bubbled in advance from the viewpoint of the stability of the precipitated base metal.
The replacement time (contact time between the shell metal ion-containing solution and the core metal material) is not particularly limited, but is preferably 120 minutes or more.
In addition, when performing a precipitation process and a substitution process in the same apparatus, you may add a shell metal salt and a shell metal ion containing solution to the liquid mixture used for the precipitation process.
(5)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。
(5) 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.
(6)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、真空下、又は、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、ジェットミル、ボールミル、ターボミル等のメカニカルミリングが挙げられる。
(6) 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 the solvent and the like, and examples thereof include a method of holding a temperature of 50 to 100 ° C. for 6 to 12 hours in a vacuum or in an inert gas atmosphere. It is done.
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 an atmospheric mortar, and mechanical milling such as a jet mill, a ball mill, and a turbo mill.
(実施例1)
[準備工程]
第一の槽及び第二の槽が互いに隣接し、当該隣接部分の一部が陽イオン交換膜(Nafion(登録商標:DuPont社製)膜)で形成され、第一の槽及び第二の槽が陽イオン交換膜で互いに隔てられている装置を用意した。
第一の槽には、酸性化合物として硫酸を含有する酸性溶液(0.05M硫酸溶液)を用い、作用極(カーボン 電極面積707cm2)、参照極(銀/塩化銀)を酸性溶液に浸るように設置した。
第二の槽には、酸性化合物として第一の槽よりも10倍濃度の高い硫酸を含有する酸性溶液(0.5M硫酸溶液)を用い、対極(白金黒付き白金メッシュ 電極面積6.5m2)を酸性溶液に浸るように設置した。
(Example 1)
[Preparation process]
The first tank and the second tank are adjacent to each other, and a part of the adjacent part is formed of a cation exchange membrane (Nafion (registered trademark: DuPont) membrane), and the first tank and the second tank Were prepared with cation exchange membranes separated from each other.
In the first tank, an acidic solution (0.05 M sulfuric acid solution) containing sulfuric acid as an acidic compound is used so that the working electrode (carbon electrode area 707 cm 2 ) and the reference electrode (silver / silver chloride) are immersed in the acidic solution. Installed.
In the second tank, an acidic solution (0.5 M sulfuric acid solution) containing sulfuric acid having a concentration 10 times higher than that of the first tank is used as the acidic compound, and the counter electrode (platinum mesh with platinum black, electrode area 6.5 m 2). ) Was soaked in an acidic solution.
[供給工程]
パラジウム担持カーボン(Pd/C Pd担持率28質量%)10gを用意し、Pd/Cを第一の槽の酸性溶液に加え、Pd/Cを懸濁させた。続いて、装置を密閉し、酸性溶液を窒素ガスで十分にバブリングし、酸素を脱気した。
次に、ポテンショスタット(北斗電工株式会社製)を作用極、対極及び参照極に接続し、作用極に対して、電位掃引範囲0.05V〜1.0V(vs.RHE)、掃引速度50mV/秒で、サイクリックボルタンメトリー(CV)を800サイクル実施し、パラジウム粒子表面の不純物や酸化物の除去を行った。なお、銀−塩化銀電極の電位はRHEへ換算して記載した。
その後、装置内の酸性溶液を窒素でバブリングしながら、卑金属イオン含有溶液として、硫酸銅300gを酸素脱気済みの0.05M硫酸水溶液1Lに溶解させた銅イオン含有溶液を、第一の槽に加えた。
[Supply process]
10 g of palladium-supported carbon (Pd / C Pd support rate 28% by mass) was prepared, and Pd / C was added to the acidic solution in the first tank to suspend Pd / C. Subsequently, the apparatus was sealed, and the acidic solution was sufficiently bubbled with nitrogen gas to degas oxygen.
Next, a potentiostat (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) was connected to the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode, and with respect to the working electrode, a potential sweep range of 0.05 V to 1.0 V (vs. RHE), a sweep speed of 50 mV / Second, cyclic voltammetry (CV) was carried out for 800 cycles to remove impurities and oxides on the surface of the palladium particles. In addition, the electric potential of the silver-silver chloride electrode was described in terms of RHE.
Then, while bubbling the acidic solution in the apparatus with nitrogen, as a base metal ion-containing solution, a copper ion-containing solution prepared by dissolving 300 g of copper sulfate in 1 L of 0.05 M sulfuric acid aqueous solution deoxygenated was added to the first tank. added.
[析出工程]
作用極の電位を0.37V(vs.RHE)に固定し、銅をパラジウム粒子上に析出させた。電位の印加は、反応電流が定常となり、ゼロに近づくまで行なった。
[Precipitation process]
The potential of the working electrode was fixed at 0.37 V (vs. RHE), and copper was deposited on the palladium particles. The potential was applied until the reaction current became steady and approached zero.
[置換工程]
電位制御を止め、シェル金属含有イオンとして、K2PtCl45.5gを酸素脱気済みの0.05M硫酸水溶液1Lに溶解させた白金イオン含有溶液を、第一の槽内に徐々に加えた。添加終了後、装置内の自然電位がプラトーになるまで(すなわち、自然電位の変動が無くなるまで)攪拌し続け、パラジウム粒子表面の銅を白金に置換した。
[Replacement process]
The potential control was stopped, and a platinum ion-containing solution in which 5.5 g of K 2 PtCl 4 was dissolved in 1 L of 0.05 M sulfuric acid aqueous solution that had been degassed as a shell metal-containing ion was gradually added to the first tank. . After completion of the addition, stirring was continued until the natural potential in the apparatus reached a plateau (that is, until the fluctuation of the natural potential disappeared), and copper on the surface of the palladium particles was replaced with platinum.
[洗浄・乾燥工程]
置換工程後、装置内の溶液をろ過し、ろ過物を超純水により洗浄した。
超純水で洗浄したろ過物を、50℃の1.0M硝酸水溶液中に投入した。超音波ホモジナイザーにより硝酸水溶液中にろ過物を十分分散させた後、分散液を1時間攪拌した。その後、再度、溶液をろ過し、ろ過物を超純水により洗浄、乾燥し、コアシェル触媒を得た。
得られたコアシェル触媒について走査透過電子顕微鏡(STEM)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5に示す。図5(A)はSTEM写真であり、図5(B)は図5(A)に示すコアシェル触媒を矢印方向に観測したPt/Pd/C原子濃度比を示す図である。図5(B)に示すように、製造したコアシェル触媒は、パラジウムコアの表面に白金シェルが形成されていることが確認できた。
[Washing and drying process]
After the replacement step, the solution in the apparatus was filtered, and the filtrate was washed with ultrapure water.
The filtrate washed with ultrapure water was put into a 1.0 M nitric acid aqueous solution at 50 ° C. The filtrate was sufficiently dispersed in an aqueous nitric acid solution using an ultrasonic homogenizer, and then the dispersion was stirred for 1 hour. Thereafter, the solution was filtered again, and the filtrate was washed with ultrapure water and dried to obtain a core-shell catalyst.
The obtained core-shell catalyst was analyzed by energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) using a scanning transmission electron microscope (STEM). The results are shown in FIG. FIG. 5A is a STEM photograph, and FIG. 5B is a diagram showing a Pt / Pd / C atomic concentration ratio obtained by observing the core-shell catalyst shown in FIG. 5A in the arrow direction. As shown in FIG. 5B, it was confirmed that the produced core-shell catalyst had a platinum shell formed on the surface of the palladium core.
(実施例2〜7)
第二の槽に、酸性溶液として1.0M硫酸溶液を用い、Pd/Cを1g(実施例2)、7g(実施例3)、10g(実施例4)、20g(実施例5)、50g(実施例6)、100g(実施例7)用いたこと以外は、実施例1と同様にしてコアシェル触媒を製造した。
(Examples 2 to 7)
In the second tank, a 1.0 M sulfuric acid solution was used as the acidic solution, and Pd / C was 1 g (Example 2), 7 g (Example 3), 10 g (Example 4), 20 g (Example 5), and 50 g. (Example 6) A core-shell catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that 100 g (Example 7) was used.
(実施例8)
第二の槽に、酸性溶液として5.0M硫酸溶液を用い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。
(Example 8)
A core-shell catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that a 5.0 M sulfuric acid solution was used as the acidic solution in the second tank.
(実施例9)
対極の面積を3.5m2に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。
Example 9
A core-shell catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that the area of the counter electrode was 3.5 m 2 .
(実施例10)
対極の面積を1m2に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。
(Example 10)
A core-shell catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that the area of the counter electrode was 1 m 2 .
(比較例1〜2)
第一の槽における酸性溶液と第二の槽における酸性溶液を共に0.05M硫酸溶液にし、Pd/Cを1g(比較例1)、7g(比較例2)用い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。
(Comparative Examples 1-2)
Example 1 except that both the acidic solution in the first tank and the acidic solution in the second tank were made 0.05M sulfuric acid solution and 1 g (Comparative Example 1) and 7 g (Comparative Example 2) of Pd / C were used. A core-shell catalyst was produced in the same manner.
(比較例3)
第一の槽における酸性溶液と第二の槽における酸性溶液を共に0.05M硫酸溶液にしたこと以外は実施例1と同様にして供給工程における電位の印加及び析出工程を試みた。しかし、反応を進行するのに必要な電圧がポテンショスタットの出力上限を超えており、電位を印加することができなかった。
(Comparative Example 3)
A potential application and precipitation step in the supply step was tried in the same manner as in Example 1 except that both the acidic solution in the first tank and the acidic solution in the second tank were made 0.05M sulfuric acid solution. However, the voltage necessary for proceeding with the reaction exceeded the upper limit of the potentiostat output, and the potential could not be applied.
(比較例4)
対極の面積を3.5m2にし、第一の槽における酸性溶液と第二の槽における酸性溶液を共に0.05M硫酸溶液にしたこと以外は実施例1と同様にして供給工程における電位の印加及び析出工程を試みた。しかし、反応を進行するのに必要な電圧がポテンショスタットの出力上限を超えており、電位を印加することができなかった。
(Comparative Example 4)
Application of electric potential in the supplying step in the same manner as in Example 1 except that the area of the counter electrode was 3.5 m 2 and both the acidic solution in the first tank and the acidic solution in the second tank were made 0.05M sulfuric acid solution. And a precipitation step was attempted. However, the voltage necessary for proceeding with the reaction exceeded the upper limit of the potentiostat output, and the potential could not be applied.
(比較例5)
対極の面積を1m2にし、第一の槽における酸性溶液と第二の槽における酸性溶液を共に0.05M硫酸溶液にしたこと以外は実施例1と同様にして供給工程における電位の印加及び析出工程を試みた。しかし、反応を進行するのに必要な電圧がポテンショスタットの出力上限を超えており、電位を印加することができなかった。
(Comparative Example 5)
Application and deposition of potential in the supplying step in the same manner as in Example 1 except that the area of the counter electrode was 1 m 2 and the acidic solution in the first tank and the acidic solution in the second tank were both 0.05M sulfuric acid solution. Tried process. However, the voltage necessary for proceeding with the reaction exceeded the upper limit of the potentiostat output, and the potential could not be applied.
(比較例6)
第二の槽に、酸性化合物として第一の槽と同じ濃度の硫酸を含有する酸性溶液(0.05M硫酸溶液)を用い、メタノール(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e− E0=1.21V)を50g/Lの濃度となるように添加したこと以外は実施例1と同様にして供給工程における電位の印加及び析出工程を試みた。
しかし、反応進行中に陽イオン交換膜を通してメタノールが第一の槽へ移動したため処理を停止した。
(Comparative Example 6)
Second tank, using an acid solution (0.05M sulfuric acid solution) containing sulfuric acid of the same concentration as the first bath as the acidic compound, methanol (CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e - E 0 = A potential application and deposition step in the supply step was attempted in the same manner as in Example 1 except that 1.21 V) was added to a concentration of 50 g / L.
However, the treatment was stopped because methanol moved to the first tank through the cation exchange membrane during the reaction.
[第二の槽に第一の槽よりも濃度の高い酸性化合物を用いた場合の効果]
図6に実施例1、4、8、比較例3の供給工程時(図6(A))及び析出工程時(図6(B))の作用極と対極との間に印加した電圧を示す。いずれの工程でも比較例3では過電圧が大きすぎて反応を進行させることができなかった。一方、実施例1、4、8では、供給工程時における電位走査した際の印加電圧は、10Vから−10V程度になり、析出工程時における作用極の電位を固定した際の印加電圧は、10V程度になり、いずれの工程でも第二の槽における硫酸の濃度が高くなると、過電圧が下がったことがわかる。
[Effect when using acidic compound with higher concentration than the first tank in the second tank]
FIG. 6 shows voltages applied between the working electrode and the counter electrode during the supply process (FIG. 6A) and the deposition process (FIG. 6B) in Examples 1, 4, 8 and Comparative Example 3. . In any step, in Comparative Example 3, the overvoltage was too large to allow the reaction to proceed. On the other hand, in Examples 1, 4, and 8, the applied voltage when scanning the potential in the supplying process is about 10V to -10V, and the applied voltage when fixing the potential of the working electrode during the deposition process is 10V. It can be seen that the overvoltage decreased as the concentration of sulfuric acid in the second tank increased in any step.
[仕込みコア金属材料質量と電圧との関係]
図7に実施例2〜7、比較例1〜3の、析出工程時の作用極と対極との間に印加した電圧を示す。比較例2、3の結果から、仕込みコア金属材料質量が7gを超えると、過電圧が大きすぎて反応を進行させることができなかったことがわかる。一方、比較例3と仕込みコア金属材料質量が同じである実施例4は、比較例3と比較して、析出工程時における作用極の電位を固定した際の印加電圧は、10V程度になり、過電圧が低下して反応を進行させることができたことがわかる。また、仕込みコア金属材料質量を100gとした実施例7であっても、析出工程時における作用極の電位を固定した際の印加電圧は、10V程度になり、過電圧が低下して反応を進行させることができたことがわかる。さらに、図7から仕込みコア金属材料が1kg以上である場合であっても反応を進行させることができると推察される。
[Relationship between charged core metal material mass and voltage]
FIG. 7 shows voltages applied between the working electrode and the counter electrode in the deposition steps of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 3. From the results of Comparative Examples 2 and 3, it can be seen that when the charged core metal material mass exceeds 7 g, the overvoltage is too large to allow the reaction to proceed. On the other hand, in Comparative Example 3 and Example 4 in which the charged core metal material mass is the same, compared with Comparative Example 3, the applied voltage when fixing the potential of the working electrode during the deposition step is about 10 V, It can be seen that the overvoltage was lowered and the reaction could proceed. Further, even in Example 7 in which the mass of the charged core metal material was 100 g, the applied voltage when the potential of the working electrode during the deposition step was fixed was about 10 V, and the overvoltage was lowered to advance the reaction. I understand that I was able to. Further, it is presumed from FIG. 7 that the reaction can proceed even when the charged core metal material is 1 kg or more.
[対極面積と電圧との関係]
図8に実施例1、9、10、比較例3〜5の析出工程時の作用極と対極との間に印加した電圧を示す。比較例3〜5では、過電圧が大きすぎて反応を進行させることができなかった。一方、対極面積を1m2、仕込みコア金属材料質量を10gとした実施例10では、析出工程時における作用極の電位を固定した際の印加電圧は、10V程度になり、過電圧が低下しており、実施例1、9、10の結果から、対極面積を6.5m2から1m2に小さくしても反応を進行させることができ、製造コストを低減することができることがわかる。
[Relationship between counter electrode area and voltage]
FIG. 8 shows voltages applied between the working electrode and the counter electrode during the deposition steps of Examples 1, 9, and 10 and Comparative Examples 3 to 5. In Comparative Examples 3 to 5, the overvoltage was too large to allow the reaction to proceed. On the other hand, in Example 10 where the counter electrode area was 1 m 2 and the charged core metal material mass was 10 g, the applied voltage when the potential of the working electrode during the deposition step was fixed was about 10 V, and the overvoltage was reduced. From the results of Examples 1, 9, and 10, it can be seen that the reaction can proceed even if the counter electrode area is reduced from 6.5 m 2 to 1 m 2 , and the manufacturing cost can be reduced.
1 第一の槽の酸性溶液
2 第二の槽の酸性溶液
3 作用極
4 参照極
5 対極
6 第一の槽
7 第二の槽
8 陽イオン交換膜
9 コア金属材料
10 装置
20 装置
30 装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Acidic solution of 1st tank 2 Acidic solution of 2nd tank 3 Working electrode 4 Reference electrode 5 Counter electrode 6 1st tank 7 2nd tank 8 Cation exchange membrane 9 Core metal material 10 Apparatus 20 Apparatus 30 Apparatus
Claims (9)
アレニウスの定義による酸性化合物を含有する酸性溶液を収容し、且つ、作用極と、参照極を備える第一の槽と、
前記酸性化合物を前記第一の槽における濃度よりも高い濃度で含有する酸性溶液を収容し、且つ、金及び白金から選ばれる貴金属を含む対極を備える第二の槽と、
前記作用極と前記参照極と前記対極の電位を制御する電位制御機構と、を有し、
前記第一の槽及び前記第二の槽が、陽イオン交換膜で互いに隔てられていることを特徴とするコアシェル触媒製造装置。 An apparatus for producing a core-shell catalyst comprising a core containing a core metal and a shell containing a shell metal and covering the core by an underpotential deposition method,
A first tank containing an acidic solution containing an acidic compound according to the definition of Arrhenius and having a working electrode and a reference electrode;
A second tank containing an acidic solution containing the acidic compound at a concentration higher than the concentration in the first tank, and having a counter electrode containing a noble metal selected from gold and platinum;
A potential control mechanism for controlling the potential of the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode;
The core-shell catalyst manufacturing apparatus, wherein the first tank and the second tank are separated from each other by a cation exchange membrane.
アレニウスの定義による酸性化合物を含有する酸性溶液を収容し、且つ、作用極と、参照極を備える第一の槽と、前記酸性化合物を前記第一の槽における濃度よりも高い濃度で含有する酸性溶液を収容し、且つ、金及び白金から選ばれる貴金属を含む対極を備える第二の槽と、前記作用極と前記参照極と前記対極の電位を制御する電位制御機構と、を有し、前記第一の槽及び前記第二の槽が、陽イオン交換膜で互いに隔てられている装置を準備する工程と、
前記第一の槽に、コア金属材料及び前記コア金属よりも相対的に卑である金属のイオンを含有する卑金属イオン含有溶液を供給する工程と、
前記卑金属イオン含有溶液及び前記酸性溶液を含む混合液中において、前記相対的卑金属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、前記コア金属材料の表面に前記相対的卑金属を析出させる工程と、
前記析出工程後、前記相対的卑金属が析出した前記コア金属材料に、前記シェル金属のイオンを含有するシェル金属イオン含有溶液を接触させることによって、前記相対的卑金属を前記シェル金属に置換することによって前記シェルを形成する工程と、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 including a core metal; and a shell including a shell metal and covering the core,
An acidic solution containing an acidic compound according to the definition of Arrhenius and containing a working electrode, a first tank provided with a reference electrode, and an acid containing the acidic compound at a concentration higher than the concentration in the first tank A second tank containing a solution and including a counter electrode containing a noble metal selected from gold and platinum, and a potential control mechanism for controlling the potential of the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode, Preparing a device in which the first tank and the second tank are separated from each other by a cation exchange membrane;
Supplying a base metal ion-containing solution containing a core metal material and ions of a metal relatively lower than the core metal to the first tank;
The step of precipitating the relative base metal on the surface of the core metal material by applying a noble potential higher than the oxidation-reduction potential of the relative base metal in the mixed solution containing the base metal ion-containing solution and the acidic solution. When,
After the deposition step, the shell metal ion-containing solution containing the shell metal ions is brought into contact with the core metal material on which the relative base metal is deposited, thereby replacing the relative base metal with the shell metal. Forming the shell, and a method for producing a core-shell catalyst.
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