JP2015529551A - 電気化学プロセス用の高表面積の非担持触媒及びその製造法 - Google Patents
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Abstract
Description
a)水性又は有機の金属塩溶液を準備する工程、
b)水性又は有機の還元剤、殊に水素化ホウ素ナトリウム水溶液を加える工程、
c)水性又は有機の混合物を静置して金属ヒドロゲルを形成する工程、
d)金属ヒドロゲルを水で洗浄し、かつアセトンを加える工程、
e)水を分離してアセトン含有の金属ヒドロゲルを得る工程、
f)アセトン含有の金属ヒドロゲルを乾燥機に入れ、かつアセトンを液体二酸化炭素で交換する工程、並びに
g)二酸化炭素含有の金属ヒドロゲルの温度を二酸化炭素の臨界点を超えて高めることによって二酸化炭素を気相に変え、かつ気相に変わった二酸化炭素を放圧及び排出する工程
を有する製造法によって解決される。工程g)の代わりに、液体二酸化炭素の乾燥は、凍結乾燥、真空乾燥又は他の慣用の乾燥法によっても行ってよい。
PtPd−合金−エアロゲルの合成
a)Pt:Pdの比1:1
0.1mMのK2PdCl4/0.1mMのH2PtCl6の水溶液396mLを10分間撹拌して、その後、新しく準備した40mMのNaBH4水溶液4.5mLを加える。その際、溶液はその色を明るい黄色から暗い灰色に変える。その後に溶液をさらに続けて30分間撹拌し、かつさらに3日間静置する。3日後に1:1の組成の黒色のPtPdヒドロゲルが形成する。ヒドロゲルを水で6〜8回洗浄し、その後、水を排除するためにアセトンを滴加する。アセトン含有ヒドロゲルを、含有される水が除去されるようにデシケーター中で一日間真空下におく。この手順を2回繰り返す。水を含まない得られたアセトン含有ゲルを臨界点乾燥装置に移し、かつアセトンを液体CO2で交換する(5分間)。容器を一晩中閉じたままにし、かつ液体CO2による洗浄を繰り返して、その後、CO2が気相に変わり得るように試料の温度をCO2の臨界点を超えて上昇させる。それからガスをゆっくりと放圧及び排出し、かつ1:1の組成のPtPd−エアロゲルを得る。
0.04mMのK2PdCl4/0.16mMのH2PtCl6の水溶液396mLを10分間撹拌して、その後に、新しく準備した49mMのNaBH4水溶液4.5mLを加える。a)に記載した工程後に4:1の組成のPtPd−エアロゲルを得る。
0.16mMのK2PdCl4/0.04mMのH2PtCl6の水溶液396mLを10分間撹拌して、その後、新しく準備した32mMのNaBH4水溶液4.5mLを加える。a)に記載した工程後に1:4の組成のPtPd−エアロゲルを得る。
Pd−エアロゲルの合成
0.2mMのK2PdCl4の水溶液396mLを10分間撹拌して、その後、新しく準備した27mMのNaBH4水溶液4.5mLを加える。更なるプロセスは、形成時間を17日間に増やした以外は例1a)に従う。純粋なPd−エアロゲルを得る。
Pt−エアロゲルの合成
0.2mMのK2PtCl6の水溶液396mLを10分間撹拌し、かつ27mMの新しく準備したNaBH4水溶液4.5mLを加える。更なるプロセスは、例1a)に従う。純粋なPt−エアロゲルを得る。
a)BET表面積の測定
異なる金属エアロゲルの比表面積を、77KでのN2吸着の測定(いわゆるBET表面積)によって求める(カンタクローム社製Autosorb 1)。40mgのエアロゲルを測定セルに移し、かつ323Kにて真空下で一晩中脱気する。比表面積は、多点法−BET式(0.05<p/po<0.2)の算出によって求められる。結果は例4aの表に見出される。本発明による触媒は70m2/g超のBET表面積を有することが認められる。
PtPd−エアロゲルの合金を測定するために、X線回折測定を行う。合金が存在するか否かを確かめるために、合金の反射は、組成の関数として純粋な金属の反射の間にある。例4bの表には、合金組成の関数として(111)反射の位置を示している。エアロゲルの組成を関数とした反射のシフトは合金形成を指し示す。
エアロゲルの組成分析を、エネルギー分散型X線分光法(EDS)によって実施する。その際、エアロゲルの試料を、Zeiss DSM 982 Geminiの計器に移す。EDSのデータは、5000倍、9kVの加速電圧、35°の角度で3回繰り返して測定する。結果は例4cの表に見出される。
Pt−エアロゲル、Pd−エアロゲル及び市販の20%Pt/Vulcan XC 72(ETEK−BASF Fuel Cell GmbH)の電気化学活性表面積の測定
Pt−エアロゲルの電気化学活性金属表面積をサイクリックボルタンメトリーによって測定する。その際、懸濁液からのエアロゲルの薄膜を、2.25μgPtの負荷量を得るために面積0.196cm2のガラス状炭素電極に施与する。それからいわゆる水素アンダーポテンシャル析出を0.1MのHClO4溶液中で、電気化学比表面積を求めるために使用する。サイクリックボルタモグラムから、0.05Vから0.45Vの間の範囲を積分し、かつ二重層容量の差し引き後に表面積を算出する。その際、実際の電気化学表面積1cm2当たり0.210mCの通常の電荷量を基準値として使用する。比較目的のために、燃料電池においてしばしば用いられるETEK−BASF Fuell Cell GmbH社の担持された工業用の燃料電池触媒の表面積を同じ方法で測定する。担持された系のPt−負荷量は44μgPt/cm2である。担持された系と比較して明らかに高い本発明によるエアロゲルの電気化学比表面積が認められる。
20%Pt/Vulcan XC 72:49m2/gPt
Pt−エアロゲル、例2に従って製造:92m2/gPt
Pt−エアロゲル、例3に従って製造:95m2/gPt
Pt−エアロゲル、PtPd−エアロゲル及び20%Pt/Vulcanの酸素還元活性の測定
酸素還元活性(ORR活性)を、回転ディスク電極を用いた測定の助けにより求める。その際、電極は、例5に記載した通りに調製し、かつO2で飽和した0.1MのHClO4電解質中で1600rpm(回転毎分)の回転速度及び10mV/sの電位送り速度で25℃にて測定する。得られたカソード曲線をIR補正し(電解質のオーム抵抗の補正)、かつ0.9Vでの酸素還元電流密度を求める。表面比電流密度と質量比電流密度の両方を算出し、かつ燃料電池においてしばしば用いられるETEK−BASF Fuell Cell社の担持された工業用の燃料電池触媒の活性と比較する。結果は、例6/7の表に見出される。Pt/Vulcan XC 72触媒及び本発明によるPt−エアロゲル触媒が同様の比活性を有する場合でも、しかしながら本発明によるエアロゲル触媒の質量比活性は明らかに高い。
エアロゲル及びPt/Vulanの腐食安定性の測定
本発明による触媒の腐食安定性を、広範囲にわたる電位サイクルによって測定する。
ここでは、電極を0.5Vから1.0Vの電位間で0.1MのHClO4中で室温及び50mV/sの電位送り速度にてサイクルさせ、かつ8000サイクル後に酸素活性を上記の通り測定する。このサイクルにより、ナノ粒子及びエアロゲルの安定性を測定する。Pt/CもPt−エアロゲルも8000回の電位サイクル後に同じ活性を有することが認められる。合金エアロゲルは、この条件下でごく僅かしか劣化しないか若しくはそれどころかその性能を改善することが認められる。
Claims (8)
- 電気化学プロセス用の少なくとも1種の金属より成る高表面積の非担持触媒において、少なくとも30m2/g、好ましくは50m2/gより大きいBET表面積を備えており、ここで、前記BET表面積は、エアロゲルとして形成された前記少なくとも1種の金属の配置によって得られていることを特徴とする触媒。
- 2種以上の金属が合金化されてエアロゲルとして存在することを特徴とする、請求項1記載の触媒。
- 金属としてPt、Pd、Au、Ir、Ru、Rh、Os、Cu、Ni、Co、Fe及び/又はMnが使用されており、ここで、好ましくは選択される金属がPt、Pd、Au,Ir、Ru、Rh、Cu及び/又はNiであり、このうちとりわけ有利にはまたPt、Pd、Au、Ir、Ru、Ni及び/又はCuであることを特徴とする、請求項1又は2記載の触媒。
- 活性材料が、前記金属と副族及び主族の1種以上の金属との合金であることを特徴とする、請求項3記載の触媒。
- 触媒、殊に請求項1から4までのいずれか1項記載の触媒の製造法であって、以下の工程段階:
a)水性又は有機の金属塩溶液を準備する工程、
b)水性又は有機の水素化ホウ素ナトリウム溶液を加える工程、
c)前記の水性又は有機の混合物を静置して金属ヒドロゲルを形成する工程、
d)前記金属ヒドロゲルを水で洗浄し、かつアセトンを加える工程、
e)前記水を分離してアセトン含有の金属ヒドロゲルを得る工程、
f)前記アセトン含有の金属ヒドロゲルを乾燥機に入れ、かつ前記アセトンを液体二酸化炭素で交換する工程、並びに
g)前記二酸化炭素含有の金属ヒドロゲルの温度を二酸化炭素の臨界点を超えて高めることによって前記二酸化炭素を気相に変え、かつ前記気相に変わった二酸化炭素を放圧及び排出する工程
を有する方法。 - 請求項1から4までのいずれか1項記載の触媒を有する、燃料電池、燃料電池電極、膜電極ユニット及び/又は触媒層。
- 電極、膜電極ユニット及び/又は触媒層が請求項1から4までのいずれか1項記載の触媒を有する電解槽。
- 電極、セパレーター電極ユニット及び/又は触媒層が請求項1から4までのいずれか1項記載の触媒を有する金属空気電池、殊に金属酸素電池。
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