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

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 Download PDF

Info

Publication number
JP2015529551A
JP2015529551A JP2015523464A JP2015523464A JP2015529551A JP 2015529551 A JP2015529551 A JP 2015529551A JP 2015523464 A JP2015523464 A JP 2015523464A JP 2015523464 A JP2015523464 A JP 2015523464A JP 2015529551 A JP2015529551 A JP 2015529551A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
catalyst
surface area
carbon dioxide
hydrogel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2015523464A
Other languages
English (en)
Inventor
アイヒミュラー アレクサンダー
アイヒミュラー アレクサンダー
フェルスケ−シュミッツ アネッテ
フェルスケ−シュミッツ アネッテ
ガポニク ニコライ
ガポニク ニコライ
ヘルマン アンネ−クリスティン
ヘルマン アンネ−クリスティン
ケッツ リューディガー
ケッツ リューディガー
リウ ウェイ
リウ ウェイ
ラービス アネット
ラービス アネット
パラマコーニ ベニート ロドリゲス ペレス
パラマコーニ ベニート ロドリゲス ペレス
ユストゥス シュミット トーマス
ユストゥス シュミット トーマス
ユアン ジーペイ
ユアン ジーペイ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Scherrer Paul Institut
Original Assignee
Scherrer Paul Institut
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Scherrer Paul Institut filed Critical Scherrer Paul Institut
Publication of JP2015529551A publication Critical patent/JP2015529551A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9041Metals or alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20Processes
    • C25B3/25Reduction
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/08Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of a fuel-cell type and a half-cell of the secondary-cell type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/921Alloys or mixtures with metallic elements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/928Unsupported catalytic particles; loose particulate catalytic materials, e.g. in fluidised state
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Abstract

本発明の目的は、担体の腐食を回避し、かつそれにも関わらず30m2/gmetal超、有利には50m2/gmetal超、とりわけ有利には70m2/gmetal超の活性表面積、すなわち高い分散を有し、それをもって高い安定性と高い活性(選択性)の両方を実現する触媒を提供することである。この目的は、本発明によれば、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、このBET表面積は、金属エアロゲルとして形成された少なくとも1種の金属の配置によって得られている、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よって達成される。このようにして、この場合、本発明によりいわゆる金属エアロゲルが製造される。金属エアロゲルは、高い気孔率を有する微細構造の無機超格子である。このようなエアロゲルは、典型的にはナノメートル領域での個々の粒子が互いに架橋しており、かつ上述の高気孔性の網目構造を形成することから、金属ポリマーとも呼ばれる。

Description

本発明は、電気化学プロセス用の高表面積の新規の非担持金属触媒及びその製造法に関する。
電気化学反応用の触媒として、白金族の金属又は他の貴金属がしばしば使用される。さらに、白金族金属と他の白金族金属又は他の遷移金属との合金もしばしば適用される。これらは、例えばニッケル、コバルト、バナジウム、鉄、チタン、銅、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、金等であってよい。このような触媒は、殊に燃料電池、電解槽又は金属空気電池において使用される。触媒はアノードにもカソードにも適用されることができる。これらあらゆる用途において、触媒は、特に燃料電池カソード、電解槽アノード及び金属空気電池の空気側において非常に腐食安定性でなければならない。
70m2/g超の可能な限り高い活性触媒表面積が実現され得るように、触媒は典型的には担持される。この場合、例えば燃料電池用に、一般的には炭素が担体として用いられる。用いられる炭素は、触媒粒子が可能な限り微細に分散され得るよう、それをもって活性触媒表面積を高めるために、典型的には1000m2/gまでのBET比表面積を有する。通常の担体、例えば、約250m2/gのBET表面積を有するVulcan XC 72(Cabot社)又は約800m2/gのBET表面積を有するKetjen Black EC−300(Akzo−Nobel社)の欠点は、それらが非常に素早く腐食すること、すなわち、運転条件下で非常に素早くCO2へと酸化され、それに伴って電極の機能を損ねる(これはそれに電気化学系、例えば燃料電池の故障を招く)ことである。
一般的には、高い活性表面積及び腐食され得ないか又はごく僅かにしか腐食され得ない担体を有する良好な機能性電気触媒を定義付けることが可能である。
触媒担体を安定させる1つの解決策は、高表面積の炭素担体を黒鉛化することであり、これは該担体の腐食安定性を典型的には高めるが、しかしながら本質的な不安定性は妨げない。代替的に非担持触媒も用いられることができ、これは当然の事ながら触媒担体の問題が起こらないようにする。しかしながら非担持系は常に触媒分散の低下と結び付いており、すなわち、活性触媒表面積は、担持系の場合の70m2/g超から、例えば白金黒触媒の場合のおよそ最大20m2/gへと減少される。これは、例えば燃料電池の場合、同じ電気化学性能を実現するために、表面積の低下率に応じて触媒負荷量が増大されなければならないことを意味する。このことは、特に触媒が白金族金属に由来する場合、より高いコストを結果的にもたらす。商業的に得られる系は、例えば3M社より作り出されている。この場合、特殊な非導電性有機基材に、触媒、例えばPt又は金属合金が蒸着又はスパッタリングによって施与され、これはたしかに非担持触媒系に相当するが、しかしながら最大20m2/gmetalの比表面積を実現するだけでもある。これらのいわゆる拡大された金属表面積は非常に高い安定性によって際立つが、しかしながら上で既に述べた通り低い分散(バルク原子に対する表面原子の比)をはっきりと示し、このことは、すべての電気化学反応が触媒の表面で起きることから、使用される触媒の利用を著しく減少させる。
そのため本発明の目的は、担体の腐食を回避し、かつそれにも関わらず70m2/gmetal超の活性表面積、すなわち高い分散を有し、それをもって高い安定性と高い活性(選択性)の両方を実現する触媒を提供することである。
この目的は、本発明によれば、少なくとも30m2/g、好ましくは50m2/gより大きいBET表面積を備えている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よって達成され、ここで、このBET表面積は、金属エアロゲルとして形成された少なくとも1種の金属の配置によって得られている。
さらに、本発明の基礎を成している課題は、このような触媒の製造法を示すことである。
この課題は、触媒、殊に前述のタイプに従った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。
このように、この場合、本発明によるいわゆる金属エアロゲルが製造される。この製造法を図1に概略的に示している。図2は、SEM写真(a)並びに2つのTEM写真(b)及び(c)を基にして、本発明による金属エアロゲルがマイクロ領域及びナノ領域での高い気孔率を有する微細構造の(filigrane)無機超格子を形成することを示す。このようなエアロゲルは、典型的にはナノメートル領域での個々の粒子が互いに架橋しており、かつ上述の高気孔性の網目構造を形成することから、金属ポリマーとも呼ばれる。エアロゲルの特徴は、ナノ構造の網目組織の高い気孔率と、それによってバルク材料と比べて著しく減少した密度(バルク材料と比べて1000分の1までの僅かな密度)と結び付いていることである。
特に二酸化ケイ素、酸化アルミニウムの無機エアロゲル、又は炭素のエアロゲルは自体公知であり、かつ気相触媒反応の多くの領域において活性相の担体材料として用いられる。最近では、銀を架橋材料として用いた非担持金属エアロゲルの製造も記載されていた(Angew.Chemie 2009,121,9911)。しかしながら、ここに記載された2種の金属から成るエアロゲル混合物(Ag/Pt、Ag/Au)は、記載されたプロセスにおいて架橋材料に該当する銀を常に含有する。さらに、エアロゲルの製造(Angew.Chemie 2009,121,9911)は、安定剤、例えばデキストリンの助けにより行われるが、これは合成後に費用を掛けて除去されなければならないか若しくは留まって触媒の作用力を減ずる可能性がある。
エアロゲルの特徴は、BET表面積とも呼ばれる比表面積である。BET表面積の測定は、通常はN2の吸着及び脱着により行われる。Angew.Chemie 2009.121,9911に記載された2種の金属から成るエアロゲルは、50m2/g未満のBET表面積を有する。本発明による単一金属から成るエアロゲルは、少なくとも30m2/gの表面積、好ましくは50m2/g、とりわけ有利には70m2/g以上の表面積を有する。
Angew.Chemie 2009,121,9911には、合金でない2種の金属から成るエアロゲルのみが記載されるのに対して、本発明による2種若しくは3種の金属から成るエアロゲルは定義付けられた合金である。本発明による2種若しくは3種の金属から成るエアロゲルは、少なくとも30m2/gの表面積、好ましくは50m2/g、とりわけ有利には少なくとも70m2/g以上の表面積を有する。
通常、合金の形成はX線回折によって測定されることができ、多元金属系においても配向ごとに1つだけの回折反射を読み取れば、これは1つだけの相の形成を指し示し、それに対して非合金系は配向ごとに複数の反射を有し、これは多相形成を指し示す。
意想外にも、単一金属から成るエアロゲルも合金化された多数の金属から成るエアロゲルも、担持系、例えば炭素担持白金と比較して高められた触媒活性を、特に燃料電池、電解槽及び金属空気電池において起こる反応のために有する。
電気化学活性は、0.1MのHClO4又は0.1MのKOH中で回転ディスク電極を用いた測定の助けにより求められることができる。試験されるべき触媒は、5mmの直径を有するガラス状炭素ディスクに施与される。負荷量は、触媒に応じて、典型的には10μg/cm2から40μg/cm2の間にある。所望の反応は、それに応じて、反応物で飽和した電解質中で実施される。酸素の還元のために、活性は、生成物及び拡散限界電流と0.9Vにて測定された電流との差の商として出され、結果は、酸素の還元のための触媒の電気化学活性である。同じく、他の反応のための活性、例えばO2発生、H2発生等のための活性も測定されることができる。
意想外にも、単一金属から成るエアロゲルも合金化された多数の金属から成るエアロゲルも、担持系、例えば炭素担持白金と比較して高められた触媒安定性を有する。
腐食安定性も、同様に回転ディスク電極の助けにより求められる。試験されるべき触媒は、5mmの直径を有するガラス状炭素ディスクに施与される。負荷量は、触媒に応じて、典型的には10μg/cm2から40μg/cm2の間にある。その際、上記の通り、例えば酸素還元活性又は発生活性が求められ、その後、電極が0.5Vから1.0Vの間の電気化学電位間で8000回サイクルさせられる。それから触媒の活性が再び同じように求められる。このとき、高められた安定性を、高められた活性から直接読み取ることができる。さらに、腐食安定性は、数時間にわたって前述の電極を1.5Vに保つことによって定電位的に求められ、かつテスト前及びテスト後の活性の定量が求められる。
非担持型の本発明によるエアロゲルの触媒活性材料はPt、Pd、Au、Ir、Ru、Rh、Os、Cu、Ni、Co、Fe、Mnである。極めて有利な金属はPt、Pd、Au、Ir、Ru、Ag、Rh、Os、Cu、Niであり、とりわけ有利にはPt、Pd、Au、Ir、Ru、Cuである。さらに、本発明による活性材料は、上述の金属と副族及び主族の1種以上の金属との合金である。特に燃料電池におけるカソード触媒としての適用のために、PtとNi、Co、Fe、Mn、Pdとの合金が挙げられ、ここで、上述のリストは包括的なものではない。
本発明による触媒は、例えば電極触媒として、有利にはカソード触媒として用いられる。殊に触媒は、燃料電池における電極触媒として、この場合、殊にカソード側での使用に適している。さらに、本発明による触媒は、電解槽におけるアノード触媒として、殊に水電解のためのアノード触媒として用いられる。さらに、本発明による触媒は、電解槽におけるカソード触媒として、殊に水素の形成のために及び炭素含有化合物の還元のために用いられる。さらに、本発明による触媒は、空気電極において、殊にリチウム空気電池及び亜鉛空気電池の空気電極において、しかしながら他の金属空気電池においても用いられる。
本発明による方法に従って金属エアロゲルを製造する方法を示す図 本発明による金属エアロゲルがマイクロ領域及びナノ領域での高い気孔率を有する微細構造の無機超格子を形成することを表すSEM写真(a)並びに2つのTEM写真(b)及び(c)を示す図
例1:
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。
b)Pt:Pdの比4:1
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。
c)Pt:Pdの比1:4
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。
例2:
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。
例3:
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。
例4:
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。
Figure 2015529551
b)合金の測定のためのX線回折測定
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。
Figure 2015529551
c)合金の組成
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。
Figure 2015529551
例5:
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。
Pt−エアロゲル:
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
例6:
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。
例7:
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。
サイクル 1:燃料電池の寿命サイクル
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。
腐食テスト(Ptのみを含有する触媒を測定):この場合、本発明による触媒を有する電極を1.5Vで5時間保ち、かつ酸素還元活性を定電位測定前及び測定後に測定する。例6/7の表には、テスト後の活性の減少を出発値の百分率として示している。エアロゲル−触媒は、市販の担持されたPt/Vulcan XC 72触媒より劣化が少ないことが認められる。
使用した電極は、例5に記載の通り調製する。得られたデータは、後続の例6/7の表に見出される。
Figure 2015529551

Claims (8)

  1. 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. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
JP2015523464A 2012-07-25 2013-06-10 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 Pending JP2015529551A (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12177908.6 2012-07-25
EP12177908 2012-07-25
EP12188717.8A EP2690693A1 (de) 2012-07-25 2012-10-16 Hochoberflächiger trägerloser Katalysator für elektrochemische Prozesse und Verfahren zu seiner Herstellung
EP12188717.8 2012-10-16
PCT/EP2013/061922 WO2014016035A1 (de) 2012-07-25 2013-06-10 Hochoberflächiger trägerloser katalysator für elektrochemische prozesse und verfahren zu seiner herstellung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015529551A true JP2015529551A (ja) 2015-10-08

Family

ID=47010421

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015523464A Pending JP2015529551A (ja) 2012-07-25 2013-06-10 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

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20150162622A1 (ja)
EP (1) EP2690693A1 (ja)
JP (1) JP2015529551A (ja)
DE (1) DE112013003651A5 (ja)
WO (1) WO2014016035A1 (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015113455B3 (de) * 2015-08-14 2016-10-06 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Verfahren zur Herstellung von nicht-geträgerten Nanopartikelanordnungen, nicht-geträgerte Nanopartikelanordnungen sowie deren Verwendung
CN113275582A (zh) * 2021-04-01 2021-08-20 南京工业大学 一种金属气凝胶电催化材料的制备方法
CN113564630A (zh) * 2021-07-05 2021-10-29 江苏大学 将金属气凝胶催化材料用于制备阴离子膜电解池电催化还原co2反应的用途
CN113648999A (zh) * 2021-08-18 2021-11-16 湘潭大学 一种金属气凝胶材料的制备方法及其应用
CN113769668B (zh) * 2021-08-31 2024-05-14 北京大学深圳研究生院 铜基凝胶材料及其制备方法和应用
CN114182267B (zh) * 2022-02-14 2022-04-15 北京理工大学 一种燃料电池用电极催化剂的电化学表面处理方法
CN117568848B (zh) * 2024-01-17 2024-04-02 浙江百能科技有限公司 一种电解氢碘酸制氢的装置及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006504508A (ja) * 2001-12-27 2006-02-09 エアロジェル・コンポジット・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー エアロジェル及び金属組成物
JP2006045582A (ja) * 2004-07-30 2006-02-16 Univ Of Miyazaki 白金ないし白金を含む貴金属からなるスポンジ状ナノ粒子及びその製造方法
US20060078454A1 (en) * 2004-10-12 2006-04-13 Tappan Bryce C Preparation of nanoporous metal foam from high nitrogen transition metal complexes

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040141908A1 (en) * 2002-12-20 2004-07-22 Hara Hiroaki S. Aerogel and metallic composites
WO2005018037A1 (en) * 2003-08-15 2005-02-24 Hydrogenics Corporation End plate for an electrochemical cell stack
EP2008322B1 (en) * 2006-02-24 2017-02-22 The Regents of The University of California Platinum and platinum based alloy nanotubes as electrocatalysts for fuel cells
US8148020B2 (en) * 2009-04-01 2012-04-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Molybdenum/air battery and cell design
KR101714061B1 (ko) * 2011-03-21 2017-03-09 현대자동차주식회사 고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006504508A (ja) * 2001-12-27 2006-02-09 エアロジェル・コンポジット・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー エアロジェル及び金属組成物
JP2006045582A (ja) * 2004-07-30 2006-02-16 Univ Of Miyazaki 白金ないし白金を含む貴金属からなるスポンジ状ナノ粒子及びその製造方法
US20060078454A1 (en) * 2004-10-12 2006-04-13 Tappan Bryce C Preparation of nanoporous metal foam from high nitrogen transition metal complexes

Also Published As

Publication number Publication date
EP2690693A1 (de) 2014-01-29
DE112013003651A5 (de) 2015-04-16
US20150162622A1 (en) 2015-06-11
WO2014016035A1 (de) 2014-01-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9882223B2 (en) Catalysts and electrodes for fuel cells
Ramos-Sánchez et al. PdNi electrocatalyst for oxygen reduction in acid media
Jukk et al. Oxygen reduction on Pd nanoparticle/multi-walled carbon nanotube composites
US11682773B2 (en) Electrocatalyst
Sun et al. Palladium-coated manganese dioxide catalysts for oxygen reduction reaction in alkaline media
Carrión-Satorre et al. Performance of carbon-supported palladium and palladiumruthenium catalysts for alkaline membrane direct ethanol fuel cells
JP2015529551A (ja) 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
US20190276943A1 (en) Carbon supported single atom carbon dioxide reduction electro catalysts
Yasmin et al. Electrochemically reduced graphene-oxide supported bimetallic nanoparticles highly efficient for oxygen reduction reaction with excellent methanol tolerance
Brouzgou et al. CO tolerance and durability study of PtMe (Me= Ir or Pd) electrocatalysts for H2-PEMFC application
Wu et al. Palladium copper nanosponges for electrocatalytic reduction of oxygen and glucose detection
Brkovic et al. Non-stoichiometric tungsten-carbide-oxide-supported Pt–Ru anode catalysts for PEM fuel cells–From basic electrochemistry to fuel cell performance
Zhang et al. Porous PdZn bimetallene for oxygen reduction electrolysis
Brković et al. Pt/C catalyst impregnated with tungsten-oxide–Hydrogen oxidation reaction vs. CO tolerance
Rahmani et al. Excellent electro-oxidation of methanol and ethanol in alkaline media: electrodeposition of the NiMoP metallic nano-particles on/in the ERGO layers/CE
Yang et al. An effective and durable interface structure design for oxygen reduction and methanol oxidation electrocatalyst
Wang et al. Bioethanol as a new sustainable fuel for anion exchange membrane fuel cells with carbon nanotube supported surface dealloyed PtCo nanocomposite anodes
Khalifeh-Soltani et al. Pt–Ru nanoparticles anchored on poly (brilliant cresyl blue) as a new polymeric support: Application as an efficient electrocatalyst in methanol oxidation reaction
Yasmin et al. 2, 3-diaminopyridine functionalized reduced graphene oxide-supported palladium nanoparticles with high activity for electrocatalytic oxygen reduction reaction
Lagarteira et al. The role of Pt loading on reduced graphene oxide support in the polyol synthesis of catalysts for oxygen reduction reaction
Linge et al. Ag nanoparticles on mesoporous carbon support as cathode catalyst for anion exchange membrane fuel cell
Hosseini et al. Electrocatalysis of oxygen reduction on multi-walled carbon nanotube supported Ru-based catalysts in alkaline media
Baruah et al. The promotional effect of Ag in activated carbon supported Pt-Ag nanoalloy electrocatalyst towards alkaline ethanol oxidation reaction: A kinetic study
Feng et al. Non-carbon 1D mesoporous titanium vanadium nitride as supports of Pt nanoparticles for methanol electrooxidation
Mooste et al. Bifunctional oxygen electrocatalyst based on Fe, Co, and nitrogen co-doped graphene-coated alumina nanofibers for Zn-air battery air electrode

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160502

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170412

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170424

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170613

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20171113