JP2016054065A - Manufacturing method of electrode catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極触媒の製造方法に関する。特に、本発明は、耐久性に優れる電極触媒の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst. In particular, the present invention relates to a method for producing an electrode catalyst having excellent durability.
近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子形燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体(MEA)を、セパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層及びガス拡散性の電極(ガス拡散層;GDL)により挟持されてなるものである。 In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. In the electrolyte membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusing electrode (gas diffusion layer; GDL).
上記したような電解質膜−電極接合体を有する固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜を挟持する両電極(カソード及びアノード)において、その極性に応じて以下に記す反応式で示される電極反応を進行させ、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(負極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H2→4H++4e−:反応1)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(正極)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O2+4H++4e−→2H2O:反応2)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell having the electrolyte membrane-electrode assembly as described above, both the electrodes (cathode and anode) sandwiching the polymer electrolyte membrane are represented by the following reaction formulas according to their polarities. Electrode reaction proceeds to obtain electrical energy. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (negative electrode) side is oxidized by the catalyst component to become protons and electrons (2H 2 → 4H + + 4e − : reaction 1). Next, the generated protons pass through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer, and reach the cathode (positive electrode) side electrode catalyst layer. In addition, the electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer include the conductive carrier constituting the electrode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the side of the electrode catalyst layer different from the solid polymer electrolyte membrane, the separator, and the outside. The cathode side electrode catalyst layer is reached through the circuit. The protons and electrons that have reached the cathode-side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O: Reaction 2). . In the fuel cell, electricity can be taken out through the above-described electrochemical reaction.
ここで、発電性能を向上させるためには、電極触媒層の触媒粒子の活性および耐久性(耐久試験後の活性)の向上が重要な鍵となる。従来、活性及び耐久性向上の観点から、白金を電極触媒の触媒成分として使用する必要があった。しかしながら、白金は、非常に高価であり、資源的にも稀少な金属であるため、活性や耐久性は維持しつつ、触媒粒子に占める白金含有量を低減した白金合金系触媒の開発が求められている。 Here, in order to improve the power generation performance, it is important to improve the activity and durability (activity after the durability test) of the catalyst particles of the electrode catalyst layer. Conventionally, it was necessary to use platinum as a catalyst component of an electrode catalyst from the viewpoint of improving activity and durability. However, since platinum is very expensive and a rare metal, it is necessary to develop a platinum alloy catalyst with reduced platinum content in the catalyst particles while maintaining activity and durability. ing.
例えば、特許文献1では、面心正方構造からなる白金−金属合金を含み、白金−金属合金のXRDパターンにおいて2θ値が65〜75度でブロードなピーク又は頂部が2つに分かれたピークを示す触媒が報告されている。特許文献1によると、面心正方構造からなる白金−金属合金は安定した構造であるため、耐久性に優れる。 For example, Patent Document 1 includes a platinum-metal alloy having a face-centered tetragonal structure, and shows a broad peak or a peak divided into two at a 2θ value of 65 to 75 degrees in an XRD pattern of the platinum-metal alloy. Catalysts have been reported. According to Patent Document 1, a platinum-metal alloy having a face-centered tetragonal structure has a stable structure and thus has excellent durability.
しかしながら、特許文献1に記載の白金−金属合金は、合金としては安定した構造であるが、触媒粒子表面に白金以外の金属が存在するため、酸性条件下では白金以外の金属が溶出してしまう。このため、特許文献1に記載の触媒は、活性及び耐久性に劣る。 However, although the platinum-metal alloy described in Patent Document 1 has a stable structure as an alloy, a metal other than platinum is present on the surface of the catalyst particles, so that a metal other than platinum is eluted under acidic conditions. . For this reason, the catalyst of patent document 1 is inferior to activity and durability.
したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、耐久性に優れる電極触媒の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for producing an electrode catalyst having excellent durability.
本発明の別の目的は、本発明に係る電極触媒を用いてなる電解質膜−電極接合体および燃料電池を提供することである。 Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane-electrode assembly and a fuel cell using the electrode catalyst according to the present invention.
本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った結果、触媒の構造に注目し、触媒粒子表面を白金原子のみのスキン層で構成することによって上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by focusing on the structure of the catalyst and configuring the catalyst particle surface with a skin layer of only platinum atoms. The present invention has been completed.
本発明の方法によれば、表面が耐溶解性に優れる白金原子のみで構成される電極触媒を製造できる。ゆえに、本発明に係る電極触媒は耐久性に優れる。 According to the method of the present invention, it is possible to produce an electrode catalyst composed of only platinum atoms whose surface is excellent in dissolution resistance. Therefore, the electrode catalyst according to the present invention is excellent in durability.
本発明の触媒粒子が導電性担体に担持してなる電極触媒の製造方法は、下記工程(i)〜(v)を有する:
(i)白金前駆体と非白金金属前駆体との混合溶液に還元剤を添加し、前記白金前駆体および非白金金属前駆体を同時還元して、白金−非白金金属合金粒子を得る(工程(i));
(ii)前記白金−非白金金属合金粒子を、表面上にラクトン基、水酸基、エーテル基、およびカルボニル基からなる群より選択される少なくとも一つ以上の官能基を総量として0.5μmol/m2以上を有するカーボン担体に担持して、触媒前駆粒子担持担体を調製する(工程(ii));
(iii)前記触媒前駆粒子担持担体に第一の熱処理を実施して、熱処理触媒粒子担体を得る(工程(iii));
(iv)前記熱処理触媒粒子担体を酸処理して、熱/酸処理触媒粒子担体を得る(工程(iv));および
(v)前記熱/酸処理触媒粒子担体に第二の熱処理を実施する(工程(v));。上記触媒粒子は、白金原子と非白金金属原子からなる合金粒子である。この際、上記合金粒子は、内部構造としてL12構造を有し、かつ白金原子と非白金金属原子からなるコア部および前記コア部を被覆する白金原子からなるスキン層から構成される。
The method for producing an electrode catalyst in which the catalyst particles of the present invention are supported on a conductive carrier has the following steps (i) to (v):
(I) A reducing agent is added to a mixed solution of a platinum precursor and a non-platinum metal precursor, and the platinum precursor and the non-platinum metal precursor are simultaneously reduced to obtain platinum-non-platinum metal alloy particles (step) (I));
(Ii) The platinum-non-platinum metal alloy particles have a total amount of at least one functional group selected from the group consisting of a lactone group, a hydroxyl group, an ether group, and a carbonyl group on the surface of 0.5 μmol / m 2. The catalyst precursor particle-supported carrier is prepared by being supported on the carbon carrier having the above (step (ii));
(Iii) The catalyst precursor particle-supported carrier is subjected to a first heat treatment to obtain a heat-treated catalyst particle carrier (step (iii));
(Iv) acid-treating the heat treated catalyst particle carrier to obtain a heat / acid treated catalyst particle carrier (step (iv)); and (v) performing a second heat treatment on the heat / acid treated catalyst particle carrier. (Step (v)); The catalyst particles are alloy particles composed of platinum atoms and non-platinum metal atoms. In this case, the alloy particles have an L1 2 structure as an internal structure, and composed of a skin layer made of platinum atoms which covers the core portion and the core portion composed of platinum atoms and a non-platinum metal atoms.
本明細書において、「内部構造としてL12構造を有する」とは、L12構造の規則度(Extent of ordering)が0%を超えるものを指す。ここで、「L12構造の規則度(Extent of ordering)」とは、L12構造の度合いを示すものであり、L12構造の規則度は、合金粒子構造全体に占めるL12構造の体積割合(体積%)を意味する。この規則度が大きいほど、規則性の高い(L12構造を高い体積割合で有する)金属間化合物であることを意味する。さらに、本明細書中では、「L12構造の規則度」を単に「規則度」とも称する。 In the present specification, "having an L1 2 structure as an internal structure" refers to those rules of the L1 2 structure (Extent of ordering) is greater than 0%. Here, the "rules of the L1 2 structure (Extent of ordering)", which indicates the degree of L1 2 structure, rules of the L1 2 structure, the volume ratio of the L1 2 structure in the entire alloy grain structure (% By volume). The greater this degree of order (with an L1 2 structure at a high volume rate) higher regularity means that an intermetallic compound. Further, in this specification, also referred to as the "rule of the L1 2 structure" simply "order parameter".
上記特許文献1の触媒を構成する白金−金属合金は、十分な活性を発揮できない上、白金と合金を形成する金属(例えば、Co)の連鎖的溶出を防ぐことができず、耐久性に劣る。これに対して、本発明に係る方法によって製造される電極触媒(合金粒子)は、耐久性に優れる(耐久試験前後の活性を有効に維持できる)。上記効果が達成しうる理由は不明であるが、以下のように推測される。なお、本発明は、下記推測によって限定されない。なお、以下では、本発明に係る方法によって製造される電極触媒を単に「本発明に係る電極触媒」とも称する。同様にして、本発明に係る方法によって製造される特定の構造を有する合金粒子を単に「本発明に係る合金粒子」とも称する。さらに、本明細書では、「合金粒子」および「触媒粒子」は同義で使用される。 The platinum-metal alloy constituting the catalyst of Patent Document 1 cannot exhibit sufficient activity and cannot prevent chain elution of a metal (for example, Co) that forms an alloy with platinum, resulting in poor durability. . On the other hand, the electrode catalyst (alloy particles) produced by the method according to the present invention is excellent in durability (the activity before and after the durability test can be effectively maintained). The reason why the above effect can be achieved is unknown, but is estimated as follows. In addition, this invention is not limited by the following estimation. Hereinafter, the electrode catalyst produced by the method according to the present invention is also simply referred to as “electrode catalyst according to the present invention”. Similarly, alloy particles having a specific structure manufactured by the method according to the present invention are also simply referred to as “alloy particles according to the present invention”. Further, in the present specification, “alloy particles” and “catalyst particles” are used synonymously.
すなわち、上記特許文献1の触媒を構成する白金−金属合金は、面心正方構造からなり、CuKαラインを利用したXRDパターンで、2θ値が65〜75度でブロードなピークまたは頂部が2つに分かれたピークを示す。このため、上記特許文献1の白金−金属合金は、L10構造を有する金属間化合物である。このL10構造を有する金属間化合物は、合金としては安定である。しかしながら、白金層及び金属層が繰り返した構造をとるため、L12構造を有する金属間化合物に比べると、構造安定性に劣る。また、上記特許文献1に記載の白金−金属合金は、触媒粒子表面に白金以外の金属(例えば、Co)が存在するため、酸性条件下、例えば、強酸性の電解質下(例えば、PEFC)では、金属の連鎖的溶出を十分に抑制できず、金属が溶出する。このため、特許文献1に記載の触媒は、活性及び耐久性に劣る。 That is, the platinum-metal alloy constituting the catalyst of Patent Document 1 has a face-centered tetragonal structure, an XRD pattern using a CuKα line, and a 2θ value of 65 to 75 degrees and two broad peaks or apexes. Separate peaks are shown. Therefore, the platinum Patent Document 1 - metal alloy is an intermetallic compound having an L1 0 structure. Intermetallic compound having an L1 0 structure, as the alloy is stable. However, to take the platinum layer and the metal layer is repeated structure, as compared to the intermetallic compound having a L1 2 structure, poor structural stability. In addition, since the platinum-metal alloy described in Patent Document 1 contains a metal other than platinum (for example, Co) on the surface of the catalyst particles, under acidic conditions, for example, under a strongly acidic electrolyte (for example, PEFC). The chain elution of the metal cannot be sufficiently suppressed, and the metal is eluted. For this reason, the catalyst of patent document 1 is inferior to activity and durability.
これに対して、本発明に係る電極触媒(合金粒子)は、上記工程(i)〜(v)によって製造される。本発明に係る電極触媒(合金粒子)は、白金前駆体及び非白金金属前駆体の担体への同時担持、熱処理(第一の熱処理)、および酸処理→熱処理(第二の熱処理)を順次行うことによって製造される。このようにして製造された本発明に係る電極触媒(合金粒子)は、白金原子と非白金金属原子からなるコア部および前記コアを被覆する白金原子からなるスキン層から構成される。以下では、白金原子と非白金金属原子からなるコア部を単に「コア部」とも、および前記コアを被覆する白金原子からなるスキン層を単に「スキン層」とも、それぞれ、称する。このような構成をとることによって、触媒粒子は耐久性に優れる(即ち、活性を長期間にわたり維持できる)。詳細には、従来の白金原子と非白金金属原子とからなる合金(触媒)粒子は、最表面に非白金金属が存在している。合金粒子を構成する非白金金属は、通常、白金に比して、溶出しやすい。このため、このような合金粒子を導電性担体に担持してなる電極触媒を電位サイクル等の環境下におくと、最表面の非白金金属が容易に溶出して、触媒性能が低下する(即ち、耐久性に劣る)。また、上述したように、従来の触媒粒子では、酸性条件下、例えば、強酸性の電解質(例えば、PEFCで一般的に使用されているパーフルオロスルホン酸のような電解質)に接触した状態で、非白金金属が連鎖的に溶出してしまう。これに対して、本発明に係る合金粒子では、電位サイクルに対する耐溶解性の高い白金原子からなるスキン層が白金原子と非白金金属原子からなるコア部を被覆している。すなわち、本発明に係る合金粒子では、最表面に非白金金属が存在しないまたはほとんど存在しない。このため、電位サイクル等の環境下(耐久試験後)や酸性条件下であっても、スキン層が非白金金属の溶出を抑制・防止する。ゆえに、触媒粒子及びこのような触媒粒子が担持されてなる電極触媒は、活性(面積比活性、質量比活性、特に質量比活性)の低下を有効に抑制・防止でき、耐久性に優れる。 On the other hand, the electrode catalyst (alloy particles) according to the present invention is produced by the above steps (i) to (v). The electrode catalyst (alloy particle) according to the present invention sequentially carries a platinum precursor and a non-platinum metal precursor on a support, heat treatment (first heat treatment), and acid treatment → heat treatment (second heat treatment) sequentially. Manufactured by. The electrode catalyst (alloy particles) according to the present invention thus produced is composed of a core portion made of platinum atoms and non-platinum metal atoms, and a skin layer made of platinum atoms covering the core. Hereinafter, the core part composed of platinum atoms and non-platinum metal atoms is also referred to simply as “core part”, and the skin layer composed of platinum atoms covering the core is also referred to simply as “skin layer”. By adopting such a configuration, the catalyst particles are excellent in durability (that is, the activity can be maintained for a long time). Specifically, a conventional alloy (catalyst) particle composed of platinum atoms and non-platinum metal atoms has non-platinum metal on the outermost surface. The non-platinum metal constituting the alloy particles is usually easier to elute than platinum. For this reason, when an electrode catalyst in which such alloy particles are supported on a conductive carrier is placed in an environment such as a potential cycle, the non-platinum metal on the outermost surface is easily eluted and the catalytic performance is reduced (ie, Inferior in durability). Further, as described above, in the conventional catalyst particles, in contact with a strongly acidic electrolyte (for example, an electrolyte such as perfluorosulfonic acid generally used in PEFC) under acidic conditions, Non-platinum metal elutes in a chain. On the other hand, in the alloy particles according to the present invention, a skin layer made of platinum atoms having high resistance to electric potential cycles covers a core part made of platinum atoms and non-platinum metal atoms. That is, the alloy particles according to the present invention have no or almost no non-platinum metal on the outermost surface. For this reason, the skin layer suppresses / prevents elution of non-platinum metal even under an environment such as a potential cycle (after an endurance test) or under acidic conditions. Therefore, the catalyst particles and the electrode catalyst on which such catalyst particles are supported can effectively suppress and prevent a decrease in activity (area specific activity, mass specific activity, particularly mass specific activity), and is excellent in durability.
さらに、上述したように、本発明に係る合金粒子は、内部構造としてL12構造を有する。L12構造は、fcc構造(α(000)、β(1/2 1/2 0)、γ(1/2 0 1/2)、δ(0 1/2 1/2))の4つの副格子のうち1つだけが異なり、3:1の組成比で規則構造を形成する。また、L12構造の原子配置は、立方対称性を有する。また、上記構造をとる合金(触媒)粒子は、非白金金属原子同士が配位せず、多くの白金原子が触媒粒子表面に存在している。このため、本発明に係る合金(触媒)粒子は、溶出耐性が高く、酸性条件下、例えば、強酸性の電解質(例えば、PEFCで使用されているパーフルオロスルホン酸のような電解質)に接触した状態であっても、非白金金属の連鎖的溶出を抑制・防止できる。 Further, as described above, alloy particles according to the present invention has an L1 2 structure as an internal structure. L1 2 structure, fcc structure (α (000), β ( 1/2 1/2 0), γ (1/2 0 1/2), δ (0 1/2 1/2)) 4 one secondary of Only one of the lattices is different and forms a regular structure with a composition ratio of 3: 1. The atomic arrangement of the L1 2 structure has a cubic symmetry. In the alloy (catalyst) particles having the above structure, non-platinum metal atoms are not coordinated with each other, and many platinum atoms are present on the surface of the catalyst particles. For this reason, the alloy (catalyst) particles according to the present invention have high elution resistance, and contacted, for example, a strongly acidic electrolyte (for example, an electrolyte such as perfluorosulfonic acid used in PEFC) under acidic conditions. Even in the state, chain elution of non-platinum metal can be suppressed / prevented.
したがって、本発明に係る電極触媒(合金粒子)はL12構造およびスキン層を有することで、耐久性に優れる(耐久試験前後で活性を維持できる)。すなわち、耐久試験後にも活性(面積比活性、質量比活性、特に質量比活性)を維持できる。また、本発明に係る電極触媒(合金粒子)は、少ない白金含有量であっても、高い活性を発揮できる。このため、本発明に係る電極触媒を含む触媒層を有する膜電極接合体および燃料電池は、発電性能に優れる。上記効果は、スキン層が1〜5白金原子層から構成される場合または粒子のL12構造の規則度が30%以上である場合に特に顕著である。 Therefore, the electrode catalyst according to the present invention (alloy particles) that have an L1 2 structure and the skin layer, (activity can be maintained before and after the durability test) excellent durability. That is, the activity (area specific activity, mass specific activity, particularly mass specific activity) can be maintained after the durability test. In addition, the electrode catalyst (alloy particles) according to the present invention can exhibit high activity even with a small platinum content. For this reason, the membrane electrode assembly and fuel cell which have a catalyst layer containing the electrode catalyst which concerns on this invention are excellent in electric power generation performance. The above effect is particularly noticeable when the degree of order of the L1 2 structure in or particle skin layer composed of 1-5 platinum atomic layers is 30% or more.
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の触媒粒子の一実施形態、並びにこれを使用した電極、電解質膜−電極接合体(MEA)および燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明した場合では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of the catalyst particles of the present invention, and an embodiment of an electrode, an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) and a fuel cell using the same will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not limited only to the following embodiments. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one. Further, in the case where the embodiment of the present invention is described with reference to the drawings, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings, and redundant description is omitted.
また、本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は「X以上Y以下」を意味し、「重量」と「質量」、「重量%」と「質量%」及び「重量部」と「質量部」は同義語として扱う。また、特記しない限り、操作および物性等は、室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%の条件で測定する。 In the present specification, “X to Y” indicating a range means “X or more and Y or less”, and “weight” and “mass”, “wt%” and “mass%”, “part by weight” and “ “Part by mass” is treated as a synonym. Unless otherwise specified, the operation and physical properties are measured under conditions of room temperature (20 to 25 ° C.) / Relative humidity 40 to 50%.
[燃料電池]
燃料電池は、電解質膜−電極接合体(MEA)と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。本発明の燃料電池は、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。
[Fuel cell]
A fuel cell comprises a pair of separators comprising an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), an anode side separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows, and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows. And have. The fuel cell of the present invention is excellent in durability and can exhibit high power generation performance.
図1は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で電解質膜−電極接合体(MEA)10を構成する。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to an embodiment of the present invention. The PEFC 1 first includes a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state. To do.
PEFC1において、MEA10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。図1において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。 In PEFC1, the MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 1, the separators (5 a, 5 c) are illustrated so as to be positioned at both ends of the illustrated MEA 10. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form a stack. In an actual fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2, or between the PEFC 1 and another adjacent PEFC. These descriptions are omitted in FIG.
セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。 The separators (5a, 5c) are obtained, for example, by forming a concavo-convex shape as shown in FIG. 1 by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a press treatment. The convex part seen from the MEA side of the separator (5a, 5c) is in contact with the MEA 10. Thereby, the electrical connection with MEA10 is ensured. Further, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the concavo-convex shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for circulating gas during operation of the PEFC 1 Functions as a flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the gas flow path 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated through the gas flow path 6c of the cathode separator 5c.
一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。 On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separator (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC during operation of the PEFC 1. . Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as a connection means for connecting cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.
なお、図1に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。 In addition, in embodiment shown in FIG. 1, the separator (5a, 5c) is shape | molded by the uneven | corrugated shape. However, the separator is not limited to such a concavo-convex shape, and may be any form such as a flat plate shape and a partially concavo-convex shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited. Also good.
上記のような、本発明のMEAを有する燃料電池は、優れた発電性能を発揮する。ここで、燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子形燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。 The fuel cell having the MEA of the present invention as described above exhibits excellent power generation performance. Here, the type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the solid polymer fuel cell has been described as an example. However, in addition to the above, an alkaline fuel cell and a direct methanol fuel cell are used. And a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a stationary power source in addition to a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. Among them, it is particularly preferable to use as a power source for a mobile body such as an automobile that requires a high output voltage after a relatively long time of operation stop.
燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。 The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferably used in that high output is possible.
また、燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。 Further, the application application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to a vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention is excellent in power generation performance and durability, and can be downsized. For this reason, the fuel cell of this invention is especially advantageous when this fuel cell is applied to a vehicle from the point of in-vehicle property.
以下、本発明の製造方法の好ましい形態を説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。 Hereinafter, although the preferable form of the manufacturing method of this invention is demonstrated, the technical scope of this invention is not restrict | limited only to the following form.
(工程(i))
本工程では、白金前駆体と非白金金属前駆体との混合溶液に還元剤を添加し、前記白金前駆体および非白金金属前駆体を同時還元して、白金−非白金金属合金粒子を得る。
(Process (i))
In this step, a reducing agent is added to a mixed solution of a platinum precursor and a non-platinum metal precursor, and the platinum precursor and the non-platinum metal precursor are simultaneously reduced to obtain platinum-non-platinum metal alloy particles.
本工程(i)において用いることができる白金前駆体としては、特に制限されないが、白金塩及び白金錯体が使用できる。より具体的には、塩化白金酸(典型的にはその六水和物;H2[PtCl6]・6H2O)、ジニトロジアンミン白金等の硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、テトラアンミン白金及びヘキサアンミン白金等のアンミン塩、炭酸塩、重炭酸塩、塩化白金等のハロゲン化物、亜硝酸塩、シュウ酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩並びに水酸化物、アルコキサイドなどを使用することができる。なお、上記白金前駆体は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用されてもよい。 Although it does not restrict | limit especially as a platinum precursor which can be used in this process (i), A platinum salt and a platinum complex can be used. More specifically, chloroplatinic acid (typically its hexahydrate; H 2 [PtCl 6 ] · 6H 2 O), nitrates such as dinitrodiammine platinum, sulfates, ammonium salts, amines, tetraammine platinum and Use ammine salts such as hexaammineplatinum, carbonates, bicarbonates, halides such as platinum chloride, inorganic salts such as nitrite and oxalic acid, carboxylates such as formate, hydroxides, alkoxides, etc. Can do. In addition, the said platinum precursor may be used individually by 1 type, or may be used as a 2 or more types of mixture.
また、本工程(i)において用いることができる非白金金属前駆体としては、特に制限されない。ここで、非白金金属原子は、特に制限されないが、触媒活性、L12構造の形成しやすさなどの観点から、遷移金属原子であることが好ましい。ここで、遷移金属原子とは、第3族元素から第12族元素を指し、遷移金属原子の種類もまた、特に制限されない。触媒活性、L12構造の形成しやすさなどの観点から、遷移金属原子は、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)及びジルコニウム(Zr)からなる群より選択されることが好ましい。遷移金属原子は、コバルト(Co)であることがより好ましい。上記遷移金属原子は、白金(Pt)と金属間化合物を形成しやすいため、白金の使用量を低減しつつも、質量比活性をより向上できる。また、上記遷移金属原子と白金との合金は、より高い面積比活性(単位面積当たりの活性)及び質量比活性(単位質量当たりの活性)ならびに優れた耐久性(耐久試験後の活性)を達成できる。なお、上記遷移金属原子は、単独で白金と合金化されても、あるいは2種以上が白金と合金化されても、いずれでもよい。 Moreover, it does not restrict | limit especially as a non-platinum metal precursor which can be used in this process (i). Here, the non-platinum metal atom is not particularly limited, catalytic activity, from the viewpoint of forming easiness of L1 2 structure is preferably a transition metal atom. Here, the transition metal atom refers to a Group 3 element to a Group 12 element, and the type of the transition metal atom is not particularly limited. Catalytic activity, from the viewpoint of forming easiness of L1 2 structure, the transition metal atom, vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu) And selected from the group consisting of zinc (Zn) and zirconium (Zr). The transition metal atom is more preferably cobalt (Co). Since the transition metal atom easily forms an intermetallic compound with platinum (Pt), the specific mass activity can be further improved while reducing the amount of platinum used. The above transition metal atom and platinum alloy achieves higher area specific activity (activity per unit area) and mass specific activity (activity per unit mass) and excellent durability (activity after endurance test). it can. The transition metal atom may be alloyed with platinum alone, or two or more of them may be alloyed with platinum.
また、非白金金属前駆体としては、非白金金属塩及び非白金金属錯体が好ましく使用できる。より具体的には、非白金金属の、硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、炭酸塩、重炭酸塩、臭化物及び塩化物などのハロゲン化物、亜硝酸塩、シュウ酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩並びに水酸化物、アルコキサイド、酸化物などを用いることができる。つまり、非白金金属が、純水などの溶媒中で金属イオンになれる化合物が好ましく挙げられる。これらのうち、非白金金属の塩としては、ハロゲン化物(特に塩化物)、硫酸塩、硝酸塩がより好ましい。なお、上記非白金金属前駆体は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用されてもよい。また、非白金金属前駆体は、水和物の形態であってもよい。 As the non-platinum metal precursor, non-platinum metal salts and non-platinum metal complexes can be preferably used. More specifically, non-platinum metals such as nitrates, sulfates, ammonium salts, amines, carbonates, bicarbonates, halides such as bromides and chlorides, inorganic salts such as nitrites and oxalic acid, formates, etc. And carboxylates, hydroxides, alkoxides, oxides, and the like can be used. That is, a compound in which the non-platinum metal can be converted into a metal ion in a solvent such as pure water is preferable. Of these, halides (particularly chlorides), sulfates and nitrates are more preferred as the non-platinum metal salts. In addition, the said non-platinum metal precursor may be used individually by 1 type, or may be used as a 2 or more types of mixture. The non-platinum metal precursor may be in the form of a hydrate.
上記白金前駆体及び非白金金属前駆体を含む混合溶液の調製に使用される溶媒は、特に制限されず、使用される白金前駆体や非白金金属前駆体の種類によって適宜選択される。なお、上記混合溶液の形態は特に制限されず、溶液、分散液および懸濁液を包含する。均一に混合できるという観点から、混合溶液は溶液の形態であることが好ましい。具体的には、水道水、純水、超純水、イオン交換水、蒸留水等の水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の有機溶媒、酸、アルカリなどが挙げられる。これらのうち、白金/非白金金属のイオン化合物を十分に溶解する観点から、水が好ましく、純水または超純水を用いることが特に好ましい。上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。 The solvent used for the preparation of the mixed solution containing the platinum precursor and the non-platinum metal precursor is not particularly limited, and is appropriately selected depending on the kind of the platinum precursor and the non-platinum metal precursor to be used. The form of the mixed solution is not particularly limited, and includes a solution, a dispersion, and a suspension. From the standpoint that uniform mixing is possible, the mixed solution is preferably in the form of a solution. Specific examples include water such as tap water, pure water, ultrapure water, ion exchange water, and distilled water, organic solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol, acids, and alkalis. Among these, water is preferable from the viewpoint of sufficiently dissolving the platinum / non-platinum metal ion compound, and it is particularly preferable to use pure water or ultrapure water. The said solvent may be used independently or may be used with the form of a 2 or more types of mixture.
白金前駆体及び非白金金属前駆体の混合溶液における濃度は、特に制限されないが、金属換算で0.1〜50(mg/100mL)であることが好ましく、より好ましくは0.5〜20(mg/100mL)である。なお、白金前駆体及び非白金金属前駆体の混合溶液における濃度は、同じであってもあるいは異なってもよい。 The concentration in the mixed solution of the platinum precursor and the non-platinum metal precursor is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 50 (mg / 100 mL), more preferably 0.5 to 20 (mg) in terms of metal. / 100 mL). The concentration in the mixed solution of the platinum precursor and the non-platinum metal precursor may be the same or different.
また、白金前駆体と非白金金属前駆体との混合比は、特に制限されないが、下記のような合金組成を達成できるような混合比であることが好ましい。具体的には、非白金金属前駆体を、白金前駆体1モルに対して、0.4〜20モル、より好ましくは0.4〜15モル、特に好ましくは0.5〜10モルの割合(金属換算)で混合することが好ましい。このような混合比であれば、L12構造を良好に維持できる。なお、最終的に調製される担体上に担持される触媒粒子の担持濃度は、白金前駆体および非白金金属前駆体の量によって調整される。しかしながら、熱処理前まで同様に調製したとしても、熱処理条件が異なる場合には担持濃度が若干異なる場合がある。 The mixing ratio of the platinum precursor and the non-platinum metal precursor is not particularly limited, but is preferably a mixing ratio that can achieve the following alloy composition. Specifically, the ratio of the non-platinum metal precursor to 0.4 to 20 mol, more preferably 0.4 to 15 mol, and particularly preferably 0.5 to 10 mol with respect to 1 mol of the platinum precursor ( It is preferable to mix by metal conversion. With such a mixing ratio, it can be preferably maintained an L1 2 structure. The supported concentration of the catalyst particles supported on the finally prepared carrier is adjusted by the amount of platinum precursor and non-platinum metal precursor. However, even if the same preparation is performed before the heat treatment, the loading concentration may be slightly different if the heat treatment conditions are different.
工程(i)において、白金前駆体及び非白金金属前駆体を含む混合溶液の調製方法は、特に制限されない。例えば、白金前駆体及び非白金金属前駆体を一緒に溶媒に添加する;白金前駆体を溶媒に溶解した後、これに非白金金属前駆体を添加する;非白金金属前駆体を溶媒に溶解した後、これに白金前駆体を添加する;白金前駆体及び非白金金属前駆体をそれぞれ別々に溶媒に溶解した後、これらを混合する;のいずれの方法を使用してもよい。また、上記混合溶液は、均一に混合するために、撹拌することが好ましい。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよく、通常、1〜60分であり、好ましくは5〜40分である。 In the step (i), the method for preparing the mixed solution containing the platinum precursor and the non-platinum metal precursor is not particularly limited. For example, a platinum precursor and a non-platinum metal precursor are added together in a solvent; a platinum precursor is dissolved in a solvent, and then a non-platinum metal precursor is added thereto; a non-platinum metal precursor is dissolved in a solvent Thereafter, a platinum precursor may be added thereto; the platinum precursor and the non-platinum metal precursor may be separately dissolved in a solvent and then mixed together. The mixed solution is preferably stirred in order to mix uniformly. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, the mixture can be uniformly dispersed and mixed by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersion device using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer. The stirring temperature is preferably 0 to 50 ° C, more preferably 5 to 40 ° C. Moreover, what is necessary is just to set suitably so that dispersion | distribution may fully be performed as stirring time, Usually, it is 1 to 60 minutes, Preferably it is 5 to 40 minutes.
次に、上記で調製された混合溶液に還元剤を添加して、白金前駆体及び非白金金属前駆体を同時還元して、白金−非白金金属合金粒子(触媒前駆粒子)含有液(以下、単に「触媒前駆粒子含有液」とも称する)を得る。当該工程により、白金イオンおよび非白金金属イオンを同時に還元させることができ、触媒前駆粒子(白金と非白金金属の金属間化合物)を得ることができる。ただし、ここでは、触媒前駆粒子はスキン層が形成されていない。また、この段階で、触媒前駆粒子は必ずしも30〜100%の規則度を有するとは限らない。 Next, a reducing agent is added to the mixed solution prepared above, and the platinum precursor and the non-platinum metal precursor are simultaneously reduced to contain a platinum-non-platinum metal alloy particle (catalyst precursor particle) -containing liquid (hereinafter, Simply referred to as “catalyst precursor particle-containing liquid”). By this step, platinum ions and non-platinum metal ions can be reduced simultaneously, and catalyst precursor particles (intermetallic compound of platinum and non-platinum metal) can be obtained. Here, however, the skin layer is not formed on the catalyst precursor particles. Further, at this stage, the catalyst precursor particles do not necessarily have a degree of order of 30 to 100%.
ここで用いることができる還元剤としては、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ギ酸ナトリウムやギ酸カリウムなどのギ酸塩、ホルムアルデヒド、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウムなどのクエン酸塩、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)及びヒドラジン(N2H4)などが使用できる。なお、上記還元剤のうち、クエン酸ナトリウムは凝集防止剤としても作用しうる。 Examples of the reducing agent that can be used here include ethanol, methanol, propanol, formic acid, formate such as sodium formate and potassium formate, citrate such as formaldehyde, sodium thiosulfate, citric acid, and sodium citrate, hydrogen Sodium borohydride (NaBH 4 ) and hydrazine (N 2 H 4 ) can be used. Of the above reducing agents, sodium citrate can also act as an aggregation inhibitor.
また、還元剤は、そのまま添加されてもよいが、溶媒に溶解した還元剤溶液の形態で、上記工程(i)で調製された混合溶液に添加されてもよい。溶液の形態であると、容易に均一に混合できるため、好ましい。ここで、溶媒としては、還元剤を溶解できるものであれば特に制限されず、還元剤の種類によって適宜選択される。具体的には、上記混合溶液の調製に使用される溶媒と同様の溶媒が使用できる。ただし、還元剤溶液に使用される溶媒と、混合溶液の調製に使用される溶媒とは同じである必要はないが、均一な混合性など考慮すると、同じであることが好ましい。 The reducing agent may be added as it is, or may be added to the mixed solution prepared in the above step (i) in the form of a reducing agent solution dissolved in a solvent. A solution form is preferable because it can be easily and uniformly mixed. Here, the solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the reducing agent, and is appropriately selected depending on the type of the reducing agent. Specifically, the same solvent as the solvent used for the preparation of the mixed solution can be used. However, the solvent used for the reducing agent solution and the solvent used for preparing the mixed solution need not be the same, but are preferably the same in consideration of uniform mixing properties.
還元剤の添加量としては、金属イオンを還元させるのに十分な量であれば特に制限されない。具体的には、還元剤の添加量は、金属イオン1モル(白金イオン及び非白金金属イオンの合計モル(金属換算))に対して、好ましくは1〜10モルであり、より好ましくは3〜7モルである。このような量であれば、金属イオン(白金イオン及び非白金イオン)を同時に十分還元できる。なお、2種以上の還元剤を用いる場合には、これらの合計の添加量が上記範囲であることが好ましい。 The addition amount of the reducing agent is not particularly limited as long as it is an amount sufficient to reduce metal ions. Specifically, the addition amount of the reducing agent is preferably 1 to 10 mol, more preferably 3 to 1 mol of metal ions (total mol of platinum ions and non-platinum metal ions (metal conversion)). 7 moles. With such an amount, metal ions (platinum ions and non-platinum ions) can be sufficiently reduced simultaneously. In addition, when using 2 or more types of reducing agents, it is preferable that these total addition amount is the said range.
上記で調製された混合溶液に還元剤(還元剤含有液)を添加した後は、撹拌することが好ましい。これにより、白金前駆体、非白金金属前駆体及び還元剤を均一に混合するため、均一な還元反応が可能になる。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間は、白金前駆体、非白金金属前駆体及び還元剤を均一に混合できる時間であれば特に制限されない。 After adding the reducing agent (reducing agent-containing liquid) to the mixed solution prepared above, it is preferable to stir. Thereby, since a platinum precursor, a non-platinum metal precursor, and a reducing agent are mixed uniformly, a uniform reduction reaction becomes possible. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, the mixture can be uniformly dispersed and mixed by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersion device using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer. The stirring temperature is preferably 0 to 50 ° C, more preferably 5 to 40 ° C. The stirring time is not particularly limited as long as the platinum precursor, the non-platinum metal precursor, and the reducing agent can be mixed uniformly.
上記還元反応により、白金−非白金金属合金粒子(触媒前駆粒子)が得られる。ここで、必要であれば、白金−非白金金属合金粒子(触媒前駆粒子)を溶液から単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、触媒前駆粒子を濾過し、乾燥すればよい。なお、必要であれば、触媒前駆粒子を濾過した後に、洗浄(例えば、水洗)を行ってもよい。また、上記濾過ならびに必要であれば洗浄工程は、繰り返し行ってもよい。また、濾過または洗浄後、触媒前駆粒子を乾燥してもよい。ここで、触媒前駆粒子の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜50時間程度の範囲で行うことができる。 Platinum-non-platinum metal alloy particles (catalyst precursor particles) are obtained by the reduction reaction. Here, if necessary, platinum-non-platinum metal alloy particles (catalyst precursor particles) may be isolated from the solution. Here, the isolation method is not particularly limited, and the catalyst precursor particles may be filtered and dried. If necessary, the catalyst precursor particles may be filtered and then washed (for example, washed with water). Further, the filtration and the washing step may be repeated if necessary. Further, the catalyst precursor particles may be dried after filtration or washing. Here, drying of the catalyst precursor particles may be performed in air or may be performed under reduced pressure. Moreover, although drying temperature is not specifically limited, For example, it can carry out in 10-100 degreeC, Preferably it is room temperature (25 degreeC)-about 80 degreeC. Also, the drying time is not particularly limited, but for example, it can be performed in the range of 1 to 60 hours, preferably about 5 to 50 hours.
(工程(ii))
本工程では、上記工程(i)で調製した白金−非白金金属合金粒子をカーボン担体に担持して、触媒前駆粒子担持担体を調製する。ここで、上記カーボン担体は、表面上にラクトン基、水酸基、エーテル基、およびカルボニル基からなる群より選択される少なくとも一つ以上の官能基を総量として0.5μmol/m2以上を有する。好ましくは、カーボン担体は、表面上にラクトン基、水酸基、エーテル基、およびカルボニル基からなる群より選択される少なくとも一つ以上の官能基を、総量として0.8〜5μmol/m2を有する。かようなカーボン担体を用いることで、得られる触媒粒子の規則度をより容易に制御し、活性(面積および/または質量比活性)や耐久性をより向上できる。これは、触媒粒子を得るための熱処理によっても合金粒子の凝集を抑制でき、担持されている触媒粒子全体の比表面積の低下を抑制できるためであると考えられる。なお、上記カーボン担体は、下記工程(iii)および/または(v)の熱処理後においても、表面上にラクトン基、水酸基、エーテル基、およびカルボニル基からなる群より選択される少なくとも一つ以上の官能基を有していることが好ましい。
(Step (ii))
In this step, the platinum-non-platinum metal alloy particles prepared in the above step (i) are supported on a carbon support to prepare a catalyst precursor particle-supported support. Here, the carbon carrier has 0.5 μmol / m 2 or more in total on the surface of at least one functional group selected from the group consisting of a lactone group, a hydroxyl group, an ether group, and a carbonyl group. Preferably, the carbon support has a total amount of 0.8 to 5 μmol / m 2 of at least one functional group selected from the group consisting of a lactone group, a hydroxyl group, an ether group, and a carbonyl group on the surface. By using such a carbon support, the degree of order of the obtained catalyst particles can be more easily controlled, and the activity (area and / or mass specific activity) and durability can be further improved. This is considered to be because the aggregation of the alloy particles can be suppressed even by the heat treatment for obtaining the catalyst particles, and the decrease in the specific surface area of the entire supported catalyst particles can be suppressed. Note that the carbon carrier has at least one selected from the group consisting of a lactone group, a hydroxyl group, an ether group, and a carbonyl group on the surface even after the heat treatment in the following step (iii) and / or (v). It preferably has a functional group.
官能基量の測定方法は、昇温脱離法により計測した値を採用する。昇温脱離法とは超高真空下で試料を等速昇温し、試料から放出されるガス成分(分子・原子)を四重極質量分析計でリアルタイム検出する手法である。ガス成分が放出される温度は、試料表面上でのその成分の吸着/化学結合状態に依存する、すなわち脱着/解離に大きなエネルギーを必要とする成分は、相対的に高い温度で検出される。カーボン上に形成された表面官能基は、その種類に応じて異なる温度でCOあるいはCO2として排出されることになる。COあるいはCO2に対して得られた昇温脱離曲線をピーク分離し、各ピークの積分強度Tを測定し、積分強度Tから各官能基成分の量(μmol)を算出することができる。この量(μmol)から下記式により官能基量が算出される。 The value measured by the temperature programmed desorption method is adopted as the method for measuring the functional group amount. The temperature programmed desorption method is a technique in which a sample is heated at a constant speed under an ultra-high vacuum and gas components (molecules / atoms) released from the sample are detected in real time by a quadrupole mass spectrometer. The temperature at which a gas component is released depends on the adsorption / chemical binding state of that component on the sample surface, ie, components that require large energy for desorption / dissociation are detected at relatively high temperatures. The surface functional groups formed on the carbon are discharged as CO or CO 2 at different temperatures depending on the type. The temperature-programmed desorption curve obtained for CO or CO 2 is peak-separated, the integrated intensity T of each peak is measured, and the amount (μmol) of each functional group component can be calculated from the integrated intensity T. From this amount (μmol), the functional group amount is calculated by the following formula.
各官能基の昇温による脱離ガスおよび温度は以下のとおりである;ラクトン基 CO2(700℃)、水酸基 CO(650℃)、エーテル基 CO(700℃)、カルボニル基 CO(800℃)。 Desorption gas and temperature due to temperature rise of each functional group are as follows; lactone group CO 2 (700 ° C.), hydroxyl group CO (650 ° C.), ether group CO (700 ° C.), carbonyl group CO (800 ° C.) .
また、本発明においては、下記装置および条件により測定された値を採用する。 Moreover, in this invention, the value measured with the following apparatus and conditions is employ | adopted.
導電性担体は、上述した触媒粒子を担持するための担体、および触媒粒子と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 The conductive carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst particles and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst particles and other members. Any conductive carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Is preferred. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by weight or less is allowed.
触媒前駆粒子含有液に添加される導電性担体としては、具体的には、アセチレンブラック、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック(例えば、バルカン)、ランプブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック(登録商標)などのカーボンブラック;ブラックパール;黒鉛化アセチレンブラック;黒鉛化チャンネルブラック;黒鉛化オイルファーネスブラック;黒鉛化ガスファーネスブラック;黒鉛化ランプブラック;黒鉛化サーマルブラック;黒鉛化ケッチェンブラック;黒鉛化ブラックパール;カーボンナノチューブ;カーボンナノファイバー;カーボンナノホーン;カーボンフィブリル;活性炭;コークス;天然黒鉛;人造黒鉛などを挙げることができる。また、導電性担体として、ナノサイズの帯状グラフェンが3次元状に規則的に連結した構造を有するゼオライト鋳型炭素(ZTC)も挙げることができる。 Specific examples of the conductive carrier added to the catalyst precursor particle-containing liquid include acetylene black, channel black, oil furnace black, gas furnace black (for example, Vulcan), lamp black, thermal black, and ketjen black (registered) Carbon black such as trademark); black pearl; graphitized acetylene black; graphitized channel black; graphitized oil furnace black; graphitized gas furnace black; graphitized lamp black; graphitized thermal black; Examples include black pearl; carbon nanotube; carbon nanofiber; carbon nanohorn; carbon fibril; activated carbon; coke; natural graphite; In addition, examples of the conductive carrier include zeolite template carbon (ZTC) having a structure in which nano-sized band-shaped graphene is regularly connected in a three-dimensional manner.
導電性担体のBET比表面積は、触媒粒子を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは10〜5000m2/g、より好ましくは50〜2000m2/gとするのがよい。このような比表面積であれば、導電性担体に十分な触媒粒子を担持(高分散)して、十分な発電性能を達成できる。なお、担体の「BET比表面積(m2/g担体)」は、窒素吸着法により測定される。上記担体のBET比表面積は、最終電極触媒を構成する導電性担体のBET比表面積を意味する。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst particles in a highly dispersed manner, but is preferably 10 to 5000 m 2 / g, more preferably 50 to 2000 m 2 / g. Good. With such a specific surface area, sufficient catalyst particles are supported (highly dispersed) on the conductive support, and sufficient power generation performance can be achieved. The “BET specific surface area (m 2 / g carrier)” of the carrier is measured by a nitrogen adsorption method. The BET specific surface area of the support means the BET specific surface area of the conductive support constituting the final electrode catalyst.
また、導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。また、このような大きさであれば、熱処理後であっても適切な大きさを確保することができる。なお、「担体の平均粒子径」は、X線回折(XRD)における担体粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡(TEM)により調べられる担体の粒子径の平均値として測定されうる。本明細書では、「担体の平均粒子径」は、統計上有意な数(例えば、少なくとも200個、好ましくは少なくとも300個)のサンプルについて透過型電子顕微鏡像より調べられる担体粒子の粒子径の平均値である。ここで、「粒子径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。 In addition, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm. Moreover, if it is such a magnitude | size, a suitable magnitude | size can be ensured even after heat processing. The “average particle size of the carrier” is the average of the crystallite size obtained from the half-value width of the diffraction peak of the carrier particle in X-ray diffraction (XRD), or the average particle size of the carrier examined by a transmission electron microscope (TEM). It can be measured as a value. In the present specification, the “average particle size of the carrier” means the average particle size of the carrier particles examined from a transmission electron microscope image of a statistically significant number (for example, at least 200, preferably at least 300) of samples. Value. Here, the “particle diameter” means the maximum distance among the distances between any two points on the particle outline.
特定の官能基を有するカーボン担体は、市販されていてもまたは製造してもよい。後者の場合、特定の官能基を有するカーボン担体の製造方法としては特に限定されるものではないが、例えば、導電性担体として上記列挙したカーボン材料を酸性溶液に接触させる(以下、この処理を酸処理とも呼ぶ。);蒸気賦活処理;気相酸化処理(オゾン、フッ素ガス等);液相酸化処理(過マンガン酸、塩素酸、オゾン水等)などによって得ることができる。これらのうち、カーボン材料を酸性溶液に接触させた後、熱処理を行うことが好ましい。 The carbon support having a specific functional group may be commercially available or manufactured. In the latter case, the method for producing a carbon support having a specific functional group is not particularly limited. For example, the carbon materials listed above as a conductive support are brought into contact with an acidic solution (hereinafter, this treatment is referred to as an acid support). Vapor activation treatment; vapor phase oxidation treatment (ozone, fluorine gas, etc.); liquid phase oxidation treatment (permanganic acid, chloric acid, ozone water, etc.). Among these, it is preferable to perform a heat treatment after contacting the carbon material with an acidic solution.
以下、好適な形態である酸処理について述べる。 Hereinafter, the acid treatment which is a preferable form will be described.
酸性溶液に用いられる酸としては特に限定されるものではないが、塩酸、硫酸、硝酸、過塩素酸などを挙げることができる。中でも、表面官能基形成の点から、硫酸および硝酸の少なくとも1種を用いることが好ましい。 Although it does not specifically limit as an acid used for an acidic solution, Hydrochloric acid, a sulfuric acid, nitric acid, perchloric acid etc. can be mentioned. Especially, it is preferable to use at least 1 sort (s) of a sulfuric acid and nitric acid from the point of surface functional group formation.
また、酸性溶液に接触させるカーボン材料としては、特に限定されるものではなく、上記導電性担体と同様のものが使用できる。比表面積が大きく、酸処理によっても安定であることから、カーボンブラックであることが好ましい。 In addition, the carbon material to be contacted with the acidic solution is not particularly limited, and the same material as the conductive carrier can be used. Carbon black is preferable because it has a large specific surface area and is stable by acid treatment.
酸処理は、担体を酸性溶液に1回接触させる場合のみならず、複数回繰り返し行っても良い。また、複数回の酸処理を行う場合には、処理ごとに酸性溶液の種類を変更しても良い。酸性溶液の濃度は、カーボン材料、酸の種類などを考慮して適宜設定されるが、0.1〜10mol/Lとすることが好ましい。 The acid treatment may be repeated not only when the carrier is brought into contact with the acidic solution once, but also multiple times. Moreover, when performing acid treatment in multiple times, you may change the kind of acidic solution for every process. The concentration of the acidic solution is appropriately set in consideration of the carbon material, the type of acid, etc., but is preferably 0.1 to 10 mol / L.
カーボン材料を酸性溶液に接触させる方法(酸処理方法)としては、特に制限されないが、カーボン材料を酸性溶液と混合してカーボン材料分散液を調製する工程(工程(1))と、カーボン材料分散液を加熱してカーボン材料の表面に官能基を付与する工程(工程(2))とを有することが好ましい。上記工程(1)では、酸性溶液にカーボン材料を混合することが好ましい。また、上記カーボン材料分散液は、十分均一に混合するために、撹拌することが好ましい。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。工程(1)において、撹拌温度は、好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよく、通常、1〜60分であり、好ましくは3〜30分である。また、上記工程(2)では、工程(1)で調製したカーボン材料分散液を加熱してカーボン材料の表面に官能基を付与する。ここで、加熱条件は、カーボン材料表面に官能基を付与できる条件であれば特に制限されない。例えば、加熱温度は、好ましくは60〜90℃である。また、加熱時間は、好ましくは1〜4時間である。このような条件であれば、カーボン材料表面に官能基を十分付与できる。 The method for bringing the carbon material into contact with the acidic solution (acid treatment method) is not particularly limited, but a step of preparing a carbon material dispersion by mixing the carbon material with the acidic solution (step (1)), and carbon material dispersion It is preferable to have a step (step (2)) of heating the liquid and imparting a functional group to the surface of the carbon material. In the said process (1), it is preferable to mix a carbon material with an acidic solution. Moreover, it is preferable to stir the carbon material dispersion in order to mix it sufficiently uniformly. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, the mixture can be uniformly dispersed and mixed by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersion device using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer. In the step (1), the stirring temperature is preferably 5 to 40 ° C. Moreover, what is necessary is just to set suitably so that dispersion | distribution may fully be performed as stirring time, and it is 1 to 60 minutes normally, Preferably it is 3 to 30 minutes. Moreover, in the said process (2), the carbon material dispersion liquid prepared at the process (1) is heated, and a functional group is provided to the surface of a carbon material. Here, the heating condition is not particularly limited as long as the functional group can be imparted to the surface of the carbon material. For example, the heating temperature is preferably 60 to 90 ° C. The heating time is preferably 1 to 4 hours. Under such conditions, sufficient functional groups can be imparted to the surface of the carbon material.
上記したようにして得られた導電性担体に、上記工程(i)で調製した白金−非白金金属合金粒子を添加・混合して、白金−非白金金属合金粒子を導電性担体に担持する。ここで、触媒前駆粒子と導電性担体との混合比は、特に制限されないが、以下の触媒粒子の担持濃度(担持量)となるような量であることが好ましい。具体的には、導電性担体に触媒粒子(合金粒子)が担持された電極触媒において、触媒粒子の担持濃度(担持量)が、担体の全量に対して、2〜70重量%とすることが好ましい。担持濃度をこのような範囲にすることで、触媒粒子同士の凝集が抑制され、また、電極触媒層の厚さの増加を抑制できるため好ましい。より好ましくは5〜60重量%、さらにより好ましくは5重量%を超えて50重量%以下、特に好ましくは10〜45重量%である。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分析(ICP atomic emission spectrometry)や誘導結合プラズマ質量分析(ICP mass spectrometry)、蛍光X線分析(XRF)等の、従来公知の方法によって調べることができる。 The platinum-non-platinum metal alloy particles prepared in the above step (i) are added to and mixed with the conductive carrier obtained as described above, and the platinum-non-platinum metal alloy particles are supported on the conductive carrier. Here, the mixing ratio of the catalyst precursor particles and the conductive carrier is not particularly limited, but is preferably such an amount that the following catalyst particle loading concentration (loading amount) is obtained. Specifically, in an electrode catalyst in which catalyst particles (alloy particles) are supported on a conductive support, the support concentration (supported amount) of the catalyst particles may be 2 to 70% by weight with respect to the total amount of the support. preferable. It is preferable to set the support concentration in such a range because aggregation of the catalyst particles is suppressed and an increase in the thickness of the electrode catalyst layer can be suppressed. More preferably, it is 5 to 60% by weight, still more preferably more than 5% by weight and 50% by weight or less, and particularly preferably 10 to 45% by weight. When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst component supported can be examined by a conventionally known method such as inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP atomic emission spectrometry), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP mass spectrometry), or fluorescent X-ray analysis (XRF). it can.
また、触媒前駆粒子含有液に導電性担体を添加した後、撹拌することが好ましい。これにより、触媒前駆粒子及び導電性担体を均一に混合するため、触媒前駆粒子を導電性担体に高分散・担持することが可能である。また、上記撹拌処理によって、未還元の白金前駆体や非白金金属前駆体の還元剤による還元反応も同時に起こるため、触媒前駆粒子の導電性担体への高分散・担持をより進行させることも可能である。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間は、1〜90時間、より好ましくは5〜80時間行うことが好ましい。このような条件であれば、触媒前駆粒子を導電性担体により高分散・担持できる。また、未還元の白金前駆体や非白金金属前駆体を還元剤でさらに還元できるため、触媒前駆粒子を導電性担体により効率的に高分散・担持できる。 Moreover, it is preferable to stir after adding a conductive support to the catalyst precursor particle-containing liquid. Thereby, since the catalyst precursor particles and the conductive carrier are uniformly mixed, the catalyst precursor particles can be highly dispersed and supported on the conductive carrier. In addition, since the reduction reaction of the unreduced platinum precursor and the non-platinum metal precursor with the reducing agent occurs simultaneously by the stirring treatment, it is possible to further promote the high dispersion and loading of the catalyst precursor particles on the conductive carrier. It is. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed uniformly. For example, the mixture can be uniformly dispersed and mixed by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersion device using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer. The stirring temperature is preferably 0 to 50 ° C, more preferably 5 to 40 ° C. The stirring time is preferably 1 to 90 hours, more preferably 5 to 80 hours. Under such conditions, the catalyst precursor particles can be highly dispersed and supported by the conductive carrier. In addition, since the unreduced platinum precursor or non-platinum metal precursor can be further reduced with a reducing agent, the catalyst precursor particles can be efficiently dispersed and supported by the conductive carrier.
上記担持処理により、触媒前駆粒子が担持した導電性担体(触媒前駆粒子担持担体または担持担体)が得られる。ここで、必要であれば、この担持担体を単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、担持担体を濾過し、乾燥すればよい。なお、必要であれば、担持担体を濾過した後に、洗浄(例えば、水洗)してもよい。また、上記濾過ならびに必要であれば洗浄工程は、繰り返し行ってもよい。また、濾過または洗浄後、担持担体を乾燥してもよい。ここで、担持担体の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、より好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜48時間である。 By the above-described supporting treatment, a conductive carrier (catalyst precursor particle-supporting carrier or carrier) on which the catalyst precursor particles are supported can be obtained. Here, if necessary, this carrier may be isolated. Here, the isolation method is not particularly limited, and the supported carrier may be filtered and dried. If necessary, the supported carrier may be filtered and then washed (for example, washed with water). Further, the filtration and the washing step may be repeated if necessary. Further, after the filtration or washing, the supported carrier may be dried. Here, the support carrier may be dried in air or under reduced pressure. Moreover, although drying temperature is not specifically limited, For example, it can carry out in the range of about 10-100 degreeC, More preferably, room temperature (25 degreeC)-about 80 degreeC. Also, the drying time is not particularly limited, but is, for example, 1 to 60 hours, preferably 5 to 48 hours.
なお、上記では、含浸法により、触媒前駆粒子を導電性担体に担持したが、上記方法に限定されない。上記方法に加えて、例えば、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。 In the above, the catalyst precursor particles are supported on the conductive support by the impregnation method, but the present invention is not limited to the above method. In addition to the above methods, known methods such as a liquid phase reduction support method, an evaporation to dryness method, a colloid adsorption method, a spray pyrolysis method, and a reverse micelle (microemulsion method) can be used.
(工程(iii))
本工程では、上記工程(ii)で得られた触媒前駆粒子担持担体に第一の熱処理を実施して、熱処理触媒粒子担体を得る。本工程(iii)によって、熱処理触媒粒子担体に適度な規則構造を付与する。当該構造により、次工程(iv)で酸処理を行っても、熱処理触媒粒子の内部に存在する非白金金属原子は溶解・溶出せず、過剰な非白金金属原子の溶出を抑制・防止する。ゆえに、次工程(iv)の酸処理により、熱処理触媒粒子の表面近傍に存在する非白金金属原子を選択的に溶解・溶出でき、工程(v)の第二の熱処理で合金(触媒)粒子の最表層に平滑な白金原子から構成されるスキン層を効率よく形成できる。なお、本工程では、熱処理触媒粒子担体が下記に示すような好ましい規則度を有しなくてもよい。熱処理触媒粒子担体が下記好ましい規則度の下限より低い場合であっても、工程(v)での第二の熱処理によって、合金(触媒)粒子の規則度を適切な範囲に調整できる。
(Process (iii))
In this step, the catalyst precursor particle-supported carrier obtained in the above step (ii) is subjected to a first heat treatment to obtain a heat-treated catalyst particle carrier. By this step (iii), an appropriate regular structure is imparted to the heat-treated catalyst particle carrier. With this structure, even when the acid treatment is performed in the next step (iv), the non-platinum metal atoms present inside the heat-treated catalyst particles are not dissolved or eluted, and the elution of excessive non-platinum metal atoms is suppressed / prevented. Therefore, the non-platinum metal atoms existing in the vicinity of the surface of the heat treatment catalyst particles can be selectively dissolved and eluted by the acid treatment in the next step (iv), and the alloy (catalyst) particles can be dissolved in the second heat treatment in the step (v). A skin layer composed of smooth platinum atoms can be efficiently formed on the outermost layer. In this step, the heat-treated catalyst particle carrier may not have a preferable degree of order as shown below. Even when the heat-treated catalyst particle carrier is lower than the lower limit of the preferred ordering degree described below, the ordering of the alloy (catalyst) particles can be adjusted to an appropriate range by the second heat treatment in step (v).
第一の熱処理条件は、特に制限されないが、規則度の制御などを考慮すると、熱処理の温度及び時間の制御が重要である。具体的には、熱処理温度が350〜450℃である場合には、30分以上、より好ましくは1時間以上、さらに好ましくは2時間以上、熱処理を行うことが好ましい。なお、上記熱処理温度での熱処理時間の上限は、触媒粒子が導電性担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。例えば、熱処理時間は、通常、36時間以下、好ましくは24時間以下、より好ましくは10時間以下、さらにより好ましくは5時間以下である。熱処理温度が350〜450℃である場合の、熱処理雰囲気は、特に制限されないが、熱処理は、合金(白金及び非白金金属)の酸化を抑制防止するためおよび/または白金や非白金金属への還元をより進行させるために、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。非酸化性雰囲気下としては、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気が挙げられる。ここで、不活性ガスは、特に制限されないが、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、及び窒素(N2)などが使用できる。上記不活性ガスは、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合ガスの形態で使用されてもよい。また、還元性ガス雰囲気は、還元性ガスが含まれていれば特に制限されないが、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気であることがより好ましい。ここで、還元性ガスは、特に制限されないが、水素(H2)ガス、一酸化炭素(CO)ガスが好ましい。また、不活性ガスに含有される還元性ガスの濃度も、特に制限されないが、不活性ガス中の還元性ガスの含有量が、好ましくは10〜100体積%、より好ましくは50〜100体積%である。このような濃度であれば、合金(白金及び非白金金属)の酸化を十分抑制・防止できる。上記のうち、熱処理は、不活性ガス雰囲気で行われることが好ましい。このような条件であれば、触媒粒子は担体上で凝集することなく、高分散して担持できる。また、上記条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えつつ、得られる触媒粒子(合金粒子)の規則度を30〜100%により有効に制御できる。 The first heat treatment condition is not particularly limited, but it is important to control the temperature and time of the heat treatment in consideration of control of the degree of order. Specifically, when the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C., the heat treatment is preferably performed for 30 minutes or longer, more preferably for 1 hour or longer, and further preferably for 2 hours or longer. The upper limit of the heat treatment time at the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the catalyst particles can be supported on the conductive support, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. For example, the heat treatment time is usually 36 hours or less, preferably 24 hours or less, more preferably 10 hours or less, and even more preferably 5 hours or less. The heat treatment atmosphere when the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C. is not particularly limited, but the heat treatment is to suppress and prevent oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) and / or reduction to platinum or non-platinum metal. It is preferable to carry out in a non-oxidizing atmosphere in order to further advance the process. Examples of the non-oxidizing atmosphere include an inert gas atmosphere and a reducing gas atmosphere. Here, the inert gas is not particularly limited, but helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), nitrogen (N 2 ), and the like can be used. The said inert gas may be used independently or may be used with the form of 2 or more types of mixed gas. The reducing gas atmosphere is not particularly limited as long as the reducing gas is contained, but a mixed gas atmosphere of the reducing gas and the inert gas is more preferable. Here, the reducing gas is not particularly limited, but hydrogen (H 2 ) gas and carbon monoxide (CO) gas are preferable. Further, the concentration of the reducing gas contained in the inert gas is not particularly limited, but the content of the reducing gas in the inert gas is preferably 10 to 100% by volume, more preferably 50 to 100% by volume. It is. With such a concentration, the oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) can be sufficiently suppressed / prevented. Among the above, the heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere. Under such conditions, the catalyst particles can be supported in a highly dispersed state without aggregating on the support. Moreover, if it is the said conditions, the regularity of the catalyst particle (alloy particle) obtained can be effectively controlled by 30 to 100%, suppressing the increase in a catalyst particle diameter.
また、熱処理温度が450℃を超え750℃以下である場合には、10分以上、より好ましくは20分以上、熱処理を行うことが好ましい。なお、上記熱処理温度での熱処理時間の上限は、触媒粒子が導電性担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。例えば、熱処理時間は、通常、36時間以下、好ましくは24時間以下、より好ましくは10時間以下、さらにより好ましくは5時間以下である。熱処理温度が450℃を超え750℃以下である場合の、熱処理雰囲気は、特に制限されないが、熱処理は、合金(白金及び非白金金属)の酸化を抑制防止するためおよび/または白金や非白金金属への還元をより進行させるために、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。ここで、非酸化性雰囲気は上記熱処理温度が350〜450℃以下である場合と同様の定義であるため、ここでは説明を省略する。上記のうち、熱処理は、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気で行われることが好ましく、不活性ガス雰囲気で行われることがより好ましい。このような条件であれば、触媒粒子は担体上で凝集することなく、高分散して担持できる。また、上記条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えつつ、得られる触媒粒子(合金粒子)の規則度を30〜100%により有効に制御できる。 When the heat treatment temperature is higher than 450 ° C. and lower than or equal to 750 ° C., the heat treatment is preferably performed for 10 minutes or longer, more preferably for 20 minutes or longer. The upper limit of the heat treatment time at the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the catalyst particles can be supported on the conductive support, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. For example, the heat treatment time is usually 36 hours or less, preferably 24 hours or less, more preferably 10 hours or less, and even more preferably 5 hours or less. The heat treatment atmosphere when the heat treatment temperature is higher than 450 ° C. and lower than 750 ° C. is not particularly limited, but the heat treatment is performed to suppress and prevent oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) and / or platinum or non-platinum metal. In order to make the reduction to more proceed, it is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere. Here, since the non-oxidizing atmosphere has the same definition as that in the case where the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C. or lower, description thereof is omitted here. Among the above, the heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere, and more preferably performed in an inert gas atmosphere. Under such conditions, the catalyst particles can be supported in a highly dispersed state without aggregating on the support. Moreover, if it is the said conditions, the regularity of the catalyst particle (alloy particle) obtained can be effectively controlled by 30 to 100%, suppressing the increase in a catalyst particle diameter.
さらに、熱処理温度が750℃を超える場合には、還元性ガス雰囲気下で、10〜45分間、より好ましくは20〜40分間、熱処理を行うことが好ましい。または、熱処理温度が750℃を超える場合には、不活性ガス雰囲気下で、10〜120分間、より好ましくは30〜100分間、特に好ましくは45分を超えて90分以下の時間、熱処理を行うことが好ましい。なお、上記熱処理温度の上限は、触媒粒子が導電性担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。また、熱処理時の温度及び時間に比例して、規則度は上昇するものの、シンタリングにより粒子径の増大を引き起こす傾向にある。上記点を考慮すると、例えば、熱処理温度は、1000℃以下でありうる。このような条件であれば、触媒粒子径の増大は抑えつつ、さらに得られる触媒粒子(合金粒子)の担体上での凝集することなく、高分散して担持できる。また、上記条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えつつ、得られる触媒粒子(合金粒子)の規則度を30〜100%により有効に制御できる。上記において、「不活性ガス雰囲気」および「還元性ガス雰囲気」は、上記熱処理温度が350〜450℃以下である場合と同様の定義であるため、ここでは説明を省略する。 Furthermore, when the heat treatment temperature exceeds 750 ° C., it is preferable to perform the heat treatment in a reducing gas atmosphere for 10 to 45 minutes, more preferably 20 to 40 minutes. Alternatively, when the heat treatment temperature exceeds 750 ° C., the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere for 10 to 120 minutes, more preferably 30 to 100 minutes, particularly preferably more than 45 minutes and 90 minutes or less. It is preferable. The upper limit of the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the catalyst particles can be supported on the conductive support, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. Further, although the degree of order increases in proportion to the temperature and time during the heat treatment, the particle diameter tends to increase due to sintering. Considering the above points, for example, the heat treatment temperature may be 1000 ° C. or less. Under such conditions, the catalyst particles (alloy particles) obtained can be supported in a highly dispersed state without agglomeration on the carrier while suppressing an increase in the catalyst particle diameter. Moreover, if it is the said conditions, the regularity of the catalyst particle (alloy particle) obtained can be effectively controlled by 30 to 100%, suppressing the increase in a catalyst particle diameter. In the above, “inert gas atmosphere” and “reducing gas atmosphere” have the same definitions as those in the case where the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C. or less, and thus the description thereof is omitted here.
(工程(iv))
本工程では、上記工程(iii)で得られた熱処理触媒粒子担体を酸処理して、熱/酸処理触媒粒子担体を得る。本工程により、熱処理触媒粒子の最表面に露出している非白金金属原子が溶解・溶出し、表面近傍の非白金金属(例えば、コバルト)が存在していた部分に空隙(欠陥)が生成する。この空隙(欠陥)は、次の工程(v)での熱処理によって白金が溶融して、白金原子からなる平滑なスキン層がコア部を被覆するように形成する。
(Process (iv))
In this step, the heat-treated catalyst particle carrier obtained in the above step (iii) is acid-treated to obtain a heat / acid-treated catalyst particle carrier. By this step, the non-platinum metal atoms exposed on the outermost surface of the heat treatment catalyst particles are dissolved and eluted, and voids (defects) are generated in the portion where the non-platinum metal (for example, cobalt) was present near the surface. . The voids (defects) are formed such that platinum is melted by the heat treatment in the next step (v) and a smooth skin layer made of platinum atoms covers the core portion.
ここで、酸処理は、いずれの方法によって行われてもよいが、熱処理触媒粒子担体を酸性溶液に接触させることによって行われることが好ましい。ここで、熱処理触媒粒子担体と酸性溶液との接触方法は、特に制限されないが、例えば、熱処理触媒粒子担体の酸性溶液への浸漬、酸性溶液の熱処理触媒粒子担体への塗布(例えば、スプレーコート、バーコートなど)などが挙げられる。これらのうち、操作の容易性、大量生産などを考慮すると、浸漬が好ましい。 Here, the acid treatment may be performed by any method, but is preferably performed by bringing the heat-treated catalyst particle carrier into contact with an acidic solution. Here, the method for contacting the heat-treated catalyst particle carrier with the acidic solution is not particularly limited. For example, the heat-treated catalyst particle carrier is immersed in the acidic solution, and the acidic solution is applied to the heat-treated catalyst particle carrier (for example, spray coating, Bar coat, etc.). Among these, dipping is preferable in consideration of ease of operation and mass production.
酸性溶液に用いられる酸としては特に限定されるものではないが、塩酸、硝酸、過塩素酸、硫酸、シュウ酸、酢酸、ギ酸、炭酸、リン酸、クエン酸、スルファミン酸等の水溶液が挙げられる。これらの酸は、1種単独でも2種以上併用してもよい。これらのうち、塩酸、硝酸、硫酸、シュウ酸、スルファミン酸が好ましく、過塩素酸、塩酸、硫酸がより好ましく、過塩素酸が特に好ましい。また、酸性溶液の調製に使用される溶媒としては、上記酸を溶解するものであれば特に制限されず、酸の種類によって適宜選択される。具体的には、水道水、純水、超純水、イオン交換水、蒸留水等の水、メタノール、エタノール、テトラヒドロフランなどが挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合液の状態で使用してもよい。酸性溶液の濃度は、非白金金属の溶出のしやすさなどを考慮して非白金金属の種類などに応じて適宜設定される。酸性溶液の濃度(酸濃度)は、0.01〜10mol/L、より好ましくは0.05〜5mol/Lとすることが好ましい。このような濃度であれば、内部の非白金金属を過度に溶出させることなく、熱処理触媒粒子の最表面に露出している非白金金属原子が溶解・溶出して、表面近傍の非白金金属(例えば、コバルト)が存在していた部分に空隙(欠陥)が生成できる。ゆえに、次の第二の熱処理工程によって、合金(触媒)粒子の最表層に平滑なスキン層を形成できる。 Although it does not specifically limit as an acid used for an acidic solution, Aqueous solution, such as hydrochloric acid, nitric acid, perchloric acid, sulfuric acid, oxalic acid, acetic acid, formic acid, carbonic acid, phosphoric acid, citric acid, sulfamic acid, is mentioned . These acids may be used alone or in combination of two or more. Of these, hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, oxalic acid and sulfamic acid are preferred, perchloric acid, hydrochloric acid and sulfuric acid are more preferred, and perchloric acid is particularly preferred. In addition, the solvent used for the preparation of the acidic solution is not particularly limited as long as it dissolves the acid, and is appropriately selected depending on the type of acid. Specific examples include tap water, pure water, ultrapure water, ion exchange water, distilled water and the like, methanol, ethanol, tetrahydrofuran, and the like. These solvents may be used alone or in the form of a mixture of two or more. The concentration of the acidic solution is appropriately set according to the type of non-platinum metal in consideration of easiness of elution of non-platinum metal. The concentration (acid concentration) of the acidic solution is preferably 0.01 to 10 mol / L, more preferably 0.05 to 5 mol / L. At such a concentration, the non-platinum metal atoms exposed on the outermost surface of the heat treatment catalyst particles dissolve and elute without excessively eluting the non-platinum metal inside, and non-platinum metal ( For example, voids (defects) can be generated in portions where cobalt was present. Therefore, a smooth skin layer can be formed on the outermost layer of the alloy (catalyst) particles by the next second heat treatment step.
酸処理条件は、特に制限されない。具体的には、酸処理温度は、好ましくは5〜50℃、より好ましくは10〜40℃である。酸処理時間は、好ましくは30分〜50時間、より好ましくは5〜40時間、より好ましくは10〜30時間である。このような条件であれば、内部の非白金金属を過度に溶出させることなく、熱処理触媒粒子の最表面に露出している非白金金属原子が溶解・溶出して、表面近傍の非白金金属(例えば、コバルト)が存在していた部分に空隙(欠陥)が生成できる。ゆえに、次の第二の熱処理工程によって、合金(触媒)粒子の最表層に平滑なスキン層を形成できる。また、酸処理は、担体を酸性溶液に1回接触させる場合のみならず、複数回繰り返し行っても良い。また、複数回の酸処理を行う場合には、処理ごとに酸性溶液の種類および/または熱処理条件を変更しても良い。 The acid treatment conditions are not particularly limited. Specifically, the acid treatment temperature is preferably 5 to 50 ° C, more preferably 10 to 40 ° C. The acid treatment time is preferably 30 minutes to 50 hours, more preferably 5 to 40 hours, and more preferably 10 to 30 hours. Under these conditions, the non-platinum metal atoms exposed on the outermost surface of the heat treatment catalyst particles are dissolved and eluted without excessively eluting the non-platinum metal inside, and non-platinum metal (near the surface) ( For example, voids (defects) can be generated in portions where cobalt was present. Therefore, a smooth skin layer can be formed on the outermost layer of the alloy (catalyst) particles by the next second heat treatment step. In addition, the acid treatment may be repeated not only when the carrier is brought into contact with the acidic solution once, but also multiple times. Moreover, when performing acid treatment several times, you may change the kind of acidic solution and / or heat processing conditions for every process.
ここで、必要であれば、この熱/酸処理触媒粒子担体を単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、熱/酸処理触媒粒子担体を濾過し、必要であれば乾燥、洗浄(例えば、水洗)してもよい。また、上記操作(濾過および必要であれば乾燥、洗浄)は、繰り返し行ってもよい。ここで、乾燥を行う場合には、熱/酸処理触媒粒子担体の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、より好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜48時間である。 Here, if necessary, this heat / acid-treated catalyst particle carrier may be isolated. Here, the isolation method is not particularly limited, and the heat / acid-treated catalyst particle carrier may be filtered and, if necessary, dried and washed (for example, washed with water). The above operations (filtration and drying and washing if necessary) may be repeated. Here, when drying is performed, the heat / acid-treated catalyst particle carrier may be dried in air or under reduced pressure. Moreover, although drying temperature is not specifically limited, For example, it can carry out in the range of about 10-100 degreeC, More preferably, room temperature (25 degreeC)-about 80 degreeC. Also, the drying time is not particularly limited, but is, for example, 1 to 60 hours, preferably 5 to 48 hours.
(工程(v))
本工程では、上記工程(iv)で得られた熱/酸処理触媒粒子担体に第二の熱処理を実施する。第二の熱処理工程により、熱処理触媒粒子の最表面に露出している非白金金属原子が溶解・溶出して生成した空隙(欠陥)が白金金属で埋まり、合金(触媒)粒子の最表層に平滑な白金原子から構成されるスキン層を形成する。ゆえに、当該工程により、本発明に係る電極触媒が得られる。
(Process (v))
In this step, a second heat treatment is performed on the heat / acid-treated catalyst particle carrier obtained in the step (iv). In the second heat treatment step, the voids (defects) generated by the dissolution and elution of the non-platinum metal atoms exposed on the outermost surface of the heat treatment catalyst particles are filled with platinum metal, and the outermost layer of the alloy (catalyst) particles is smoothed. A skin layer composed of platinum atoms is formed. Therefore, the electrode catalyst which concerns on this invention is obtained by the said process.
ここで、第二の熱処理条件は、白金原子が上記(iv)で生成した空隙(欠陥)を埋めることができる条件であれば特に制限されないが、熱処理の温度及び時間の制御が重要である。具体的には、熱処理温度が350〜450℃である場合には、30分以上、より好ましくは60分を超える時間、さらに好ましくは120分以上、熱処理を行うことが好ましい。なお、上記熱処理温度での熱処理時間の上限は、触媒粒子が導電性担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。例えば、熱処理時間は、通常、36時間以下、好ましくは24時間以下、より好ましくは10時間以下、さらにより好ましくは5時間以下である。熱処理温度が350〜450℃である場合の、熱処理雰囲気は、特に制限されないが、熱処理は、合金(白金及び非白金金属)の酸化を抑制防止するためおよび/または白金や非白金金属への還元をより進行させるために、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。非酸化性雰囲気下としては、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気が挙げられる。ここで、不活性ガスは、特に制限されないが、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、及び窒素(N2)などが使用できる。上記不活性ガスは、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合ガスの形態で使用されてもよい。また、還元性ガス雰囲気は、還元性ガスが含まれていれば特に制限されないが、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気であることがより好ましい。ここで、還元性ガスは、特に制限されないが、水素(H2)ガス、一酸化炭素(CO)ガスが好ましい。また、不活性ガスに含有される還元性ガスの濃度も、特に制限されないが、不活性ガス中の還元性ガスの含有量が、好ましくは10〜100体積%、より好ましくは50〜100体積%である。このような濃度であれば、合金(白金及び非白金金属)の酸化を十分抑制・防止できる。上記のうち、熱処理は、不活性ガス雰囲気で行われることが好ましい。このような条件であれば、触媒粒子は担体上で凝集することなく、高分散して担持できる。また、上記条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えつつ、得られる触媒粒子(合金粒子)の規則度を30〜100%により有効に制御できる。 Here, the second heat treatment condition is not particularly limited as long as the platinum atoms can fill the voids (defects) generated in (iv) above, but control of the temperature and time of the heat treatment is important. Specifically, when the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C., it is preferable to perform the heat treatment for 30 minutes or more, more preferably for more than 60 minutes, and even more preferably for 120 minutes or more. The upper limit of the heat treatment time at the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the catalyst particles can be supported on the conductive support, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. For example, the heat treatment time is usually 36 hours or less, preferably 24 hours or less, more preferably 10 hours or less, and even more preferably 5 hours or less. The heat treatment atmosphere when the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C. is not particularly limited, but the heat treatment is to suppress and prevent oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) and / or reduction to platinum or non-platinum metal. It is preferable to carry out in a non-oxidizing atmosphere in order to further advance the process. Examples of the non-oxidizing atmosphere include an inert gas atmosphere and a reducing gas atmosphere. Here, the inert gas is not particularly limited, but helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), nitrogen (N 2 ), and the like can be used. The said inert gas may be used independently or may be used with the form of 2 or more types of mixed gas. The reducing gas atmosphere is not particularly limited as long as the reducing gas is contained, but a mixed gas atmosphere of the reducing gas and the inert gas is more preferable. Here, the reducing gas is not particularly limited, but hydrogen (H 2 ) gas and carbon monoxide (CO) gas are preferable. Further, the concentration of the reducing gas contained in the inert gas is not particularly limited, but the content of the reducing gas in the inert gas is preferably 10 to 100% by volume, more preferably 50 to 100% by volume. It is. With such a concentration, the oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) can be sufficiently suppressed / prevented. Among the above, the heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere. Under such conditions, the catalyst particles can be supported in a highly dispersed state without aggregating on the support. Moreover, if it is the said conditions, the regularity of the catalyst particle (alloy particle) obtained can be effectively controlled by 30 to 100%, suppressing the increase in a catalyst particle diameter.
また、熱処理温度が450℃を超え750℃以下である場合には、10分以上、より好ましくは20分以上、熱処理を行うことが好ましい。なお、上記熱処理温度での熱処理時間の上限は、触媒粒子が導電性担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。例えば、熱処理時間は、通常、36時間以下、好ましくは24時間以下、より好ましくは10時間以下、さらにより好ましくは5時間以下である。熱処理温度が450℃を超え750℃以下である場合の、熱処理雰囲気は、特に制限されないが、熱処理は、合金(白金及び非白金金属)の酸化を抑制防止するためおよび/または白金や非白金金属への還元をより進行させるために、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。ここで、非酸化性雰囲気は上記熱処理温度が350〜450℃以下である場合と同様の定義であるため、ここでは説明を省略する。上記のうち、熱処理は、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気で行われることが好ましい。このような条件であれば、触媒粒子は担体上で凝集することなく、高分散して担持できる。また、上記条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えつつ、得られる触媒粒子(合金粒子)の規則度を30〜100%により有効に制御できる。 When the heat treatment temperature is higher than 450 ° C. and lower than or equal to 750 ° C., the heat treatment is preferably performed for 10 minutes or longer, more preferably for 20 minutes or longer. The upper limit of the heat treatment time at the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the catalyst particles can be supported on the conductive support, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. For example, the heat treatment time is usually 36 hours or less, preferably 24 hours or less, more preferably 10 hours or less, and even more preferably 5 hours or less. The heat treatment atmosphere when the heat treatment temperature is higher than 450 ° C. and lower than 750 ° C. is not particularly limited, but the heat treatment is performed to suppress and prevent oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) and / or platinum or non-platinum metal. In order to make the reduction to more proceed, it is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere. Here, since the non-oxidizing atmosphere has the same definition as that in the case where the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C. or lower, description thereof is omitted here. Among the above, the heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere. Under such conditions, the catalyst particles can be supported in a highly dispersed state without aggregating on the support. Moreover, if it is the said conditions, the regularity of the catalyst particle (alloy particle) obtained can be effectively controlled by 30 to 100%, suppressing the increase in a catalyst particle diameter.
さらに、熱処理温度が750℃を超える場合には、還元性ガス雰囲気下で、10〜45分間、より好ましくは20〜40分間、熱処理を行うことが好ましい。または、熱処理温度が750℃を超える場合には、不活性ガス雰囲気下で、10〜120分間、より好ましくは30〜100分間、特に好ましくは45分を超えて90分以下の時間、熱処理を行うことが好ましい。なお、上記熱処理温度の上限は、触媒粒子が導電性担体に担持する状態を維持できる温度であれば特に制限されず、触媒粒子の粒径や種類によって適宜選択される。また、熱処理時の温度及び時間に比例して、規則度は上昇するものの、シンタリングにより粒子径の増大を引き起こす傾向にある。上記点を考慮すると、例えば、熱処理温度は、1000℃以下でありうる。このような条件であれば、触媒粒子径の増大は抑えつつ、さらに得られる触媒粒子(合金粒子)の担体上での凝集することなく、高分散して担持できる。また、上記条件であれば、触媒粒子径の増大を抑えつつ、得られる触媒粒子(合金粒子)の規則度を30〜100%により有効に制御できる。上記において、「不活性ガス雰囲気」および「還元性ガス雰囲気」は、上記熱処理温度が350〜450℃以下である場合と同様の定義であるため、ここでは説明を省略する。 Furthermore, when the heat treatment temperature exceeds 750 ° C., it is preferable to perform the heat treatment in a reducing gas atmosphere for 10 to 45 minutes, more preferably 20 to 40 minutes. Alternatively, when the heat treatment temperature exceeds 750 ° C., the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere for 10 to 120 minutes, more preferably 30 to 100 minutes, particularly preferably more than 45 minutes and 90 minutes or less. It is preferable. The upper limit of the heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the catalyst particles can be supported on the conductive support, and is appropriately selected depending on the particle size and type of the catalyst particles. Further, although the degree of order increases in proportion to the temperature and time during the heat treatment, the particle diameter tends to increase due to sintering. Considering the above points, for example, the heat treatment temperature may be 1000 ° C. or less. Under such conditions, the catalyst particles (alloy particles) obtained can be supported in a highly dispersed state without agglomeration on the carrier while suppressing an increase in the catalyst particle diameter. Moreover, if it is the said conditions, the regularity of the catalyst particle (alloy particle) obtained can be effectively controlled by 30 to 100%, suppressing the increase in a catalyst particle diameter. In the above, “inert gas atmosphere” and “reducing gas atmosphere” have the same definitions as those in the case where the heat treatment temperature is 350 to 450 ° C. or less, and thus the description thereof is omitted here.
上記の方法によって、本発明に係る電極触媒は製造される。このようにして製造された触媒粒子は、白金原子と非白金金属原子からなる合金粒子である。ここで、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。本発明の触媒粒子は、その合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがある。本発明では、触媒粒子は、いずれの形態であってもよいが、少なくとも白金原子および非白金原子が金属間化合物を形成しているものを含む。 By the above method, the electrode catalyst according to the present invention is produced. The catalyst particles thus produced are alloy particles composed of platinum atoms and non-platinum metal atoms. Here, an alloy is a general term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The catalyst particles of the present invention have an alloy structure in which a component element becomes a separate crystal, that is, a eutectic alloy that is a mixture, a component element completely melted into a solid solution, a component element is an intermetallic compound or Some form a compound of a metal and a nonmetal. In the present invention, the catalyst particles may be in any form, but include those in which at least a platinum atom and a non-platinum atom form an intermetallic compound.
本発明に係る触媒粒子は、白金原子と非白金金属原子からなるコア部および前記コアを被覆する白金原子からなるスキン層から構成される。当該構成によると、耐溶解性の高い白金原子からなるスキン層が、耐溶解性に劣る非白金金属原子を含むコア部を被覆している。このため、電位サイクル環境や酸性条件下での非白金金属の溶出を抑制・防止するため、触媒粒子は活性(面積比活性、質量比活性)を長期間にわたって維持できる。ここで、スキン層は、触媒粒子(合金粒子)の少なくとも一部を被覆すればよいが、非白金金属の溶出の抑制・防止効果の向上を考慮すると、触媒粒子の全表面を被覆することが好ましい。また、スキン層を構成する白金原子層は、単層であってもあるいは複数の層の積層であってもよい。スキン層は、0を超えて6白金原子層から構成されることが好ましく、1〜5白金原子層から構成されることが好ましく、1〜3白金原子層から構成されることがより好ましい。このような層数であると、電位サイクル環境や酸性条件下での非白金金属の溶出を十分抑制・防止できる。加えて、非白金金属が触媒粒子表面近傍に位置するため、触媒粒子は、非白金金属による効果を十分発揮できるため、高活性を発揮できる。 The catalyst particles according to the present invention include a core portion made of platinum atoms and non-platinum metal atoms, and a skin layer made of platinum atoms covering the core. According to the said structure, the skin layer which consists of a platinum atom with high solubility resistance has coat | covered the core part containing the non-platinum metal atom inferior to dissolution resistance. For this reason, in order to suppress and prevent elution of non-platinum metal under a potential cycle environment or acidic conditions, the catalyst particles can maintain activity (area specific activity, mass specific activity) for a long period of time. Here, the skin layer only needs to cover at least a part of the catalyst particles (alloy particles). However, in consideration of the suppression and prevention effect of non-platinum metal elution, the skin layer may cover the entire surface of the catalyst particles. preferable. The platinum atomic layer constituting the skin layer may be a single layer or a laminate of a plurality of layers. The skin layer is preferably composed of 6 platinum atomic layers exceeding 0, preferably 1 to 5 platinum atomic layers, and more preferably 1 to 3 platinum atomic layers. With such a number of layers, elution of non-platinum metal under a potential cycle environment or acidic conditions can be sufficiently suppressed / prevented. In addition, since the non-platinum metal is located in the vicinity of the surface of the catalyst particles, the catalyst particles can sufficiently exhibit the effect of the non-platinum metal, and thus can exhibit high activity.
なお、上述したように、合金粒子は、白金原子からなるスキン層が表面に形成されない部分が存在する場合もある。しかし、合金粒子は、非白金金属原子同士が配位しないL12構造を内部構造として有する。このため、製造時(作動前)の触媒粒子ではスキン層が表面に存在しない部分あっても、使用(作動)時の酸性条件下で表面近傍の非白金金属原子が溶出する。一方で、非白金金属原子に配位している白金原子が非金属金属原子の連鎖的な溶出をとめるため、合金粒子の表面に白金金属原子のスキン層が追加的に形成され、より高い割合の触媒粒子表面をスキン層で覆われうる。ゆえに、本発明に係る合金(触媒)粒子では、溶出耐性が高く、酸性条件下、例えば、強酸性の電解質(例えば、PEFCで使用されているパーフルオロスルホン酸のような電解質)に接触した状態であっても、非白金金属の連鎖的溶出をより効果的に抑制・防止できる。すなわち、当該構成によると、合金(触媒)粒子は、耐溶解性の高い白金原子からなるスキン層が、耐溶解性に劣る非白金金属原子を含むコア部を被覆している。このため、電位サイクル環境や酸性条件下での非白金金属の溶出を抑制・防止し、触媒粒子は活性(面積比活性、質量比活性)を長期間にわたって維持できる。ゆえに、本発明の触媒粒子は、非白金金属による効果を長期間にわたって発揮できる。 As described above, the alloy particles may have a portion where the skin layer made of platinum atoms is not formed on the surface. However, the alloy particles have an L1 2 structure between non-platinum metal atoms are not coordinated as internal structure. For this reason, non-platinum metal atoms in the vicinity of the surface are eluted under acidic conditions during use (operation) even if there is a portion where the skin layer does not exist on the surface of the catalyst particles during production (before operation). On the other hand, since platinum atoms coordinated to non-platinum metal atoms stop chain elution of non-metal metal atoms, an additional skin layer of platinum metal atoms is formed on the surface of the alloy particles, and a higher proportion The surface of the catalyst particles can be covered with a skin layer. Therefore, the alloy (catalyst) particles according to the present invention have high elution resistance and are in contact with a strongly acidic electrolyte (for example, an electrolyte such as perfluorosulfonic acid used in PEFC) under acidic conditions. Even so, chain elution of non-platinum metals can be more effectively suppressed / prevented. That is, according to this configuration, in the alloy (catalyst) particles, the skin layer made of platinum atoms having high dissolution resistance covers the core portion containing non-platinum metal atoms that are poor in dissolution resistance. For this reason, elution of non-platinum metal under a potential cycle environment or acidic conditions can be suppressed / prevented, and the catalyst particles can maintain activity (area specific activity, mass specific activity) over a long period of time. Therefore, the catalyst particles of the present invention can exhibit the effect of non-platinum metal over a long period of time.
ここで、触媒粒子(合金粒子)のスキン層を構成する白金原子層数は、公知の方法によって測定されうる。例えば、電子線照射により発生する各元素固有の特性X線を検出し、エネルギーで分光することによって、元素分析や組成分析を行うエネルギー分散型X線分光(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy;EDX)などが使用できる。本明細書において、触媒粒子(合金粒子)のスキン層を構成する白金原子層数は、STEM−EDX分析によりにより測定される。詳細には、STEM−EDX分析器(株式会社日立ハイテクノロジーズ社製、商品名:HD−2700)を用いて、触媒粒子の表面から中心に向かって、触媒粒子を構成する白金金属元素および非白金金属元素に特有の特性X線を検出し、その強度を測定する。ここで、非白金金属元素に特有の特性X線を初めて検出した際の厚みがスキン層厚(nm)となる。このスキン層厚を、白金の原子直径(0.27nm)で除し、得られた値が触媒粒子(合金粒子)のスキン層を構成する白金原子層数となる。例えば、白金−コバルト合金粒子をSTEM−EDX分析すると、表面から0.68nmの地点で初めてコバルト元素を検出した場合には、白金原子層数は、約2.5(=0.68/0.27)層となる。 Here, the number of platinum atomic layers constituting the skin layer of the catalyst particles (alloy particles) can be measured by a known method. For example, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) that performs elemental analysis and composition analysis by detecting characteristic X-rays generated by electron beam irradiation and performing spectral analysis with energy Can be used. In the present specification, the number of platinum atomic layers constituting the skin layer of catalyst particles (alloy particles) is measured by STEM-EDX analysis. Specifically, using a STEM-EDX analyzer (trade name: HD-2700, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation), platinum metal elements and non-platinum constituting the catalyst particles from the surface of the catalyst particles toward the center. Characteristic X-rays peculiar to metal elements are detected and the intensity is measured. Here, the thickness when the characteristic X-ray peculiar to the non-platinum metal element is detected for the first time becomes the skin layer thickness (nm). The skin layer thickness is divided by the atomic diameter of platinum (0.27 nm), and the obtained value is the number of platinum atomic layers constituting the skin layer of the catalyst particles (alloy particles). For example, when platinum-cobalt alloy particles are analyzed by STEM-EDX, when cobalt element is detected for the first time at a point 0.68 nm from the surface, the number of platinum atomic layers is about 2.5 (= 0.68 / 0. 27) It becomes a layer.
また、本発明に係る合金粒子は、内部構造としてL12構造を有する。「L12構造を有する」とは、L12構造の規則度(Extent of ordering)が0%を超えることを指す。上記構成を有する触媒粒子は、少ない白金含有量であっても、高い活性と耐久性を発揮できる。ここで、L12構造の規則度は、特に制限されないが、30〜100%であることが好ましく、40〜100%であることが好ましく、45〜100%であることがより好ましく、47〜95%であることがさらにより好ましく、50〜90%であることが特に好ましい。これにより、触媒粒子の活性(面積比活性及び質量比活性、特に質量比活性)及び耐久性(耐久試験後の活性)をより向上できる。 Further, the alloy particles according to the present invention has an L1 2 structure as an internal structure. “Having an L1 2 structure” means that the degree of ordering of the L1 2 structure exceeds 0%. The catalyst particles having the above configuration can exhibit high activity and durability even with a small platinum content. Here, regulations of the L1 2 structure is not particularly limited, preferably from 30% to 100%, preferably 40 to 100%, more preferably 45-100%, 47-95 % Is even more preferable, and 50 to 90% is particularly preferable. Thereby, the activity (area specific activity and mass specific activity, particularly mass specific activity) and durability (activity after the durability test) of the catalyst particles can be further improved.
「L12構造の規則度(Extent of ordering)(%)」は、J. Mater. Chem., 2004, 14, 1454 - 1460に記載される方法を基に求めることができ、本明細書においては、X線回折(X-ray diffraction)(XRD)パターンの最大強度のピーク面積(Ia)と、金属間化合物に特有のピーク面積(Ib)との比として定義される。具体的には、「L12構造の規則度(Extent of ordering)(%)」は、下記方法によって測定される値である。 "Rules of the L1 2 structure (Extent of ordering) (%)" is, J Mater Chem, 2004, 14 , 1454 -... 1460 The methods described can be determined based on, in this specification , Defined as the ratio of the peak area (Ia) of the maximum intensity of the X-ray diffraction (XRD) pattern to the peak area (Ib) characteristic of the intermetallic compound. Specifically, "rules of the L1 2 structure (Extent of ordering) (%)" is a value measured by the following methods.
<L12構造の規則度(Extent of ordering)の測定方法>
触媒粒子を、下記条件によりX線回折(X−ray diffraction)(XRD)を行い、XRDパターンを得る。得られたXRDパターンにおいて、2θ値が39〜41°の範囲に観測されるピーク面積(Ia)および31〜34°の範囲に観測されるピーク面積(Ib)を測定する。ここで、2θ値が39〜41°の範囲に観測されるピークは、白金の格子面に固有のピークである。39〜41°の範囲に観測されるピークは、合金粒子構造全体を表すピークである。また、2θ値が31〜34°の範囲に観測されるピークは、合金粒子のL12構造に固有のピークである。
<Measurement method of degree of order of the L1 2 structure (Extent of ordering)>
The catalyst particles are subjected to X-ray diffraction (XRD) under the following conditions to obtain an XRD pattern. In the obtained XRD pattern, the peak area (Ia) observed in the range of 2θ value of 39 to 41 ° and the peak area (Ib) observed in the range of 31 to 34 ° are measured. Here, the peak observed in the range of 2θ value of 39 to 41 ° is a peak inherent to the lattice plane of platinum. The peak observed in the range of 39 to 41 ° is a peak representing the entire alloy particle structure. Also, peak 2θ value is observed in the range of 31 to 34 ° is the inherent peak L1 2 structure of the alloy particles.
上記ピーク面積Ia及びIbを用いて、下記式(1)により、L12構造の規則度を算出する。 Using the peak areas Ia and Ib, the following equation (1), and calculates the degree of order of the L1 2 structure.
上記式(1)において、Xは、合金粒子を構成する非白金金属原子に特有の値である。具体的には、Xは、下記表に示される値である。 In the above formula (1), X is a value specific to the non-platinum metal atom constituting the alloy particle. Specifically, X is a value shown in the following table.
触媒粒子の組成もまた、特に制限されない。触媒活性、L12構造の形成しやすさなどの観点から、触媒粒子の組成は、非白金金属原子1モルに対して、白金原子が、1.5〜15モルであることが好ましく、1.6〜10モルであることがより好ましく、1.7〜7モルであることがさらにより好ましく、2.2〜6モルであることが特に好ましい。このような組成であれば、触媒粒子は、十分規則度の高いL12構造を有し、高い活性を発揮・維持できる。なお、触媒粒子の組成(触媒粒子中の各金属原子の含有量)は、誘導結合プラズマ発光分析(ICP atomic emission spectrometry)や誘導結合プラズマ質量分析(ICP mass spectrometry)、蛍光X線分析(XRF)等の、従来公知の方法によって決定できる。 The composition of the catalyst particles is not particularly limited. Catalytic activity, from the viewpoint of forming easiness of L1 2 structure, the composition of the catalyst particles to non-platinum metal atom 1 mol, platinum atom is preferably a 1.5 to 15 moles, 1. The amount is more preferably 6 to 10 mol, still more preferably 1.7 to 7 mol, and particularly preferably 2.2 to 6 mol. With such a composition, the catalyst particles have a high enough degree of order L1 2 structure can exhibit and maintain a high activity. The composition of the catalyst particles (content of each metal atom in the catalyst particles) is determined by inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP atomic emission spectrometry), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP mass spectrometry), and X-ray fluorescence analysis (XRF). It can be determined by a conventionally known method.
触媒粒子の大きさは、特に制限されない。例えば、触媒粒子の個数平均粒子径(dN)は、好ましくは1〜10nm、より好ましくは2〜8nm、さらに好ましくは2〜7nmである。触媒粒子の個数平均粒子径がかような範囲内の値であると、単位白金量当たりの活性を高くしつつ、発電時の触媒金属の溶解・凝集を抑制することができる。本明細書において、合金粒子の個数平均粒子径(dN)は、以下のようにして測定される。まず、n個の合金粒子をTEMで観察し、各粒子の投影面積よりその面積が真円であった場合の粒子径(等価円直径)を逆算して、各合金粒子の粒子径(d)を測定する。このようにして得られた合金粒子の粒子径(d)を用いて、下記式(A)によって、合金粒子の個数平均粒子径(dN)をそれぞれ算出する。なお、合金粒子の測定数(n)は、特に制限されないが、統計学的に有意差のない数であることが好ましく、少なくとも200個であることが好ましく、少なくとも300個であることがより好ましい。 The size of the catalyst particles is not particularly limited. For example, the number average particle diameter (d N ) of the catalyst particles is preferably 1 to 10 nm, more preferably 2 to 8 nm, and further preferably 2 to 7 nm. When the number average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the dissolution / aggregation of the catalyst metal during power generation can be suppressed while increasing the activity per unit platinum amount. In the present specification, the number average particle diameter (d N ) of the alloy particles is measured as follows. First, n alloy particles are observed with a TEM, and the particle diameter (equivalent circular diameter) when the area is a perfect circle is calculated backward from the projected area of each particle to calculate the particle diameter (d) of each alloy particle. Measure. Using the particle diameter (d) of the alloy particles thus obtained, the number average particle diameter (d N ) of the alloy particles is calculated by the following formula (A). The number of measured alloy particles (n) is not particularly limited, but is preferably a statistically significant number, preferably at least 200, and more preferably at least 300. .
上記したようにして、本発明に係る電極触媒は、耐久試験後も高い活性(面積比活性や質量比活性)を維持でき、耐久性にも優れる。また、当該電極触媒は、少ない白金含有量であっても、高い活性(面積比活性や質量比活性)を発揮できる。 As described above, the electrode catalyst according to the present invention can maintain high activity (area specific activity and mass specific activity) even after the durability test, and is excellent in durability. In addition, the electrode catalyst can exhibit high activity (area specific activity and mass specific activity) even with a small platinum content.
[電解質膜−電極接合体(MEA)]
上述した本発明に係る電極触媒は、電解質膜−電極接合体(MEA)に好適に使用できる。すなわち、本発明は、本発明に係る電極触媒を含む電解質膜−電極接合体(MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体(MEA)、ならびに本発明に係る電極触媒を用いることを有する電解質膜−電極接合体(MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体(MEA)の製造方法をも提供する。本発明に係る電解質膜−電極接合体(MEA)は、高い発電性能および耐久性を発揮できる。
[Electrolyte membrane-electrode assembly (MEA)]
The above-described electrode catalyst according to the present invention can be suitably used for an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA). That is, the present invention includes using an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) including the electrode catalyst according to the present invention, particularly an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) for a fuel cell, and the electrode catalyst according to the present invention. A method for producing an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA), particularly an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) for a fuel cell is also provided. The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) according to the present invention can exhibit high power generation performance and durability.
本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、従来の電極触媒に代えて、本発明の電極触媒(触媒)を用いる以外は、同様の構成を適用できる。以下に、本発明のMEAの好ましい形態を説明するが、本発明は下記形態に限定されない。 The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention can have the same configuration except that the electrode catalyst (catalyst) of the present invention is used instead of the conventional electrode catalyst. Although the preferable form of MEA of this invention is demonstrated below, this invention is not limited to the following form.
MEAは、電解質膜、上記電解質膜の両面に順次形成されるアノード触媒層及びアノードガス拡散層ならびにカソード触媒層及びカソードガス拡散層から構成される。そしてこの電解質膜−電極接合体において、前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方に本発明の電極触媒が使用される。 The MEA includes an electrolyte membrane, an anode catalyst layer, an anode gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, and a cathode gas diffusion layer that are sequentially formed on both surfaces of the electrolyte membrane. In this electrolyte membrane-electrode assembly, the electrode catalyst of the present invention is used for at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.
(電解質膜)
電解質膜は、例えば、固体高分子電解質膜から構成される。この固体高分子電解質膜は、例えば、燃料電池(PEFC等)の運転時にアノード触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane. For example, the solid polymer electrolyte membrane has a function of selectively allowing protons generated in the anode catalyst layer during operation of a fuel cell (such as PEFC) to permeate the cathode catalyst layer along the film thickness direction. The solid polymer electrolyte membrane also has a function as a partition for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.
固体高分子電解質膜を構成する電解質材料としては特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、以下の触媒層にて高分子電解質として説明したフッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質を同様にして用いることができる。この際、触媒層に用いた高分子電解質と必ずしも同じものを用いる必要はない。 It does not specifically limit as electrolyte material which comprises a solid polymer electrolyte membrane, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, the fluorine-based polymer electrolyte and the hydrocarbon-based polymer electrolyte described as the polymer electrolyte in the following catalyst layer can be used in the same manner. At this time, it is not always necessary to use the same polymer electrolyte used for the catalyst layer.
電解質膜の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質膜の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質膜の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性及び使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。 The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte membrane is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte membrane is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.
(触媒層)
触媒層は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層では酸素の還元反応が進行する。ここで、本発明の触媒は、カソード触媒層またはアノード触媒層のいずれに存在してもいてもよい。酸素還元活性の向上の必要性を考慮すると、少なくともカソード触媒層本発明の電極触媒が使用されることが好ましい。ただし、上記形態に係る触媒層は、アノード触媒層として用いてもよいし、カソード触媒層およびアノード触媒層双方として用いてもよいなど、特に制限されるものではない。
(Catalyst layer)
The catalyst layer is a layer where the battery reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer. Here, the catalyst of the present invention may be present in either the cathode catalyst layer or the anode catalyst layer. Considering the necessity of improving the oxygen reduction activity, it is preferable to use at least the cathode catalyst layer of the electrode catalyst of the present invention. However, the catalyst layer according to the above embodiment may be used as an anode catalyst layer, or may be used as both a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer, and is not particularly limited.
触媒層は、本発明の電極触媒および電解質を含む。電解質は、特に制限されないが、イオン伝導性の高分子電解質であることが好ましい。上記高分子電解質は、燃料極側の触媒活物質周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たすことから、プロトン伝導性高分子とも呼ばれる。 The catalyst layer includes the electrode catalyst of the present invention and an electrolyte. The electrolyte is not particularly limited, but is preferably an ion conductive polymer electrolyte. Since the polymer electrolyte plays a role of transmitting protons generated around the catalyst active material on the fuel electrode side, it is also called a proton conductive polymer.
当該高分子電解質は、特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。 The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Polymer electrolytes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material.
フッ素系高分子電解質を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性、耐久性、機械強度に優れるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質が用いられる。 Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-per Examples thereof include fluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of excellent heat resistance, chemical stability, durability, and mechanical strength, these fluorine-based polymer electrolytes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. Is used.
炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。 Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon polymer electrolytes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw material is inexpensive, the production process is simple, and the selectivity of the material is high. In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.
プロトンの伝達を担う高分子電解質においては、プロトンの伝導度が重要となる。ここで、高分子電解質のEWが大きすぎる場合には触媒層全体でのイオン伝導性が低下する。したがって、本形態の触媒層は、EWの小さい高分子電解質を含むことが好ましい。具体的には、本形態の触媒層は、好ましくはEWが1500g/eq.以下の高分子電解質を含み、より好ましくは1200g/eq.以下の高分子電解質を含み、特に好ましくは1000g/eq.以下の高分子電解質を含む。一方、EWが小さすぎる場合には、親水性が高すぎて、水の円滑な移動が困難となる。かような観点から、高分子電解質のEWは600以上であることが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基1当量あたりのイオン交換膜の乾燥重量であり、「g/eq」の単位で表される。 Proton conductivity is important in polymer electrolytes responsible for proton transmission. Here, when the EW of the polymer electrolyte is too large, the ionic conductivity in the entire catalyst layer is lowered. Therefore, it is preferable that the catalyst layer of this embodiment contains a polymer electrolyte having a small EW. Specifically, the catalyst layer of this embodiment preferably has an EW of 1500 g / eq. The following polymer electrolyte is contained, More preferably, it is 1200 g / eq. The following polymer electrolyte is included, and particularly preferably 1000 g / eq. The following polymer electrolytes are included. On the other hand, if the EW is too small, the hydrophilicity is too high, making it difficult to smoothly move water. From such a viewpoint, the EW of the polymer electrolyte is preferably 600 or more. Note that EW (Equivalent Weight) represents the equivalent weight of the exchange group having proton conductivity. The equivalent weight is the dry weight of the ion exchange membrane per equivalent of ion exchange group, and is expressed in units of “g / eq”.
また、触媒層は、EWが異なる2種類以上の高分子電解質を発電面内に含み、この際、高分子電解質のうち最もEWが低い高分子電解質が流路内ガスの相対湿度が90%以下の領域に用いることが好ましい。このような材料配置を採用することにより、電流密度領域によらず、抵抗値が小さくなって、電池性能の向上を図ることができる。流路内ガスの相対湿度が90%以下の領域に用いる高分子電解質、すなわちEWが最も低い高分子電解質のEWとしては、900g/eq.以下であることが望ましい。これにより、上述の効果がより確実、顕著なものとなる。 Further, the catalyst layer includes two or more types of polymer electrolytes having different EWs in the power generation surface. At this time, the polymer electrolyte having the lowest EW among the polymer electrolytes has a relative humidity of 90% or less of the gas in the flow path. It is preferable to use in the region. By adopting such a material arrangement, the resistance value becomes small regardless of the current density region, and the battery performance can be improved. The EW of the polymer electrolyte used in the region where the relative humidity of the gas in the flow channel is 90% or less, that is, the polymer electrolyte having the lowest EW is 900 g / eq. The following is desirable. Thereby, the above-mentioned effect becomes more reliable and remarkable.
さらに、EWが最も低い高分子電解質を冷却水の入口と出口の平均温度よりも高い領域に用いることが望ましい。これによって、電流密度領域によらず、抵抗値が小さくなって、電池性能のさらなる向上を図ることができる。 Further, it is desirable to use a polymer electrolyte having the lowest EW in a region higher than the average temperature of the cooling water inlet and outlet. As a result, the resistance value is reduced regardless of the current density region, and the battery performance can be further improved.
さらには、燃料電池システムの抵抗値を小さくするとする観点から、EWが最も低い高分子電解質は、流路長に対して燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方のガス供給口から3/5以内の範囲の領域に用いることが望ましい。 Furthermore, from the viewpoint of reducing the resistance value of the fuel cell system, the polymer electrolyte having the lowest EW is within 3/5 from the gas supply port of at least one of the fuel gas and the oxidant gas with respect to the flow path length. It is desirable to use it in the range area.
触媒層には、必要に応じて、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などの撥水剤、界面活性剤などの分散剤、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などの増粘剤、造孔剤等の添加剤が含まれていても構わない。 If necessary, the catalyst layer may be a water repellent such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene or tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, a dispersant such as a surfactant, glycerin, ethylene glycol (EG). ), A thickener such as polyvinyl alcohol (PVA) and propylene glycol (PG), and an additive such as a pore-forming agent may be contained.
触媒層の膜厚(乾燥膜厚)は、好ましくは0.05〜30μm、より好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは2〜15μmである。なお、上記は、カソード触媒層およびアノード触媒層双方に適用される。しかしながら、カソード触媒層及びアノード触媒層は、同じであってもあるいは異なってもよい。 The film thickness (dry film thickness) of the catalyst layer is preferably 0.05 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm, and still more preferably 2 to 15 μm. The above applies to both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. However, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.
(ガス拡散層)
ガス拡散層(アノードガス拡散層4a、カソードガス拡散層4c)は、セパレータのガス流路(6a、6c)を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層(3a、3c)への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
(Gas diffusion layer)
The gas diffusion layers (anode gas diffusion layer 4a, cathode gas diffusion layer 4c) are catalyst layers (3a, 3c) of gas (fuel gas or oxidant gas) supplied via the gas flow paths (6a, 6c) of the separator. ) And a function as an electron conduction path.
ガス拡散層(4a、4c)の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。 The material which comprises the base material of a gas diffusion layer (4a, 4c) is not specifically limited, A conventionally well-known knowledge can be referred suitably. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric, a paper-like paper body, a felt, and a non-woven fabric can be used. The thickness of the substrate may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.
ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion layer preferably contains a water repellent for the purpose of further improving water repellency and preventing a flooding phenomenon or the like. Although it does not specifically limit as a water repellent, Fluorine-type high things, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), are included. Examples thereof include molecular materials, polypropylene, and polyethylene.
また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層;MPL、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。 In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer has a carbon particle layer (microporous layer; MPL, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent on the catalyst layer side of the substrate. You may have.
カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite, and expanded graphite can be appropriately employed. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, acetylene black and the like can be preferably used because of excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. Thereby, while being able to obtain the high drainage property by capillary force, it becomes possible to improve contact property with a catalyst layer.
カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。 Examples of the water repellent used in the carbon particle layer include the same water repellent as described above. Among these, fluorine-based polymer materials can be preferably used because of excellent water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like.
カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、重量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。 The mixing ratio of the carbon particles and the water repellent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles: water repellent) in weight ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It is good. In addition, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of a carbon particle layer, What is necessary is just to determine suitably in consideration of the water repellency of the gas diffusion layer obtained.
(電解質膜−電極接合体の製造方法)
電解質膜−電極接合体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を使用できる。例えば、電解質膜に触媒層をホットプレスで転写または塗布し、これを乾燥したものに、ガス拡散層を接合する方法や、ガス拡散層の微多孔質層側(微多孔質層を含まない場合には、基材層の片面に触媒層を予め塗布して乾燥することによりガス拡散電極(GDE)を2枚作製し、固体高分子電解質膜の両面にこのガス拡散電極をホットプレスで接合する方法を使用することができる。ホットプレス等の塗布、接合条件は、固体高分子電解質膜や触媒層内の高分子電解質の種類(パ−フルオロスルホン酸系や炭化水素系)によって適宜調整すればよい。
(Method for producing electrolyte membrane-electrode assembly)
The method for producing the electrolyte membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, a method of joining a gas diffusion layer to a catalyst layer transferred or applied to an electrolyte membrane by hot pressing and drying it, or a microporous layer side of the gas diffusion layer (when a microporous layer is not included) First, two gas diffusion electrodes (GDE) are prepared by applying a catalyst layer on one side of a base material layer in advance and drying, and then bonding the gas diffusion electrodes to both sides of a solid polymer electrolyte membrane by hot pressing. The application and joining conditions such as hot pressing can be adjusted appropriately according to the type of polymer electrolyte in the solid polymer electrolyte membrane or catalyst layer (perfluorosulfonic acid type or hydrocarbon type). Good.
[燃料電池]
上述した電解質膜−電極接合体(MEA)は、燃料電池に好適に使用できる。すなわち、本発明は、本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)を用いてなる燃料電池をも提供する。本発明の燃料電池は、高い発電性能および耐久性を発揮できる。ここで、本発明の燃料電池は、本発明の電解質膜−電極接合体を挟持する一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータを有する。
[Fuel cell]
The above-mentioned electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) can be suitably used for a fuel cell. That is, the present invention also provides a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention. The fuel cell of the present invention can exhibit high power generation performance and durability. Here, the fuel cell of the present invention has a pair of anode separator and cathode separator that sandwich the electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention.
(セパレータ)
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
(Separator)
The separator has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. In order to secure these flow paths, as described above, each of the separators is preferably provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.
燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。 The manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the field of the fuel cell.
さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して電解質膜−電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Furthermore, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are stacked and connected in series via a separator may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.
上述したPEFCや電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れる触媒層を用いている。したがって、当該PEFCや電解質膜−電極接合体は発電性能および耐久性に優れる。 The PEFC and the electrolyte membrane-electrode assembly described above use a catalyst layer that is excellent in power generation performance and durability. Therefore, the PEFC and the electrolyte membrane-electrode assembly are excellent in power generation performance and durability.
本実施形態のPEFCやこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。 The PEFC of the present embodiment and the fuel cell stack using the PEFC can be mounted on a vehicle as a driving power source, for example.
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。なお、特記しない限りは、各操作は、室温(25℃)で/相対湿度40〜50%の条件で行われる。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples. Unless otherwise specified, each operation is performed at room temperature (25 ° C.) / Relative humidity of 40 to 50%.
実施例1
ビーカーにいれた0.5MのHNO3溶液500mLに、カーボン担体(ケッチェンブラック(登録商標)KetjenBlackEC300J、平均粒子径:40nm、BET比表面積:800m2/g、ライオン株式会社製)2gを添加し、室温(25℃)で30分、300rpmでスターラーで撹拌・混合した。続いて、300rpmの撹拌下で、80℃、2時間の酸処理を行ってカーボン担体を得た。そして、カーボン担体をろ過した後、超純水で洗浄した。上記ろ過・洗浄操作を計3回繰り返した。このカーボン担体を60℃で24時間乾燥させた後、酸処理カーボン担体Aを得た。
Example 1
2 g of carbon support (Ketjen Black (registered trademark) KetjenBlackEC300J, average particle size: 40 nm, BET specific surface area: 800 m 2 / g, manufactured by Lion Corporation) is added to 500 mL of 0.5 M HNO 3 solution in a beaker. The mixture was stirred and mixed with a stirrer at 300 rpm for 30 minutes at room temperature (25 ° C.). Subsequently, an acid treatment was performed at 80 ° C. for 2 hours under stirring at 300 rpm to obtain a carbon support. Then, after filtering the carbon support, it was washed with ultrapure water. The above filtration and washing operations were repeated a total of 3 times. The carbon support was dried at 60 ° C. for 24 hours, and then an acid-treated carbon support A was obtained.
得られた酸処理カーボン担体Aの表面に形成されたラクトン基、水酸基、エーテル基、およびカルボニル基からなる群より選択される少なくとも一つ以上の官能基量は、1.25μmol/m2であり、BET比表面積は850m2/gであり、平均粒子径は40nmであった。 The amount of at least one functional group selected from the group consisting of a lactone group, a hydroxyl group, an ether group, and a carbonyl group formed on the surface of the obtained acid-treated carbon carrier A is 1.25 μmol / m 2 . The BET specific surface area was 850 m 2 / g, and the average particle size was 40 nm.
ビーカーに入れた100ml超純水に、酸処理カーボン担体A0.2gを添加し、15分間超音波処理を行って担体懸濁液Aを得た。触媒前駆粒子に添加するまで、担体懸濁液Aを室温(25℃)、150rpmで撹拌し続けた。 ビーカーに入れた1000ml超純水に、0.105Mの塩化コバルト(CoCl2・6H2O)水溶液 21.8mL(Co量で135mg)、1.32Mの塩化白金酸(H2[PtCl6]・6H2O)水溶液 0.36mL(白金量で92mg)を投入した。これを、10℃で5分間、スターラーで撹拌・混合して、混合液を調製した。 0.2 g of acid-treated carbon carrier A was added to 100 ml of ultrapure water placed in a beaker, and sonication was performed for 15 minutes to obtain carrier suspension A. The carrier suspension A was continuously stirred at 150 rpm at room temperature (25 ° C.) until it was added to the catalyst precursor particles. To 1000 ml ultrapure water in a beaker, 21.8 mL of 0.105 M cobalt chloride (CoCl 2 .6H 2 O) aqueous solution (135 mg in Co amount), 1.32 M chloroplatinic acid (H 2 [PtCl 6 ]. 6H 2 O) aqueous solution 0.36 mL (92 mg in terms of platinum) was added. This was stirred and mixed with a stirrer at 10 ° C. for 5 minutes to prepare a mixed solution.
別途、クエン酸三ナトリウム二水和物 1.2g、水素化ホウ素ナトリウム 0.4gを超純水100mLに溶解して、還元剤溶液を調製した。 Separately, 1.2 g of trisodium citrate dihydrate and 0.4 g of sodium borohydride were dissolved in 100 mL of ultrapure water to prepare a reducing agent solution.
上記で得られた混合液に、上記で調製した還元剤溶液 100mLを投入し、10℃で30分間、スターラーで撹拌・混合し、還元析出させて、触媒前駆粒子(Pt−Co混合粒子;白金−非白金金属合金粒子1)を含む溶液を得た。次に、この溶液に、酸処理カーボン担体A0.2gを含む担体懸濁液Aを添加して、室温(25℃)で72時間、スターラーで撹拌・混合し、触媒前駆粒子を担体に担持した。その後、この触媒前駆粒子担持担体をろ過した後、超純水で洗浄した。上記濾過・洗浄操作を計3回繰り返した後、ろ過を行い、触媒粒子担持担体1(触媒前駆粒子担持担体1)を得た。この触媒粒子担持担体を60℃で12時間乾燥させた後、アルゴンガス雰囲気下で、600℃で120分間、第一の熱処理を実施した。これにより、熱処理触媒粒子担体1を得た。 100 mL of the reducing agent solution prepared above is added to the mixed solution obtained above, stirred and mixed with a stirrer at 10 ° C. for 30 minutes, and reduced and precipitated to obtain catalyst precursor particles (Pt—Co mixed particles; platinum). -A solution containing non-platinum metal alloy particles 1) was obtained. Next, the carrier suspension A containing 0.2 g of the acid-treated carbon carrier A was added to this solution, and stirred and mixed with a stirrer at room temperature (25 ° C.) for 72 hours to carry the catalyst precursor particles on the carrier. . Thereafter, the catalyst precursor particle-supported carrier was filtered and washed with ultrapure water. The filtration and washing operations were repeated a total of 3 times, followed by filtration to obtain catalyst particle-supporting carrier 1 (catalyst precursor particle-supporting carrier 1). The catalyst particle-supported carrier was dried at 60 ° C. for 12 hours, and then subjected to a first heat treatment at 600 ° C. for 120 minutes in an argon gas atmosphere. Thereby, the heat-treated catalyst particle carrier 1 was obtained.
次に、この熱処理触媒粒子担体1を、0.1M 過塩素酸(HClO4)水溶液中に、室温(25℃)で24時間、浸漬した(酸処理)後、ろ過して、熱/酸処理触媒粒子担体1を得た。 Next, the heat-treated catalyst particle carrier 1 was immersed (acid treatment) in an aqueous 0.1 M perchloric acid (HClO 4 ) solution at room temperature (25 ° C.) for 24 hours, filtered, and subjected to heat / acid treatment. A catalyst particle carrier 1 was obtained.
さらに、この熱/酸処理触媒粒子担体1を、アルゴンガス雰囲気下で、600℃で120分間、熱処理(第二の熱処理)を実施し、これにより、電極触媒1(平均粒子径:5.1nm)を得た。この電極触媒1の触媒粒子の担持濃度(担持量)は、担体に対して、36.5重量%(Pt:33.0重量%、Co:3.5重量%)であった。担持濃度はICP分析により測定した。以下、同様である。 Further, the heat / acid-treated catalyst particle carrier 1 was subjected to a heat treatment (second heat treatment) at 600 ° C. for 120 minutes in an argon gas atmosphere, whereby an electrode catalyst 1 (average particle diameter: 5.1 nm) was obtained. ) The supported concentration (supported amount) of the catalyst particles of this electrode catalyst 1 was 36.5% by weight (Pt: 33.0% by weight, Co: 3.5% by weight) with respect to the support. The supported concentration was measured by ICP analysis. The same applies hereinafter.
次に、この電極触媒1について、スキン層の白金原子層数を測定した結果、1〜3層であった。また、この電極触媒1について、酸素で飽和した25℃の0.1M過塩素酸中で、0.2Vから1.2Vまで速度10mV/sで電位走査を行った後、スキン層を測定した結果、やはり1〜3層であった。さらに、電極触媒1の規則度を測定したところ、39%であった。 Next, as a result of measuring the number of platinum atom layers of the skin layer of this electrode catalyst 1, it was 1 to 3 layers. In addition, the electrode catalyst 1 was subjected to potential scanning from 0.2 V to 1.2 V at a rate of 10 mV / s in 0.1 M perchloric acid saturated with oxygen at 25 ° C., and then the skin layer was measured. After all, it was 1-3 layers. Furthermore, when the degree of order of the electrode catalyst 1 was measured, it was 39%.
実施例2
実施例1において、第一の熱処理を、アルゴンガス雰囲気下で、400℃で120分間、行い、かつ第二の熱処理を、100体積%の水素ガス雰囲気下で、600℃で120分間、行った以外は、実施例1と同様の操作を行い、電極触媒2(平均粒子径:5.1nm)を得た。この電極触媒2の触媒粒子の担持濃度(担持量)は、担体に対して、33.5重量%(Pt:31.4重量%、Co:2.1重量%)であった。
Example 2
In Example 1, the first heat treatment was performed at 400 ° C. for 120 minutes in an argon gas atmosphere, and the second heat treatment was performed at 600 ° C. for 120 minutes in a 100% by volume hydrogen gas atmosphere. Except for the above, the same operation as in Example 1 was performed to obtain an electrode catalyst 2 (average particle size: 5.1 nm). The supported concentration (supported amount) of the catalyst particles of the electrode catalyst 2 was 33.5% by weight (Pt: 31.4% by weight, Co: 2.1% by weight) with respect to the support.
次に、この電極触媒2について、スキン層の白金原子層数を測定した結果、1〜2層であった。また、この電極触媒2について、酸素で飽和した25℃の0.1M過塩素酸中で、0.2Vから1.2Vまで速度10mV/sで電位走査を行った後、スキン層を測定した結果、やはり1〜2層であった。さらに、電極触媒2の規則度を測定したところ、37%であった。 Next, as a result of measuring the number of platinum atomic layers in the skin layer of the electrode catalyst 2, it was 1 to 2 layers. In addition, the electrode catalyst 2 was subjected to potential scanning from 0.2 V to 1.2 V at a rate of 10 mV / s in 0.1 M perchloric acid saturated with oxygen at 25 ° C., and then the skin layer was measured. After all, it was 1-2 layers. Furthermore, when the degree of order of the electrode catalyst 2 was measured, it was 37%.
実施例3
実施例1において、第一の熱処理を、アルゴンガス雰囲気下で、600℃で120分間、行い、かつ第二の熱処理を、100体積%の水素ガス雰囲気下で、600℃で120分間、行った以外は、実施例1と同様の操作を行い、電極触媒3(平均粒子径:5.3nm)を得た。この電極触媒3の触媒粒子の担持濃度(担持量)は、担体に対して、33.5重量%(Pt:29.3重量%、Co:4.2重量%)であった。
Example 3
In Example 1, the first heat treatment was performed at 600 ° C. for 120 minutes in an argon gas atmosphere, and the second heat treatment was performed at 600 ° C. for 120 minutes in a 100% by volume hydrogen gas atmosphere. Except for the above, the same operation as in Example 1 was performed to obtain an electrode catalyst 3 (average particle size: 5.3 nm). The supported concentration (supported amount) of the catalyst particles of the electrode catalyst 3 was 33.5% by weight (Pt: 29.3% by weight, Co: 4.2% by weight) with respect to the support.
次に、この電極触媒3について、スキン層の白金原子層数を測定した結果、1〜4層であった。また、この電極触媒3について、酸素で飽和した25℃の0.1M過塩素酸中で、0.2Vから1.2Vまで速度10mV/sで電位走査を行った後、スキン層を測定した結果、やはり1〜4層であった。さらに、電極触媒3の規則度を測定したところ、52%であった。 Next, as a result of measuring the number of platinum atomic layers of the skin layer of this electrode catalyst 3, it was 1 to 4 layers. In addition, the electrode catalyst 3 was subjected to potential scanning from 0.2 V to 1.2 V at a rate of 10 mV / s in 0.1 M perchloric acid saturated with oxygen at 25 ° C., and then the skin layer was measured. After all, it was 1-4 layers. Furthermore, when the degree of order of the electrode catalyst 3 was measured, it was 52%.
比較例1
実施例1に記載の方法と同様にして、触媒前駆粒子担持担体1を得た。
Comparative Example 1
In the same manner as described in Example 1, catalyst precursor particle-supported carrier 1 was obtained.
次に、この触媒前駆粒子担持担体1を60℃で12時間乾燥させた後、100体積%の水素ガス雰囲気下で、400℃で120分間、熱処理を実施した。これにより、比較電極触媒1(平均粒子径:5.7nm)を得た。この比較電極触媒1の触媒粒子の担持濃度(担持量)は、担体に対して、33.8重量%(Pt:28.4重量%、Co:5.4重量%)であった。 Next, the catalyst precursor particle-supported carrier 1 was dried at 60 ° C. for 12 hours, and then heat-treated at 400 ° C. for 120 minutes in a 100% by volume hydrogen gas atmosphere. This obtained the comparative electrode catalyst 1 (average particle diameter: 5.7 nm). The supported concentration (supported amount) of catalyst particles of this comparative electrode catalyst 1 was 33.8% by weight (Pt: 28.4% by weight, Co: 5.4% by weight) with respect to the support.
次に、この比較電極触媒1について、スキン層を測定した結果、スキン層は観察されなかった(白金原子層数:0層)。また、この比較電極触媒1について、酸素で飽和した25℃の0.1M過塩素酸中で、0.2Vから1.2Vまで速度10mV/sで電位走査を行った後、0〜2層であった。さらに、比較電極触媒1の規則度を測定したところ、24%であった。 Next, as a result of measuring the skin layer of this comparative electrode catalyst 1, no skin layer was observed (the number of platinum atomic layers: 0 layer). Further, this comparative electrode catalyst 1 was subjected to potential scanning at a rate of 10 mV / s from 0.2 V to 1.2 V in 0.1 M perchloric acid saturated with oxygen at 25 ° C. there were. Furthermore, when the degree of order of the comparative electrode catalyst 1 was measured, it was 24%.
(触媒の性能評価)
<耐久試験>
各実施例及び比較例の電極触媒について、次の試験を行った。N2ガスで飽和した60℃の0.1M過塩素酸中において、可逆水素電極(RHE)に対して電極電位を0.6Vに3秒間保持した後、瞬時に1.0Vに電位を上げ、1.0Vを3秒間保持した後、0.6Vに瞬時に戻すというサイクルを1万サイクル繰り返した。
(Catalyst performance evaluation)
<Durability test>
The following tests were conducted on the electrode catalysts of the examples and comparative examples. In 0.1 M perchloric acid at 60 ° C. saturated with N 2 gas, the electrode potential was held at 0.6 V for 3 seconds with respect to the reversible hydrogen electrode (RHE), and then the potential was instantaneously raised to 1.0 V, The cycle of holding 1.0 V for 3 seconds and then instantaneously returning it to 0.6 V was repeated 10,000 cycles.
<質量比活性の測定>
実施例及び比較例の電極触媒を、それぞれ、直径5mmのグラッシーカーボンディスクにより構成される回転ディスク電極(幾何面積:0.19cm2)上に白金の単位面積当たりの担持量が34μg/cm2となるように均一にNafionと共に分散担持し、性能評価用電極を作製した。
<Measurement of mass specific activity>
Each of the electrocatalysts of the example and the comparative example had a supported amount per unit area of 34 μg / cm 2 on a rotating disk electrode (geometric area: 0.19 cm 2 ) composed of a glassy carbon disk having a diameter of 5 mm. The electrode for performance evaluation was prepared by uniformly dispersing and supporting with Nafion.
次に、電気化学計測装置を用い、酸素で飽和した25℃の0.1M過塩素酸中で、0.2Vから1.2Vまで速度10mV/sで電位走査を行った。さらに、電位走査によりに得られた電流から、物質移動(酸素拡散)の影響をKoutecky-Levich式を用いて補正した上で、0.9Vでの電流値を抽出した。そして、得られた電流値を上記単位面積当たりの白金担持量から算出した全白金担持量(6.5μg)で除した値を質量比活性(A/g Pt)とした。Koutecky-Levich式を用いた方法は、例えば、Electrochemistry Vol.79, No.2, p.116-121 (2011) (対流ボルタモグラム(1)酸素還元(RRDE))の「4 Pt/C触媒上での酸素還元反応の解析」に記載されている。 Next, using an electrochemical measurement device, a potential scan was performed from 0.2 V to 1.2 V at a rate of 10 mV / s in 0.1 M perchloric acid saturated at 25 ° C. with oxygen. Furthermore, the current value at 0.9 V was extracted from the current obtained by the potential scan after correcting the influence of mass transfer (oxygen diffusion) using the Koutecky-Levich equation. And the value which remove | divided the obtained electric current value by the total platinum carrying amount (6.5 micrograms) computed from the platinum carrying amount per said unit area was made into mass specific activity (A / g Pt). The method using the Koutecky-Levich equation is described, for example, on “4 Pt / C catalyst of Electrochemistry Vol.79, No.2, p.116-121 (2011) (convection voltammogram (1) oxygen reduction (RRDE)). Is described in “Analysis of Oxygen Reduction Reaction”.
耐久試験前後の電極触媒について質量比活性を測定し、この結果から下記式に従って、維持率(%)を求めた。結果を下記表2に示す。なお、下記表2において、耐久試験前後の電極触媒について質量比活性の維持率を「質量比活性維持率(%)」と称する The mass specific activity was measured for the electrode catalysts before and after the durability test, and the retention rate (%) was determined from the results according to the following formula. The results are shown in Table 2 below. In Table 2 below, the maintenance ratio of mass specific activity for the electrode catalysts before and after the durability test is referred to as “mass specific activity maintenance ratio (%)”.
<面積比活性の測定>
実施例及び比較例の電極触媒を、それぞれ、直径5mmのグラッシーカーボンディスクにより構成される回転ディスク電極(幾何面積:0.19cm2)上に34μg・cm−2となるように均一にNafionと共に分散担持し、性能評価用電極を作製した。
<Measurement of area specific activity>
The electrocatalysts of Examples and Comparative Examples were uniformly dispersed together with Nafion so as to be 34 μg · cm −2 on a rotating disk electrode (geometric area: 0.19 cm 2 ) composed of a glassy carbon disk having a diameter of 5 mm. The electrode for performance evaluation was produced.
各実施例及び比較例の電極に対して、N2ガスで飽和した25℃の0.1M過塩素酸中において、可逆水素電極(RHE)に対して0.05〜1.2Vの電位範囲で、50mVs−1の走査速度でサイクリックボルタンメトリーを行った。得られたボルタモグラムの0.05〜0.4Vに現れる水素吸着ピークの面積より、各電極触媒の電気化学的表面積(cm2)を算出した。 With respect to the electrodes of Examples and Comparative Examples, in a potential range of 0.05 to 1.2 V with respect to the reversible hydrogen electrode (RHE) in 0.1 M perchloric acid at 25 ° C. saturated with N 2 gas. Cyclic voltammetry at a scanning speed of 50 mVs −1 . From the area of the hydrogen adsorption peak appearing at 0.05 to 0.4 V in the obtained voltammogram, the electrochemical surface area (cm 2 ) of each electrode catalyst was calculated.
次に、電気化学計測装置を用い、酸素で飽和した25℃の0.1M過塩素酸中で、0.2Vから1.2Vまで速度10mV/sで電位走査を行った。さらに、電位走査によりに得られた電流から、物質移動(酸素拡散)の影響をKoutecky-Levich式を用いて補正した上で、0.9Vでの電流値を抽出した。そして、得られた電流値を上述の電気化学的表面積で除した値を面積比活性(μA・cm−2)とした。Koutecky-Levich式を用いた方法は、例えば、Electrochemistry Vol.79, No.2, p.116-121 (2011) (対流ボルタモグラム(1)酸素還元(RRDE))の「4 Pt/C触媒上での酸素還元反応の解析」に記載されている。抽出した0.9Vの電流値を電気化学表面積で除算することで面積比活性が算出される。 Next, using an electrochemical measurement device, a potential scan was performed from 0.2 V to 1.2 V at a rate of 10 mV / s in 0.1 M perchloric acid saturated at 25 ° C. with oxygen. Furthermore, the current value at 0.9 V was extracted from the current obtained by the potential scan after correcting the influence of mass transfer (oxygen diffusion) using the Koutecky-Levich equation. A value obtained by dividing the obtained current value by the above-described electrochemical surface area was defined as area specific activity (μA · cm −2 ). The method using the Koutecky-Levich equation is described, for example, on “4 Pt / C catalyst of Electrochemistry Vol.79, No.2, p.116-121 (2011) (convection voltammogram (1) oxygen reduction (RRDE)). Is described in “Analysis of Oxygen Reduction Reaction”. The area specific activity is calculated by dividing the extracted current value of 0.9 V by the electrochemical surface area.
耐久試験前後の電極触媒について面積比活性を測定し、この結果から下記式に従って、維持率(%)を求めた。結果を下記表2に示す。なお、下記表2中、耐久試験前後の電極触媒について面積比活性の維持率を「面積比活性維持率(%)」と称する The area specific activity of the electrode catalyst before and after the durability test was measured, and the retention rate (%) was determined from the result according to the following formula. The results are shown in Table 2 below. In Table 2 below, the area specific activity maintenance rate of the electrode catalyst before and after the durability test is referred to as “area specific activity maintenance rate (%)”.
上記表2から、本発明の製造方法によって得られる電極触媒(触媒粒子)は、スキン層を持たない比較例1に比して、質量比活性および面積比活性双方を有意に維持できることが示される。 From the above Table 2, it is shown that the electrode catalyst (catalyst particles) obtained by the production method of the present invention can maintain both mass specific activity and area specific activity significantly as compared with Comparative Example 1 having no skin layer. .
1…固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2…固体高分子電解質膜、
3…触媒層、
3a…アノード触媒層、
3c…カソード触媒層、
4a…アノードガス拡散層、
4c…カソードガス拡散層、
5a…アノードセパレータ、
5c…カソードセパレータ、
6a…アノードガス流路、
6c…カソードガス流路、
7…冷媒流路、
10…電解質膜−電極接合体(MEA)。
1 ... Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 ... Solid polymer electrolyte membrane,
3 ... Catalyst layer,
3a ... anode catalyst layer,
3c ... cathode catalyst layer,
4a ... anode gas diffusion layer,
4c ... cathode gas diffusion layer,
5a ... anode separator,
5c ... cathode separator,
6a ... anode gas flow path,
6c ... cathode gas flow path,
7: Refrigerant flow path,
10: Electrolyte membrane-electrode assembly (MEA).
Claims (7)
前記触媒粒子は、白金原子と非白金金属原子からなる合金粒子であり、この際、前記合金粒子は、内部構造としてL12構造を有し、かつ白金原子と非白金金属原子からなるコア部および前記コア部を被覆する白金原子からなるスキン層から構成され、
前記方法は、
白金前駆体と非白金金属前駆体との混合溶液に還元剤を添加し、前記白金前駆体および非白金金属前駆体を同時還元して、白金−非白金金属合金粒子を得、
前記白金−非白金金属合金粒子を、表面上にラクトン基、水酸基、エーテル基、およびカルボニル基からなる群より選択される少なくとも一つ以上の官能基を総量として0.5μmol/m2以上を有するカーボン担体に担持して、触媒前駆粒子担持担体を調製し、
前記触媒前駆粒子担持担体に第一の熱処理を実施して、熱処理触媒粒子担体を得、
前記熱処理触媒粒子担体を酸処理して、熱/酸処理触媒粒子担体を得た後、
前記熱/酸処理触媒粒子担体に第二の熱処理を実施する、
ことを有する、製造方法。 A method for producing an electrode catalyst in which catalyst particles are supported on a conductive carrier,
The catalyst particles are alloy particles of platinum atom and a non-platinum metal atoms, this time, the alloy particles, the core portion has an L1 2 structure as an internal structure, and platinum atoms and a non-platinum metal atoms and It is composed of a skin layer made of platinum atoms covering the core part,
The method
A reducing agent is added to a mixed solution of a platinum precursor and a non-platinum metal precursor, and the platinum precursor and the non-platinum metal precursor are simultaneously reduced to obtain platinum-non-platinum metal alloy particles.
The platinum-non-platinum metal alloy particles have a total amount of at least one functional group selected from the group consisting of a lactone group, a hydroxyl group, an ether group, and a carbonyl group on the surface of 0.5 μmol / m 2 or more. Supported on a carbon support to prepare a catalyst precursor particle support,
The catalyst precursor particle-supported carrier is subjected to a first heat treatment to obtain a heat-treated catalyst particle carrier,
After the heat treatment catalyst particle carrier is acid-treated to obtain a heat / acid-treated catalyst particle carrier,
Performing a second heat treatment on the heat / acid treated catalyst particle support;
The manufacturing method which has.
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