JP2016126907A - Method for manufacturing core shell catalyst for fuel cell, and apparatus for manufacturing core shell catalyst for fuel cell - Google Patents

Method for manufacturing core shell catalyst for fuel cell, and apparatus for manufacturing core shell catalyst for fuel cell Download PDF

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Makoto Adachi
誠 安達
長谷川 誠
Makoto Hasegawa
誠 長谷川
憲悟 長田
Kengo Nagata
憲悟 長田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture a core shell catalyst for a fuel cell, which is high in catalyst activity.SOLUTION: A method for manufacturing a core shell catalyst for a fuel cell comprises the steps of: preparing a device which has a reaction chamber holding therein a fluid dispersion containing core metal particles and having an action electrode, a counter electrode, a reference electrode, and a probe electrode for monitoring a potential of the core metal particles, and a potential control part; applying a potential to the action electrode while stirring the fluid dispersion containing the core metal particles until a potential of the probe electrode relative to that of the reference electrode becomes equal to or lower than a predetermined potential; supplying an electrolytic solution containing copper ions to the reaction chamber; applying a potential higher than a copper oxidation reduction potential to the core metal particles by applying to the action electrode in the electrolytic solution containing copper ions, thereby covering the surface of each core metal particle with copper; and bringing the core metal particles into contact with a liquid solution containing platinum ions, thereby substituting copper on the surface of each core metal particle with platinum to form a shell.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、燃料電池用コアシェル触媒の製造方法及び燃料電池用コアシェル触媒製造装置に関する。   The present invention relates to a method for producing a fuel cell core-shell catalyst and a fuel cell core-shell catalyst production apparatus.

燃料電池用電極触媒として、白金等の貴金属の使用量を低減することを目的としたコアシェル触媒が知られている。
例えば、特許文献1には、銅アンダーポテンシャル析出(Cu−UPD)を応用した置換メッキにより、コアシェル触媒を製造する方法が記載されている。
As an electrode catalyst for a fuel cell, a core-shell catalyst intended to reduce the amount of noble metal used such as platinum is known.
For example, Patent Document 1 describes a method for producing a core-shell catalyst by displacement plating using copper underpotential deposition (Cu-UPD).

特開2013−215701号公報JP 2013-215701 A

燃料電池用コアシェル触媒の製造は、高い触媒活性を得るためには、Cu−UPD処理前に、コア金属粒子に対して、コア金属粒子表面の酸化物等の不純物を除去することを目的としたクリーニング処理が必要である。
従来、クリーニング処理は、Cu−UPD処理前に、ポテンショスタット等の電位制御装置を用いて、反応容器内に配置した作用極に電位を印加し、コア金属粒子含有分散液中でコア金属粒子に電位サイクルをかける方法により行われていた。
しかし、作用極に印加している電位と実際にコア金属粒子含有分散液中に浮遊しているコア金属粒子に印加される電位は異なり、実際にコア金属粒子含有分散液中に浮遊しているコア金属粒子にどのような電位が印加されているのかが不明である。また、コア金属粒子は作用極と接触しないと電位が印加されず、作用極からコア金属粒子への電位の印加の効率は、コア金属粒子の作用極への衝突回数で決まるため作用極の構造や反応環境(温度、pH、攪拌条件等)に大きく依存する。
そのため、従来の方法では、コア金属粒子に狙いの電位が印加されているか否か判断することができず、コア金属粒子への電位の印加が不十分な場合、コア金属粒子のクリーニング処理が不十分になり、結果として、高活性な燃料電池用コアシェル触媒が得られないという問題がある。また、コア金属粒子への電位の印加が十分な場合、必要以上の時間をかけてコア金属粒子への電位の印加を行っていることとなり、非効率である。
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、コア金属粒子への電位の印加によるコア金属粒子表面の酸化物等の不純物の除去を効率的且つ十分に行い、触媒活性の高い燃料電池用コアシェル触媒を製造する方法及び燃料電池用コアシェル触媒製造装置を提供することである。
The production of a core-shell catalyst for a fuel cell is intended to remove impurities such as oxides on the surface of the core metal particles from the core metal particles before the Cu-UPD treatment in order to obtain high catalytic activity. A cleaning process is required.
Conventionally, before the Cu-UPD process, the cleaning process uses a potential control device such as a potentiostat to apply a potential to the working electrode disposed in the reaction vessel, so that the core metal particles are dispersed in the core metal particle-containing dispersion. This was done by applying a potential cycle.
However, the potential applied to the working electrode is different from the potential actually applied to the core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion, and is actually floating in the core metal particle-containing dispersion. It is unclear what potential is applied to the core metal particles. In addition, since the potential is not applied unless the core metal particle is in contact with the working electrode, and the efficiency of applying the potential from the working electrode to the core metal particle is determined by the number of collisions of the core metal particle with the working electrode, the structure of the working electrode And the reaction environment (temperature, pH, stirring conditions, etc.).
Therefore, in the conventional method, it cannot be determined whether or not a target potential is applied to the core metal particles, and if the potential application to the core metal particles is insufficient, the cleaning process of the core metal particles is not performed. As a result, there is a problem that a highly active core-shell catalyst for a fuel cell cannot be obtained. In addition, when the potential is sufficiently applied to the core metal particles, the potential is applied to the core metal particles over an excessive amount of time, which is inefficient.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to efficiently and sufficiently remove impurities such as oxides on the surface of the core metal particles by applying a potential to the core metal particles. It is an object to provide a method for producing a fuel cell core-shell catalyst having high catalytic activity and a fuel cell core-shell catalyst production apparatus.

本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法は、コア金属を含むコアと、白金を含み且つ前記コアの少なくとも一部を被覆するシェルと、を備える燃料電池用コアシェル触媒の製造方法であって、
コア金属粒子を含有するコア金属粒子含有分散液を収容し、且つ、作用極と、対極と、参照極と、前記コア金属粒子含有分散液中に浮遊している前記コア金属粒子の電位をモニターするためのプローブ電極を備える反応容器と、前記作用極と前記対極と前記参照極の電位を制御する電位制御部を有する装置を準備する準備工程と、
前記コア金属粒子含有分散液を攪拌しながら、前記参照極に対する前記プローブ電極の電位が所定の電位以下になるまで、前記作用極に電位を印加する電位印加工程と、
前記電位印加工程後、前記反応容器に銅イオン含有電解液を供給し、当該銅イオン含有電解液中において、前記コア金属粒子に銅の酸化還元電位よりも貴な電位を前記作用極に印加することによって、前記コア金属粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆する銅被覆工程と、
前記銅被覆工程後、前記コア金属粒子に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、前記コア金属粒子の表面の少なくとも一部を被覆している銅を白金に置換し、前記シェルを形成する置換工程と、を有することを特徴とする。
A method for producing a core-shell catalyst for a fuel cell according to the present invention is a method for producing a core-shell catalyst for a fuel cell comprising a core containing a core metal and a shell containing platinum and covering at least a part of the core,
The core metal particle-containing dispersion containing the core metal particles is contained, and the working electrode, the counter electrode, the reference electrode, and the potential of the core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion are monitored. A preparation step of preparing an apparatus having a reaction vessel including a probe electrode for controlling the potential of the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode;
A potential application step of applying a potential to the working electrode until the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is equal to or lower than a predetermined potential while stirring the core metal particle-containing dispersion;
After the potential application step, a copper ion-containing electrolytic solution is supplied to the reaction vessel, and in the copper ion-containing electrolytic solution, a potential nobler than a copper oxidation-reduction potential is applied to the core electrode in the working electrode. A copper coating step of coating at least a part of the surface of the core metal particles with copper;
After the copper coating step, a platinum ion-containing solution is brought into contact with the core metal particles to replace copper covering at least a part of the surface of the core metal particles with platinum, thereby forming the shell. And a process.

本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法において、前記コア金属粒子が担体に担持されていることが好ましい。
本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法において、前記反応容器が前記作用極としても機能することが好ましい。
本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法は、前記電位印加工程において、前記コア金属粒子含有分散液を攪拌しながら、前記参照極に対する前記プローブ電極の電位が所定の電位以下、且つ、前記作用極と前記対極との間に流れる電流値が定常状態になるまで、前記作用極に電位を印加することが好ましい。
本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法において、前記コア金属がパラジウムであり、
前記電位印加工程において、前記コア金属粒子含有分散液を攪拌しながら、前記参照極に対する前記プローブ電極の電位が0.60〜0.15V(vs.RHE)の範囲内になるまで、前記作用極に電位を印加することが好ましい。
In the method for producing a fuel cell core-shell catalyst according to the present invention, the core metal particles are preferably supported on a carrier.
In the method for producing a core-shell catalyst for a fuel cell according to the present invention, it is preferable that the reaction vessel also functions as the working electrode.
In the method for producing a fuel cell core-shell catalyst according to the present invention, in the potential application step, the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is not more than a predetermined potential while stirring the core metal particle-containing dispersion, and the action It is preferable to apply a potential to the working electrode until a current value flowing between the electrode and the counter electrode reaches a steady state.
In the method for producing a core-shell catalyst for a fuel cell of the present invention, the core metal is palladium,
In the potential application step, the working electrode is stirred until the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is within a range of 0.60 to 0.15 V (vs. RHE) while stirring the dispersion containing the core metal particles. It is preferable to apply a potential.

本発明の燃料電池用コアシェル触媒製造装置は、アンダーポテンシャル析出法により、コア金属を含むコアと、白金を含み且つ前記コアの少なくとも一部を被覆するシェルと、を備える燃料電池用コアシェル触媒を製造する装置であって、
コア金属粒子を含有するコア金属粒子含有分散液を収容し、且つ、作用極と、対極と、参照極と、前記コア金属粒子含有分散液中に浮遊している前記コア金属粒子の電位をモニターするためのプローブ電極を備える反応容器と、
前記作用極と前記対極と前記参照極の電位を制御する電位制御部を有することを特徴とする。
An apparatus for producing a core-shell catalyst for a fuel cell according to the present invention produces a core-shell catalyst for a fuel cell comprising a core containing a core metal and a shell containing platinum and covering at least a part of the core by an underpotential deposition method. A device that performs
The core metal particle-containing dispersion containing the core metal particles is contained, and the working electrode, the counter electrode, the reference electrode, and the potential of the core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion are monitored. A reaction vessel equipped with a probe electrode for
It has a potential control unit for controlling the potential of the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode.

本発明の燃料電池用コアシェル触媒製造装置において、前記反応容器が前記作用極としても機能することが好ましい。   In the fuel cell core-shell catalyst manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the reaction vessel also functions as the working electrode.

本発明によれば、コア金属粒子が狙いの電位になっているか否かリアルタイムでモニターすることができる。また、本発明によれば、コア金属粒子の電位をモニターしながら電位制御を行うことにより、コア金属粒子への電位の印加によるコア金属粒子表面の酸化物等の不純物の除去を効率的且つ十分に行うことができ、結果として、触媒活性の高い燃料電池用コアシェル触媒を製造することができる。   According to the present invention, it is possible to monitor in real time whether or not the core metal particles are at a target potential. In addition, according to the present invention, by performing potential control while monitoring the potential of the core metal particles, it is possible to efficiently and sufficiently remove impurities such as oxides on the surface of the core metal particles by applying a potential to the core metal particles. As a result, a core-shell catalyst for fuel cells with high catalytic activity can be produced.

本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of the core-shell catalyst for fuel cells of this invention. 本発明の燃料電池用コアシェル触媒製造装置の一例を示した斜視模式図である。It is the perspective schematic diagram which showed an example of the core-shell catalyst manufacturing apparatus for fuel cells of this invention. 本発明の燃料電池用コアシェル触媒製造装置の一例を示した斜視模式図である。It is the perspective schematic diagram which showed an example of the core-shell catalyst manufacturing apparatus for fuel cells of this invention. 参考実験例1及び2で得られたサイクリックボルタモグラムを重ねて示した図である。It is the figure which piled up and showed the cyclic voltammogram obtained by reference experiment example 1 and 2. FIG. 実施例1の電位印加工程における電位印加開始時から2700秒経過時までのプローブ電極で測定されるPd/Cの電位挙動及びポテンショスタットで測定される作用極と対極間の電流挙動を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the potential behavior of Pd / C measured by the probe electrode and the current behavior between the working electrode and the counter electrode measured by the potentiostat from the time of starting the potential application to the time of 2700 seconds in the potential application process of Example 1. is there. 実施例1、比較例1の燃料電池用コアシェル触媒の比活性を比較した棒グラフである。2 is a bar graph comparing the specific activities of the core-shell catalysts for fuel cells of Example 1 and Comparative Example 1. FIG.

1.燃料電池用コアシェル触媒の製造方法
本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法は、コア金属を含むコアと、白金を含み且つ前記コアの少なくとも一部を被覆するシェルと、を備える燃料電池用コアシェル触媒の製造方法であって、
コア金属粒子を含有するコア金属粒子含有分散液を収容し、且つ、作用極と、対極と、参照極と、前記コア金属粒子含有分散液中に浮遊している前記コア金属粒子の電位をモニターするためのプローブ電極を備える反応容器と、前記作用極と前記対極と前記参照極の電位を制御する電位制御部を有する装置を準備する準備工程と、
前記コア金属粒子含有分散液を攪拌しながら、前記参照極に対する前記プローブ電極の電位が所定の電位以下になるまで、前記作用極に電位を印加する電位印加工程と、
前記電位印加工程後、前記反応容器に銅イオン含有電解液を供給し、当該銅イオン含有電解液中において、前記コア金属粒子に銅の酸化還元電位よりも貴な電位を前記作用極に印加することによって、前記コア金属粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆する銅被覆工程と、
前記銅被覆工程後、前記コア金属粒子に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、前記コア金属粒子の表面の少なくとも一部を被覆している銅を白金に置換し、前記シェルを形成する置換工程と、を有することを特徴とする。
1. Manufacturing method of core shell catalyst for fuel cell The manufacturing method of a core shell catalyst for a fuel cell according to the present invention comprises: a core containing a core metal; and a shell containing platinum and covering at least a part of the core. A method for producing a catalyst, comprising:
The core metal particle-containing dispersion containing the core metal particles is contained, and the working electrode, the counter electrode, the reference electrode, and the potential of the core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion are monitored. A preparation step of preparing an apparatus having a reaction vessel including a probe electrode for controlling the potential of the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode;
A potential application step of applying a potential to the working electrode until the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is equal to or lower than a predetermined potential while stirring the core metal particle-containing dispersion;
After the potential application step, a copper ion-containing electrolytic solution is supplied to the reaction vessel, and in the copper ion-containing electrolytic solution, a potential nobler than a copper oxidation-reduction potential is applied to the core electrode in the working electrode. A copper coating step of coating at least a part of the surface of the core metal particles with copper;
After the copper coating step, a platinum ion-containing solution is brought into contact with the core metal particles to replace copper covering at least a part of the surface of the core metal particles with platinum, thereby forming the shell. And a process.

本発明の製造方法における準備工程において、電位を印加する電極(作用極)とは独立した電極(プローブ電極)を反応容器内に配置し、電位印加工程を行うことにより、コア金属粒子含有分散液中を浮遊しているコア金属粒子がプローブ電極に衝突した時の、コア金属粒子の電位をモニターすることができる。
また、コア金属粒子含有分散液を攪拌することによって、コア金属粒子含有分散液中に浮遊している無数のコア金属粒子がプローブ電極に衝突する。そのため、プローブ電極を設けることにより、コア金属粒子含有分散液中に浮遊しているコア金属粒子の平均的な電位をリアルタイムでモニターすることができる。
したがって、本発明によれば、コア金属粒子が狙いの電位になっているか否かリアルタイムでモニターすることができる。また、上記モニターは、作用極の構造や反応環境(温度、pH、攪拌条件等)に依存することなく行うことができる。さらに、コア金属粒子の電位をモニターしながら電位制御を行うことにより、コア金属粒子への電位の印加によるコア金属粒子表面の酸化物等の不純物の除去を効率的且つ十分に行うことができ、結果として、触媒活性の高い燃料電池用コアシェル触媒を製造することができる。
In the preparation step in the production method of the present invention, an electrode (probe electrode) independent of an electrode (working electrode) to which a potential is applied is placed in the reaction vessel, and the potential application step is performed, whereby the core metal particle-containing dispersion liquid The potential of the core metal particle can be monitored when the core metal particle floating inside collides with the probe electrode.
In addition, by stirring the core metal particle-containing dispersion, countless core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion collide with the probe electrode. Therefore, by providing a probe electrode, the average potential of the core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion can be monitored in real time.
Therefore, according to the present invention, it is possible to monitor in real time whether or not the core metal particles are at the target potential. The monitoring can be performed without depending on the structure of the working electrode and the reaction environment (temperature, pH, stirring conditions, etc.). Furthermore, by controlling the potential while monitoring the potential of the core metal particles, it is possible to efficiently and sufficiently remove impurities such as oxides on the surface of the core metal particles by applying a potential to the core metal particles, As a result, a fuel cell core-shell catalyst having high catalytic activity can be produced.

本発明において、シェルがコアを被覆するとは、コアの全表面がシェルによって覆われている形態のみならず、コアの表面の少なくとも一部がシェルによって被覆され、コアの表面の一部が露出している形態も含まれる。さらに、シェルは、単原子層であっても、原子が2原子以上積層した多原子層であってもよいが、触媒活性向上の観点から、単原子層であることが好ましい。   In the present invention, the shell covers the core as well as a form in which the entire surface of the core is covered by the shell, but at least a part of the surface of the core is covered by the shell, and a part of the surface of the core is exposed. Are also included. Furthermore, the shell may be a monoatomic layer or a polyatomic layer in which two or more atoms are stacked, but from the viewpoint of improving catalytic activity, the shell is preferably a monoatomic layer.

以下、本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法について詳しく説明する。
図1は、本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法の一例を示すフローチャートである。
本発明の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法は、(1)準備工程、(2)電位印加工程、(3)銅被覆工程、及び、(4)置換工程を有し、必要に応じ、置換工程の後に(5)洗浄工程、(6)乾燥工程等を有する。
以下、各工程について、順に説明する。
Hereafter, the manufacturing method of the core-shell catalyst for fuel cells of this invention is demonstrated in detail.
FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for producing a fuel cell core-shell catalyst of the present invention.
The method for producing a core-shell catalyst for a fuel cell according to the present invention includes (1) a preparation step, (2) a potential application step, (3) a copper coating step, and (4) a replacement step. (5) A cleaning step, (6) a drying step, and the like are included.
Hereinafter, each process is demonstrated in order.

(1)準備工程
準備工程は、コア金属粒子を含有するコア金属粒子含有分散液を収容し、且つ、作用極と、対極と、参照極と、前記コア金属粒子含有分散液中に浮遊している前記コア金属粒子の電位をモニターするためのプローブ電極を備える反応容器と、前記作用極と前記対極と前記参照極の電位を制御する電位制御部を有する装置を準備する工程である。
(1) Preparatory step The preparatory step accommodates a core metal particle-containing dispersion containing core metal particles, and floats in the working electrode, the counter electrode, the reference electrode, and the core metal particle-containing dispersion. Preparing a device having a reaction vessel including a probe electrode for monitoring the potential of the core metal particles, and a potential control unit for controlling the potential of the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode.

コア金属粒子含有分散液に用いられる溶媒は、水、有機溶媒等が挙げられ、水が好ましい。コア金属粒子含有分散液には、上記溶媒の他にも、例えば、酸等を含んでいてもよい。コア金属粒子分散液に添加できる酸としては、具体的には、硝酸、硫酸、過塩素酸、塩酸、次亜塩素酸等が挙げられ、硫酸が好ましい。
酸の濃度は、例えば、酸として硫酸を用いる場合には、硫酸の濃度は、0.001mol/L以上であることが好ましく、0.001〜1.0mol/Lであることが特に好ましい。
コア金属粒子の分散方法は、特に限定されないが、超音波ホモジナイザー、マグネチックスターラー、攪拌羽つきモーター等を用いる方法等が挙げられる。
Examples of the solvent used in the core metal particle-containing dispersion include water and organic solvents, and water is preferable. In addition to the above solvent, the core metal particle-containing dispersion may contain, for example, an acid or the like. Specific examples of the acid that can be added to the core metal particle dispersion include nitric acid, sulfuric acid, perchloric acid, hydrochloric acid, hypochlorous acid, and the like, and sulfuric acid is preferred.
For example, when sulfuric acid is used as the acid, the concentration of the acid is preferably 0.001 mol / L or more, and particularly preferably 0.001 to 1.0 mol / L.
The method for dispersing the core metal particles is not particularly limited, and examples thereof include a method using an ultrasonic homogenizer, a magnetic stirrer, a motor with stirring blades, and the like.

コア金属は、パラジウム及びパラジウム合金が好ましく、パラジウムがより好ましい。
パラジウム合金の場合は、タングステン、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、鉄、コバルト、ニッケル、銀及び金からなる群より選ばれる金属材料との合金等が挙げられ、パラジウム合金を構成するパラジウム以外の金属は1種でも2種以上でもよい。
パラジウム合金を使用する場合には、合金全体の質量を100質量%としたときのパラジウムの含有割合が30質量%以上であることが好ましい。パラジウムの含有割合が30質量%以上であることにより、均一な白金含有シェルを形成することができるからである。
The core metal is preferably palladium or a palladium alloy, and more preferably palladium.
In the case of a palladium alloy, an alloy with a metal material selected from the group consisting of tungsten, iridium, ruthenium, rhodium, iron, cobalt, nickel, silver, and gold can be used. The metal other than palladium constituting the palladium alloy is 1 Two or more species may be used.
When using a palladium alloy, it is preferable that the content rate of palladium is 30 mass% or more when the mass of the whole alloy is 100 mass%. This is because a uniform platinum-containing shell can be formed when the palladium content is 30% by mass or more.

コア金属粒子の平均粒径は、特に限定されないが、10nm以下であることが好ましい。コア金属粒子の平均粒径が10nmを超える場合、白金の質量あたり表面積が小さくなり、必要な活性を得るには多くの白金が必要となるためコストがかかる。コア金属粒子の平均粒径が小さ過ぎると、燃料電池用コアシェル触媒の耐久性が低下するため、コア金属粒子の平均粒径は3nm以上であることが好ましい。
本発明に使用される粒子の平均粒径の算出方法は以下の通りである。すなわち、走査型電子顕微鏡(TEM)を用いて1,000,000倍のTEM写真をとり、粒子の平面上への投影面積と同一面積を有する真円の直径(円相当粒子径)を粒子の粒径とみなす。このような写真観察による粒径の測定を、同じ種類の500個の粒子について行い、これらの粒子の粒径の平均を平均粒径とする。なお、写真端部に観察される切れた粒子は解析から除外する。
The average particle diameter of the core metal particles is not particularly limited, but is preferably 10 nm or less. When the average particle diameter of the core metal particles exceeds 10 nm, the surface area per mass of platinum becomes small, and a lot of platinum is required to obtain the required activity, which is expensive. If the average particle diameter of the core metal particles is too small, the durability of the core-shell catalyst for fuel cells is lowered. Therefore, the average particle diameter of the core metal particles is preferably 3 nm or more.
The calculation method of the average particle diameter of the particles used in the present invention is as follows. That is, using a scanning electron microscope (TEM), take a TEM photograph at a magnification of 1,000,000, and calculate the diameter of a perfect circle having the same area as the projected area of the particle on the plane (equivalent particle diameter) of the particle. Considered as particle size. The measurement of the particle size by photographic observation is performed for 500 particles of the same type, and the average of the particle sizes of these particles is defined as the average particle size. Note that the broken particles observed at the edge of the photograph are excluded from the analysis.

コア金属粒子は、担体に担持されていることが好ましい。担体としては、特に限定されないが、本発明の燃料電池用コアシェル触媒を燃料電池の電極触媒層に使用した際、電極触媒層に導電性を担保する観点から、導電性担体を用いることが好ましい。
コア金属粒子を担持する担体として使用できる材料の具体例としては、ケッチェンブラック(商品名:ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製)、バルカン(商品名:Cabot社製)、ノーリット(商品名:Norit社製)、ブラックパール(商品名:Cabot社製)、アセチレンブラック(商品名:Chevron社製)等の炭素粒子や炭素繊維等の導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料、ペリレンレッド等の有機顔料等の非導電性材料が挙げられる。
The core metal particles are preferably supported on a carrier. Although it does not specifically limit as a support | carrier, When using the core-shell catalyst for fuel cells of this invention for the electrode catalyst layer of a fuel cell, it is preferable to use an electroconductive support | carrier from a viewpoint of ensuring electroconductivity to an electrode catalyst layer.
Specific examples of materials that can be used as the carrier for supporting the core metal particles include Ketjen Black (trade name: manufactured by Ketjen Black International), Vulcan (trade name: manufactured by Cabot), and Nolit (trade name: Norit). ), Black pearl (trade name: manufactured by Cabot), acetylene black (trade name: manufactured by Chevron), etc., conductive carbon materials such as carbon particles and carbon fibers, metal materials such as metal particles and metal fibers, perylene red And non-conductive materials such as organic pigments.

担体の平均粒径は、特に限定されないが、好ましくは0.01〜数百μm、より好ましくは0.01〜1μmである。担体の平均粒径が上記範囲未満であると、担体が腐食劣化する場合があり、当該担体に担持されるコア金属粒子が経時的に脱落してしまうおそれがある。また、担体の平均粒径が上記範囲を超える場合、比表面積が小さく、コア金属粒子の分散性が低下するおそれがある。   The average particle size of the carrier is not particularly limited, but is preferably 0.01 to several hundred μm, more preferably 0.01 to 1 μm. If the average particle size of the support is less than the above range, the support may be deteriorated by corrosion, and the core metal particles supported on the support may fall off over time. Moreover, when the average particle diameter of a support | carrier exceeds the said range, a specific surface area is small and there exists a possibility that the dispersibility of a core metal particle may fall.

担体の比表面積は、特に限定されないが、好ましくは50〜2000m/g、より好ましくは100〜1600m/gである。担体の比表面積が上記範囲未満であると、担体へのコア金属粒子の分散性が低下し、十分な電池性能が発現しないおそれがある。また、担体の比表面積が上記範囲を超える場合、コア金属粒子の有効利用率が低下し、十分な電池性能が発現しないおそれがある。 The specific surface area of the support is not particularly limited, preferably 50~2000m 2 / g, more preferably 100~1600m 2 / g. If the specific surface area of the support is less than the above range, the dispersibility of the core metal particles in the support may be reduced, and sufficient battery performance may not be exhibited. Moreover, when the specific surface area of a support | carrier exceeds the said range, there exists a possibility that the effective utilization rate of a core metal particle may fall and sufficient battery performance may not be expressed.

担体によるコア金属粒子担持率[{(コア金属粒子質量)/(コア金属粒子質量+担体質量)}×100%]は特に限定されず、一般的には、20〜60%の範囲であることが好ましい。コア金属粒子の担持量が少なすぎると、触媒機能が十分に発現しないおそれがある。一方、コア金属粒子の担持量が多すぎると、触媒機能の観点からは特に問題は生じないかもしれないが、必要以上のコア金属粒子を担持させても、製造コストの上昇に見合った効果が得られにくくなる。
コア金属粒子を担体に担持する方法としては、従来から用いられている方法を採用することができる。例えば、担体を分散させた担体分散液に、コア金属粒子を混合し、ろ過、洗浄して、エタノール等に再分散した後、真空ポンプ等で乾燥する方法が挙げられる。乾燥後、必要に応じて、加熱処理してもよい。
The supporting rate of the core metal particles by the carrier [{(core metal particle mass) / (core metal particle mass + carrier mass)} × 100%] is not particularly limited, and is generally in the range of 20 to 60%. Is preferred. If the amount of the core metal particles supported is too small, the catalytic function may not be sufficiently exhibited. On the other hand, if the amount of the core metal particles supported is too large, there may be no particular problem from the viewpoint of the catalyst function, but even if more core metal particles are supported than the necessary amount, there is an effect commensurate with the increase in manufacturing cost. It becomes difficult to obtain.
As a method for supporting the core metal particles on the carrier, a conventionally used method can be employed. For example, a method in which core metal particles are mixed in a carrier dispersion in which a carrier is dispersed, filtered, washed, redispersed in ethanol or the like, and then dried with a vacuum pump or the like. After drying, heat treatment may be performed as necessary.

プローブ電極としては、導電性を担保できるものであれば特に限定されないが、酸化還元反応がほとんど起こらず、酸性雰囲気下で変形しにくいものであることが好ましく、カーボンが特に好ましい。反応容器内におけるプローブ電極の配置場所は、作用極に接触せず、浮遊しているコア金属粒子と接触する場所であれば特に限定されない。
作用極(WE)としては、例えば、チタン、白金メッシュ、白金板、金板等の金属材料、グラッシーカーボン、カーボン板等の導電性炭素材料等の導電性が担保できる材料を用いることができる。また、反応に関与する作用極の表面積を大きくすることができる観点から、反応容器を上記導電性材料で形成し、作用極として機能させることが好ましい。金属材料の反応容器を作用極として用いる場合、反応容器の内壁には、腐食を抑制する観点から、RuOをコーティングすることが好ましい。炭素材料の反応容器を作用極として用いる場合は、コーティング無しでそのまま使用することが可能である。
対極(CE)としては、例えば、白金メッシュに白金黒をめっきしたもの及び導電性炭素繊維等を用いることができる。
参照極(RE)としては、可逆水素電極(reversible hydrogen electrode;RHE)、銀−塩化銀電極及び銀−塩化銀−塩化カリウム電極等を用いることができる。銀−塩化銀電極の測定値を可逆水素電極へ変換する場合は、事前にRHEと銀−塩化銀電極の電位差を測定しておき、あとで補正する。
電位制御部としては、ポテンショスタット及びポテンショガルバノスタット等を用いることができる。
The probe electrode is not particularly limited as long as it can ensure conductivity. However, it is preferable that the oxidation-reduction reaction hardly occurs and the probe electrode is not easily deformed in an acidic atmosphere, and carbon is particularly preferable. The arrangement position of the probe electrode in the reaction vessel is not particularly limited as long as the probe electrode is not in contact with the working electrode and is in contact with the floating core metal particles.
As the working electrode (WE), for example, a material that can ensure conductivity, such as a metal material such as titanium, platinum mesh, a platinum plate, or a gold plate, or a conductive carbon material such as glassy carbon or a carbon plate, can be used. Further, from the viewpoint of increasing the surface area of the working electrode involved in the reaction, it is preferable to form the reaction vessel with the conductive material and to function as the working electrode. When using a reaction vessel made of a metal material as a working electrode, it is preferable to coat the inner wall of the reaction vessel with RuO 2 from the viewpoint of suppressing corrosion. When a carbon material reaction vessel is used as a working electrode, it can be used as it is without coating.
As the counter electrode (CE), for example, a platinum mesh plated with platinum black and conductive carbon fiber can be used.
As the reference electrode (RE), a reversible hydrogen electrode (RHE), a silver-silver chloride electrode, a silver-silver chloride-potassium chloride electrode, or the like can be used. When converting the measured value of the silver-silver chloride electrode to the reversible hydrogen electrode, the potential difference between the RHE and the silver-silver chloride electrode is measured in advance and corrected later.
As the potential controller, a potentiostat, a potentiogalvanostat, or the like can be used.

(2)電位印加工程
電位印加工程は、前記コア金属粒子含有分散液を攪拌しながら、前記参照極に対する前記プローブ電極の電位が所定の電位以下になるまで、前記作用極に電位を印加する工程である。
電位印加工程により、コア金属粒子の表面から不純物であるコア金属酸化物等を除去し、コア金属粒子に対し、白金含有シェルを均一に被覆することができる。
(2) Potential application step In the potential application step, the potential is applied to the working electrode until the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode becomes equal to or lower than a predetermined potential while stirring the core metal particle-containing dispersion. It is.
By the potential application step, the core metal oxide, which is an impurity, can be removed from the surface of the core metal particles, and the platinum-containing shell can be uniformly coated on the core metal particles.

本発明において「所定の電位」とは、コア金属酸化物がコア金属に還元される電位を意味する。コア金属酸化物がコア金属に還元される電位は、コア金属のサイクリックボルタンメトリー(CV)測定で得られるサイクリックボルタモグラムの還元波等から適宜設定することができる。
コア金属がパラジウムの場合の「所定の電位」は、0.60V(vs.RHE)以下、特に0.53V(vs.RHE)以下であることが好ましい(参考実験例1参照)。
また、コア金属がパラジウムの場合は、参照極に対するプローブ電極の電位が上記「所定の電位」以下、且つ、0.15V(vs.RHE)以上、特に0.37V(vs.RHE)以上の電位範囲内となるように作用極に電位を印加することが好ましい。0.15V(vs.RHE)以上であれば、パラジウムが水素を吸蔵することを抑制することができるため、後述する置換工程において、パラジウム粒子表面に均一な白金含有シェルを形成させることができる。また、0.37V(vs.RHE)以上であれば、電位印加工程後の銅被覆工程において、パラジウム粒子表面への銅の大量析出を抑制することができる(参考実験例2参照)。
In the present invention, the “predetermined potential” means a potential at which the core metal oxide is reduced to the core metal. The potential at which the core metal oxide is reduced to the core metal can be appropriately set from a reduction wave of a cyclic voltammogram obtained by cyclic voltammetry (CV) measurement of the core metal.
When the core metal is palladium, the “predetermined potential” is preferably 0.60 V (vs. RHE) or less, particularly preferably 0.53 V (vs. RHE) or less (see Reference Experimental Example 1).
When the core metal is palladium, the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is not more than the “predetermined potential” and not less than 0.15 V (vs. RHE), particularly not less than 0.37 V (vs. RHE). It is preferable to apply a potential to the working electrode so as to be within the range. If it is 0.15 V (vs. RHE) or more, it is possible to suppress the occlusion of palladium by hydrogen, so that a uniform platinum-containing shell can be formed on the surface of palladium particles in the substitution step described later. Moreover, if it is 0.37V (vs.RHE) or more, in the copper coating process after an electric potential application process, the large amount precipitation of copper on the palladium particle surface can be suppressed (refer to Reference Experimental Example 2).

電位印加工程においては、コア金属粒子の表面から不純物であるコア金属酸化物等を十分に除去する観点からコア金属粒子含有分散液を攪拌しながら、参照極に対するプローブ電極の電位が所定の電位以下、且つ、作用極と対極との間に流れる電流値が定常状態になるまで、作用極に電位を印加することが好ましい。
本発明において、「定常状態」とは、電位制御部により経時的に観測される作用極と対極との間に流れる電流値が、±10%の振れ幅の範囲内に収まっている状態のことを意味する。
In the potential application step, the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is equal to or lower than a predetermined potential while stirring the core metal particle-containing dispersion from the viewpoint of sufficiently removing impurities such as the core metal oxide from the surface of the core metal particles. In addition, it is preferable to apply a potential to the working electrode until the value of the current flowing between the working electrode and the counter electrode reaches a steady state.
In the present invention, the “steady state” is a state in which the value of the current flowing between the working electrode and the counter electrode that is observed over time by the potential control unit is within a range of ± 10% amplitude. Means.

参照極に対するプローブ電極の電位をモニターする方法は特に限定されず、電位制御部とは別に、電位計を設けてモニターする方法等が挙げられる。
コア金属粒子含有分散液を攪拌する方法は、特に限定されないが、超音波ホモジナイザー、マグネチックスターラー、攪拌羽つきモーター等を用いる方法等が挙げられる。
攪拌速度は、特に限定されないが、マグネチックスターラーを用いた場合、200〜1000rpmが好ましい。
A method of monitoring the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is not particularly limited, and examples thereof include a method of monitoring by providing an electrometer separately from the potential control unit.
The method for stirring the core metal particle-containing dispersion is not particularly limited, and examples thereof include a method using an ultrasonic homogenizer, a magnetic stirrer, a motor with stirring blades, and the like.
The stirring speed is not particularly limited, but is preferably 200 to 1000 rpm when a magnetic stirrer is used.

本工程においては、コア金属粒子表面の原子配列を組み替えることによって触媒活性の高い結晶面を露出させ、コア金属粒子の表面活性を向上させる観点から、一定の電位範囲において、電位を複数回往復させることが好ましい。電位を複数回往復させる場合は、少なくとも、電位印加終了時に参照極に対するプローブ電極の電位が所定の電位以下になっていればよく、低電位の印加と高電位の印加を交互に繰り返す場合は、低電位の印加は、1サイクルごとに参照極に対するプローブ電極の電位が所定の電位以下になるまで行うことが好ましい。なお、低電位の印加と高電位の印加を交互に繰り返す場合は、最後の電位印加が低電位の印加であれば、最初の電位印加は、低電位の印加であっても高電位の印加であってもよい。
電位付与信号パターンは、矩形波、三角波、台形波等がある。低電位と高電位を繰り返すことに意味があるため、電位付与信号パターンは特に限定されない。
In this step, by recombining the atomic arrangement on the surface of the core metal particle, the crystal plane with high catalytic activity is exposed, and the surface activity of the core metal particle is improved, so that the potential is reciprocated several times in a certain potential range. It is preferable. When reciprocating the potential multiple times, at least, the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode at the end of the potential application should be equal to or lower than the predetermined potential, and when repeating the application of the low potential and the application of the high potential alternately, The application of the low potential is preferably performed every cycle until the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode becomes a predetermined potential or less. When the low potential application and the high potential application are alternately repeated, if the last potential application is a low potential application, the first potential application may be a high potential application even if it is a low potential application. There may be.
The potential applying signal pattern includes a rectangular wave, a triangular wave, a trapezoidal wave, and the like. Since it is meaningful to repeat the low potential and the high potential, the potential application signal pattern is not particularly limited.

電位のサイクル数は、コア金属の種類、装置の規模等によって適宜設定することができ、コア金属がパラジウムの場合であって、電位付与信号パターンが矩形波の場合は、例えば、0.05〜0.30V(vs.RHE)で800〜2400秒ホールド、0.90V〜1.20V(vs.RHE)で800〜2400秒ホールドを1サイクルとし、10〜100サイクル行うことが好ましい。
また、電位付与信号パターンが三角波の場合の電位のサイクル数は、特に限定されず、10〜100サイクル行うことが好ましく、電位の掃引速度は、例えば、0.10〜5.0mV/秒とすることができる。
The number of cycles of the potential can be appropriately set depending on the type of the core metal, the scale of the apparatus, and the like. When the core metal is palladium and the potential applying signal pattern is a rectangular wave, for example, 0.05 to It is preferable to perform 10 to 100 cycles, with 800 to 2400 seconds hold at 0.30 V (vs. RHE) and 800 to 2400 seconds hold at 0.90 V to 1.20 V (vs. RHE) as one cycle.
The number of potential cycles when the potential applying signal pattern is a triangular wave is not particularly limited, and is preferably 10 to 100 cycles. The potential sweep rate is, for example, 0.10 to 5.0 mV / sec. be able to.

(3)銅被覆工程
銅被覆工程は、前記電位印加工程後、前記反応容器に銅イオン含有電解液を供給し、当該銅イオン含有電解液中において、前記コア金属粒子に銅の酸化還元電位よりも貴な電位を前記作用極に印加することによって、前記コア金属粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆する工程である。
(3) Copper coating step In the copper coating step, after the potential application step, a copper ion-containing electrolytic solution is supplied to the reaction vessel, and in the copper ion-containing electrolytic solution, a copper redox potential is applied to the core metal particles. In this step, at least a part of the surface of the core metal particle is coated with copper by applying a noble potential to the working electrode.

銅イオン含有電解液としては、コア金属粒子の表面にCu−UPDによって銅を被覆させることができる電解液であれば特に限定されない。銅イオン含有電解液は、通常、溶媒に銅塩を所定量溶かしたものから構成されるが、特にこの構成に限定されず、銅イオンの一部又は全部が液中に解離して存在している電解液であればよい。
銅イオン含有電解液に用いられる溶媒としては、水、有機溶媒が挙げられるが、コア金属粒子の表面への銅の析出を妨げないという観点から、水が好ましい。
銅イオン含有電解液に用いられる銅塩としては、具体的には、硫酸銅、硝酸銅、塩化銅、亜塩素酸銅、過塩素酸銅、シュウ酸銅等が挙げられる。
電解液中において、銅イオン濃度は、特に限定されないが、0.01〜1.0mol/Lであることが好ましい。
銅イオン含有電解液には、上記溶媒及び銅塩の他にも、例えば、酸等を含んでいてもよい。銅イオンを含有する電解液に添加できる酸としては、具体的には、硫酸、硝酸、塩酸、亜塩素酸、過塩素酸、シュウ酸等が挙げられる。なお、銅イオン含有電解液中の対アニオンと、コア金属粒子含有分散液中に含まれる酸の対アニオンとは、同一であってもよく、異なっていてもよい。
また、電解液は、予め、不活性ガスをバブリングしておくことが好ましい。コア金属粒子の酸化を抑制し、白金含有シェルによる均一な被覆が可能となるからである。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス等を用いることができる。
The copper ion-containing electrolytic solution is not particularly limited as long as it is an electrolytic solution that can coat the surface of the core metal particles with Cu-UPD. The copper ion-containing electrolytic solution is usually composed of a predetermined amount of copper salt dissolved in a solvent, but is not particularly limited to this configuration, and some or all of the copper ions are dissociated and exist in the liquid. Any electrolyte solution may be used.
Examples of the solvent used for the copper ion-containing electrolyte include water and organic solvents, but water is preferable from the viewpoint of not preventing the precipitation of copper on the surface of the core metal particles.
Specific examples of the copper salt used in the copper ion-containing electrolyte include copper sulfate, copper nitrate, copper chloride, copper chlorite, copper perchlorate, and copper oxalate.
In the electrolytic solution, the copper ion concentration is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 1.0 mol / L.
In addition to the solvent and copper salt, the copper ion-containing electrolytic solution may contain, for example, an acid or the like. Specific examples of the acid that can be added to the electrolytic solution containing copper ions include sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, chlorous acid, perchloric acid, and oxalic acid. Note that the counter anion in the copper ion-containing electrolyte and the counter anion of the acid contained in the core metal particle-containing dispersion may be the same or different.
In addition, it is preferable that an inert gas is bubbled in advance in the electrolytic solution. This is because the oxidation of the core metal particles is suppressed and uniform coating with the platinum-containing shell becomes possible. Nitrogen gas, argon gas, etc. can be used as the inert gas.

コア金属粒子に電位を印加する方法は、特に限定されず、一般的な方法を採用することができる。例えば、銅イオン含有電解液中に、作用極、対極及び参照極を浸漬させ、作用極に電位を印加する方法が挙げられる。
印加する電位は、コア金属粒子の表面に銅を析出させることができる電位、すなわち、銅の酸化還元電位よりも貴な電位であれば、特に限定されないが、例えば、0.35〜0.7V(vs.RHE)の範囲内であることが好ましく、0.38V(vs.RHE)であることが特に好ましい。
電位を印加する時間は、特に限定されないが、60分以上行うことが好ましく、反応電流が定常となり、ゼロに近づくまで行なうことがより好ましい。
The method for applying a potential to the core metal particles is not particularly limited, and a general method can be adopted. For example, a method in which a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode are immersed in a copper ion-containing electrolytic solution, and a potential is applied to the working electrode.
The potential to be applied is not particularly limited as long as it is a potential at which copper can be deposited on the surface of the core metal particles, that is, a potential nobler than the oxidation-reduction potential of copper. It is preferably within the range of (vs. RHE), particularly preferably 0.38 V (vs. RHE).
The time for applying the potential is not particularly limited, but is preferably 60 minutes or more, and more preferably until the reaction current becomes steady and approaches zero.

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

(4)置換工程
置換工程は、前記銅被覆工程後、前記コア金属粒子に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、前記コア金属粒子の表面の少なくとも一部を被覆している銅を白金に置換し、前記シェルを形成する工程である。
置換工程において、コア金属粒子の表面に析出した銅に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、イオン化傾向の違いにより、銅と白金とを置換することができる。
(4) Substitution step In the substitution step, after the copper coating step, the core metal particles are brought into contact with the platinum ion-containing solution, whereby the copper covering at least a part of the surface of the core metal particles is converted into platinum. It is a step of replacing and forming the shell.
In the substitution step, copper and platinum can be substituted due to the difference in ionization tendency by bringing the platinum ion-containing solution into contact with copper deposited on the surface of the core metal particles.

本発明におけるシェルには、白金及び白金合金が含まれる。
白金合金としては、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、ニッケル及び金からなる群より選ばれる金属材料との合金等が挙げられ、白金合金を構成する白金以外の金属は1種でも2種以上でもよい。
白金合金は、合金全体の質量を100質量%としたときの白金の含有割合が90質量%以上であることが好ましい。白金の含有割合が90質量%未満であるとすると、十分な触媒活性及び耐久性が得られないからである。
The shell in the present invention includes platinum and a platinum alloy.
Examples of the platinum alloy include an alloy with a metal material selected from the group consisting of iridium, ruthenium, rhodium, nickel and gold. The metal other than platinum constituting the platinum alloy may be one kind or two or more kinds.
The platinum alloy preferably has a platinum content of 90% by mass or more when the mass of the entire alloy is 100% by mass. This is because if the platinum content is less than 90% by mass, sufficient catalytic activity and durability cannot be obtained.

白金イオン含有溶液は、少なくとも白金イオンを含有するものであれば特に限定されず、反応抑制剤を含有していることが好ましい。白金イオン含有溶液中においては、白金はイオンとして存在していてもよいし、白金錯体等の白金化合物として存在していてもよい。
白金イオン含有溶液に用いることができる溶媒は、上述した銅イオン含有電解液に用いられる溶媒と同様とすることができる。また、白金イオン含有溶液には、上記溶媒及び白金塩の他にも、例えば、酸等を含んでいてもよい。酸としては、上述した銅イオン含有電解液に用いられる酸と同様とすることができる。
白金イオン含有溶液に用いられる白金塩は、例えば、KPtCl、KPtCl等を用いることができ、また、([PtCl][Pt(NH])等のアンモニア錯体を用いることもできる。
白金イオン含有溶液中において白金イオン濃度は特に限定されないが、0.0005〜0.1mol/Lであることが好ましい。
反応抑制剤は、銅と白金との置換反応を抑制することができるものであれば、特に限定されない。反応抑制剤としては、白金、コア金属粒子表面に析出した銅、コア金属粒子表面に露出したコア金属等と溶液中において錯体を形成する錯体形成剤等が挙げられる。
錯体形成剤としては、クエン酸、クエン酸のナトリウム塩、クエン酸のカリウム塩、エチレンジアミン四酢酸(以下、EDTAと称する場合がある)、EDTAのナトリウム塩、及びEDTAのカリウム塩等が挙げられ、クエン酸が好ましい。上記錯体形成剤は、1種類のみ用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。これらの錯体形成剤は、溶液中において白金、銅と錯体を形成するため、銅と白金との置換反応を抑制し、その結果、コア金属粒子の表面に対し均一に白金含有シェルを被覆することができる。
白金イオン含有溶液中における反応抑制剤の濃度は特に限定されないが、白金イオン濃度の1〜10倍であることが好ましい。
白金イオン含有溶液は、事前に十分に攪拌し、コア金属粒子の表面の酸化防止や、銅の酸化防止の観点から、当該溶液中には予め窒素をバブリングさせることが好ましい。
白金イオン含有溶液の温度は、特に限定されないが、燃料電池用コアシェル触媒の触媒活性向上の観点から、−3〜10℃であることが好ましい。
The platinum ion-containing solution is not particularly limited as long as it contains at least platinum ions, and preferably contains a reaction inhibitor. In the platinum ion-containing solution, platinum may exist as ions or may exist as a platinum compound such as a platinum complex.
The solvent that can be used for the platinum ion-containing solution can be the same as the solvent used for the copper ion-containing electrolytic solution described above. Further, the platinum ion-containing solution may contain, for example, an acid or the like in addition to the solvent and the platinum salt. As an acid, it can be made to be the same as that of the acid used for the copper ion containing electrolyte solution mentioned above.
As the platinum salt used in the platinum ion-containing solution, for example, K 2 PtCl 4 , K 2 PtCl 6 or the like can be used, and an ammonia complex such as ([PtCl 4 ] [Pt (NH 3 ) 4 ]) can be used. It can also be used.
The platinum ion concentration in the platinum ion-containing solution is not particularly limited, but is preferably 0.0005 to 0.1 mol / L.
The reaction inhibitor is not particularly limited as long as it can suppress the substitution reaction between copper and platinum. Examples of the reaction inhibitor include platinum, copper deposited on the surface of the core metal particle, and a complex forming agent that forms a complex in the solution with the core metal exposed on the surface of the core metal particle.
Examples of the complexing agent include citric acid, sodium salt of citric acid, potassium salt of citric acid, ethylenediaminetetraacetic acid (hereinafter sometimes referred to as EDTA), sodium salt of EDTA, potassium salt of EDTA, and the like. Citric acid is preferred. Only one kind of the complex forming agent may be used, or two or more kinds may be mixed and used. Since these complex-forming agents form platinum and complexes with copper in solution, they suppress the substitution reaction between copper and platinum, and as a result, uniformly coat the platinum-containing shell on the surface of the core metal particles. Can do.
The concentration of the reaction inhibitor in the platinum ion-containing solution is not particularly limited, but is preferably 1 to 10 times the platinum ion concentration.
The platinum ion-containing solution is sufficiently stirred in advance, and nitrogen is preferably bubbled into the solution in advance from the viewpoint of preventing oxidation of the surface of the core metal particles and preventing oxidation of copper.
Although the temperature of a platinum ion containing solution is not specifically limited, From a viewpoint of the catalytic activity improvement of the core-shell catalyst for fuel cells, it is preferable that it is -3-10 degreeC.

置換工程において、反応系内の温度は、特に限定されないが、−3℃以上10℃以下に維持されていることが好ましい。−3℃未満であると、溶液が凍結して反応が進行しなくなる恐れがあり、10℃を超えると十分な白金質量活性が得られなくなる恐れがあるからである。
反応系内の温度を維持する方法としては、特に限定されず、循環冷却装置(チラー)、冷却管等を用いる方法が挙げられる。
置換時間(白金イオン含有溶液とコア金属粒子との接触時間)は、特に限定されないが、10分以上確保することが好ましく、白金イオン含有溶液を加えていくと、反応溶液の電位が上昇していくため、そのモニター電位が変化しなくなるまで置換させることがより好ましい。
なお、銅被覆工程と置換工程とを、同じ反応容器内で行う場合には、銅被覆工程に使用した銅イオン含有電解液に、白金イオン含有溶液を加えてもよい。例えば、銅被覆工程後、電位印加を停止し、銅被覆工程において使用した銅イオン含有電解液に、白金イオン含有溶液を添加することで、銅が被覆したコア金属粒子を白金イオン含有溶液に接触させてもよい。
In the substitution step, the temperature in the reaction system is not particularly limited, but is preferably maintained at −3 ° C. or more and 10 ° C. or less. If the temperature is lower than −3 ° C., the solution may freeze and the reaction may not proceed. If the temperature exceeds 10 ° C., sufficient platinum mass activity may not be obtained.
The method for maintaining the temperature in the reaction system is not particularly limited, and examples thereof include a method using a circulating cooling device (chiller), a cooling pipe, and the like.
The replacement time (contact time between the platinum ion-containing solution and the core metal particles) is not particularly limited, but it is preferable to ensure 10 minutes or more. As the platinum ion-containing solution is added, the potential of the reaction solution increases. Therefore, it is more preferable to substitute until the monitor potential does not change.
In addition, when performing a copper coating process and a substitution process within the same reaction container, you may add a platinum ion containing solution to the copper ion containing electrolyte solution used for the copper coating process. For example, after the copper coating step, the potential application is stopped, and the copper ion-containing core metal particles are brought into contact with the platinum ion-containing solution by adding the platinum ion-containing solution to the copper ion-containing electrolyte used in the copper coating step. You may let them.

(5)洗浄工程
洗浄工程は、置換工程後、燃料電池用コアシェル触媒を洗浄する工程である。
燃料電池用コアシェル触媒の洗浄は、製造された燃料電池用コアシェル触媒のコアシェル構造を損なうことなく、不純物を除去できる方法であれば特に限定されない。当該洗浄の例としては、水、過塩素酸、希硫酸、希硝酸等を用いて吸引濾過をする方法が挙げられる。
(5) Washing step The washing step is a step of washing the fuel cell core-shell catalyst after the replacement step.
The cleaning of the fuel cell core-shell catalyst is not particularly limited as long as it is a method capable of removing impurities without impairing the core-shell structure of the produced fuel cell core-shell catalyst. As an example of the cleaning, a method of suction filtration using water, perchloric acid, dilute sulfuric acid, dilute nitric acid or the like can be mentioned.

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

2.燃料電池用コアシェル触媒製造装置
本発明の燃料電池用コアシェル触媒製造装置は、アンダーポテンシャル析出法により、コア金属を含むコアと、白金を含み且つ前記コアの少なくとも一部を被覆するシェルと、を備える燃料電池用コアシェル触媒を製造する装置であって、
コア金属粒子を含有するコア金属粒子含有分散液を収容し、且つ、作用極と、対極と、参照極と、前記コア金属粒子含有分散液中に浮遊している前記コア金属粒子の電位をモニターするためのプローブ電極を備える反応容器と、
前記作用極と前記対極と前記参照極の電位を制御する電位制御部を有することを特徴とする。
本発明によれば、電位を印加する電極(作用極)とは独立した電極(プローブ電極)を反応容器内に配置することによって、コア金属粒子含有分散液中を浮遊しているコア金属粒子がプローブ電極に衝突した時の、コア金属粒子の電位をモニターすることができる。
したがって、本発明によれば、コア金属粒子が狙いの電位になっているか否かリアルタイムでモニターすることができる。また、上記モニターは、作用極の構造や反応環境(温度、pH、攪拌条件等)に依存することなく行うことができる。
2. Fuel cell core-shell catalyst production apparatus The fuel cell core-shell catalyst production apparatus of the present invention includes a core containing a core metal and a shell covering platinum and covering at least a part of the core by an underpotential deposition method. An apparatus for producing a core-shell catalyst for a fuel cell,
The core metal particle-containing dispersion containing the core metal particles is contained, and the working electrode, the counter electrode, the reference electrode, and the potential of the core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion are monitored. A reaction vessel equipped with a probe electrode for
It has a potential control unit for controlling the potential of the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode.
According to the present invention, by disposing an electrode (probe electrode) independent of an electrode (working electrode) to which an electric potential is applied in the reaction vessel, the core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion are obtained. It is possible to monitor the potential of the core metal particle when it collides with the probe electrode.
Therefore, according to the present invention, it is possible to monitor in real time whether or not the core metal particles are at the target potential. The monitoring can be performed without depending on the structure of the working electrode and the reaction environment (temperature, pH, stirring conditions, etc.).

図2は、本発明の燃料電池用コアシェル触媒製造装置の一例を示した斜視模式図である。なお、燃料電池用コアシェル触媒製造装置は、「1.燃料電池用コアシェル触媒の製造方法」の(1)準備工程で準備する装置と同様なので、ここでは装置の構成について説明し、「1.燃料電池用コアシェル触媒の製造方法」の(1)準備工程で説明した内容は省略する。
図2に示す装置100は、反応容器21中に、コア金属粒子23を含有するコア金属粒子含有分散液22、及び、攪拌子24が加えられている。反応容器21中には、作用極25、対極26、参照極27、プローブ電極28がコア金属粒子含有分散液22に十分に浸かるように配置され、作用極25、対極26、及び、参照極27は電位制御部(図示せず)と電気的に接続されている。
対極26は、コア金属粒子含有分散液22中のコア金属粒子23が対極26に接触するのを防ぐため、ガラス製の対極用コンパートメント29内に収容された状態でコア金属粒子含有分散液22に浸漬されている。対極用コンパートメント29は、底部が多孔性のガラスフリットにより形成されており、対極26とコア金属粒子含有分散液22との接触性が確保されている。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of a fuel cell core-shell catalyst manufacturing apparatus according to the present invention. The fuel cell core-shell catalyst manufacturing apparatus is the same as the apparatus prepared in the (1) preparation step of “1. Manufacturing method of fuel cell core-shell catalyst”. The contents described in the (1) preparation step of “Method for producing core-shell catalyst for battery” are omitted.
In an apparatus 100 shown in FIG. 2, a core metal particle-containing dispersion liquid 22 containing core metal particles 23 and a stirrer 24 are added in a reaction vessel 21. In the reaction vessel 21, the working electrode 25, the counter electrode 26, the reference electrode 27, and the probe electrode 28 are disposed so as to be sufficiently immersed in the core metal particle-containing dispersion liquid 22, and the working electrode 25, the counter electrode 26, and the reference electrode 27 are arranged. Are electrically connected to a potential controller (not shown).
In order to prevent the core metal particles 23 in the core metal particle-containing dispersion liquid 22 from coming into contact with the counter electrode 26, the counter electrode 26 is placed in the core metal particle-containing dispersion liquid 22 while being accommodated in the glass counter electrode compartment 29. Soaked. The counter electrode compartment 29 is formed of a porous glass frit at the bottom, and the contact property between the counter electrode 26 and the core metal particle-containing dispersion liquid 22 is ensured.

本発明の燃料電池用コアシェル触媒製造装置の別の形態として、図3に示すものが挙げられる。なお、図3において、図2と共通する構成については、同じ番号を付し、また、その説明を省略する。
図3に示す装置200は、作用極25としても機能する反応容器21中に、コア金属粒子23を含有するコア金属粒子含有分散液22、及び、攪拌子24が加えられている。
また、反応容器21中には、対極26、参照極27、プローブ電極28がコア金属粒子含有分散液22に十分に浸かるように配置されている。
As another embodiment of the fuel cell core-shell catalyst production apparatus of the present invention, there is the one shown in FIG. In FIG. 3, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
In an apparatus 200 shown in FIG. 3, a core metal particle-containing dispersion liquid 22 containing core metal particles 23 and a stirrer 24 are added to a reaction vessel 21 that also functions as a working electrode 25.
In the reaction vessel 21, the counter electrode 26, the reference electrode 27, and the probe electrode 28 are disposed so as to be sufficiently immersed in the core metal particle-containing dispersion liquid 22.

(参考実験例1)
[Pd/CのCV測定]
市販の平均粒径3.0nmのパラジウム粒子がカーボン粒子に担持されたパラジウム担持カーボン(以下、Pd/Cと称することがある)(Pd担持率30質量%)を0.5g用意し、グラファイト製の反応容器に入れ、酸素飽和の0.1mol/L過塩素酸水溶液を加えた。
グラファイト製の反応容器を作用極とし、対極(白金メッシュ)、参照極(銀−塩化銀)を反応容器内に設置し、各々が過塩素酸水溶液に浸るようにした。作用極、参照極、対極をポテンショスタット(北斗電工株式会社製、HZ−5000)に接続し、作用極の電位を0.05V〜1.20V(vs.RHE)、電位の掃引速度を5mV/sで、1回電位サイクルさせ、CV測定を行った。なお、銀−塩化銀電極の電位はRHEへ換算して記載した。得られたサイクリックボルタモグラムを図4に示す。
(Reference Experiment Example 1)
[CV measurement of Pd / C]
0.5 g of palladium-supported carbon (hereinafter sometimes referred to as Pd / C) in which commercially available palladium particles having an average particle size of 3.0 nm are supported on carbon particles (Pd / C may be referred to as 30% by mass) is made of graphite. Was added to an oxygen-saturated 0.1 mol / L perchloric acid aqueous solution.
A graphite reaction vessel was used as a working electrode, and a counter electrode (platinum mesh) and a reference electrode (silver-silver chloride) were placed in the reaction vessel so that each was immersed in a perchloric acid aqueous solution. The working electrode, reference electrode, and counter electrode were connected to a potentiostat (HZ-5000, manufactured by Hokuto Denko Corporation), the working electrode potential was 0.05 V to 1.20 V (vs. RHE), and the potential sweep rate was 5 mV / s was subjected to a potential cycle once to perform CV measurement. In addition, the electric potential of the silver-silver chloride electrode was described in terms of RHE. The obtained cyclic voltammogram is shown in FIG.

(参考実験例2)
[Cu−UPD時のPd/CのCV測定]
Pd/Cを0.5g用意し、グラファイト製の反応容器に入れ、14.6gの硫酸銅5水和物を66mLの0.05mol/L硫酸水溶液に溶解したものを加えた。
グラファイト製の反応容器を作用極とし、対極(白金メッシュ)、参照極(銀−塩化銀)を反応容器内に設置し、各々が硫酸水溶液に浸るようにした。作用極、参照極、対極をポテンショスタットに接続し、作用極の電位を0.35V〜0.75V(vs.RHE)、電位の掃引速度を5mV/sにして、1回電位サイクルさせ、CV測定を行った。得られたサイクリックボルタモグラムを図4に示す。
(Reference Experiment Example 2)
[CV measurement of Pd / C during Cu-UPD]
0.5 g of Pd / C was prepared, put into a graphite reaction vessel, and 14.6 g of copper sulfate pentahydrate dissolved in 66 mL of 0.05 mol / L sulfuric acid aqueous solution was added.
A graphite reaction vessel was used as a working electrode, and a counter electrode (platinum mesh) and a reference electrode (silver-silver chloride) were placed in the reaction vessel so that each was immersed in an aqueous sulfuric acid solution. The working electrode, reference electrode, and counter electrode are connected to a potentiostat, the working electrode potential is set to 0.35 V to 0.75 V (vs. RHE), the potential sweep rate is set to 5 mV / s, and the potential is cycled once. Measurements were made. The obtained cyclic voltammogram is shown in FIG.

図4は、参考実験例1で得られたPd/Cのサイクリックボルタモグラムと参考実験例2で得られたCu−UPD時のPd/Cのサイクリックボルタモグラムを重ねて示した図である。
なお、サイクリックボルタモグラムとは、縦軸を電流、横軸を電位として、電位を走査した場合に現れる電流−電位曲線であって、通常プラスの電流が酸化電流、マイナスの電流が還元電流と定義される。したがって、後述するサイクリックボルタモグラムの還元波とは、マイナス電流波のことを指す。
図4に示すように、参考実験例1で得られたPd/Cのサイクリックボルタモグラムの還元波において、電位が0.6V(vs.RHE)以下になると、還元波ピーク強度の極大値(−2.5mA/cm)の半分以下(−1.0mA/cm)にまで還元波ピーク強度が弱まり、0.53V(vs.RHE)以下になると還元波ピークがほとんどなくなっていることがわかる。還元波ピークがなくなるということは、パラジウム酸化物が十分にパラジウムに還元されている(PdO+2H+2e→Pd+HO)ことを示している。
したがって、本発明においてコア金属がパラジウムの場合の「所定の電位以下」は、少なくとも0.6V(vs.RHE)以下とすることが好ましく、0.53V(vs.RHE)以下とすることが特に好ましいことがわかる。
また、参考実験例2で得られたCu−UPD時のPd/Cのサイクリックボルタモグラムの還元波において、電位が0.37V(vs.RHE)未満になると、還元波ピーク強度が高まっていくことがわかる。これは、パラジウム粒子表面に銅が過剰に析出していることを示している。
FIG. 4 is a diagram in which the cyclic voltammogram of Pd / C obtained in Reference Experimental Example 1 and the cyclic voltammogram of Pd / C obtained in Cu-UPD obtained in Reference Experimental Example 2 are overlapped.
A cyclic voltammogram is a current-potential curve that appears when the potential is scanned, with the vertical axis representing current and the horizontal axis representing potential. The positive current is usually defined as the oxidation current and the negative current as the reduction current. Is done. Therefore, the reduction wave of the cyclic voltammogram described later refers to a negative current wave.
As shown in FIG. 4, in the reduction wave of the cyclic voltammogram of Pd / C obtained in Reference Experimental Example 1, when the potential is 0.6 V (vs. RHE) or less, the maximum value (− 2.5 mA / cm 2) of less than half (-1.0mA / cm 2) weakens reduction wave peak intensity up to, it can be seen that a reduction wave peak becomes less 0.53V (vs.RHE) is almost gone . The disappearance of the reduction wave peak indicates that the palladium oxide is sufficiently reduced to palladium (PdO + 2H + + 2e → Pd + H 2 O).
Therefore, in the present invention, when the core metal is palladium, the “predetermined potential or less” is preferably at least 0.6 V (vs. RHE) or less, particularly 0.53 V (vs. RHE) or less. It turns out that it is preferable.
Further, in the reduction wave of the cyclic voltammogram of Pd / C obtained at the time of Cu-UPD obtained in Reference Experimental Example 2, when the potential becomes less than 0.37 V (vs. RHE), the reduction wave peak intensity increases. I understand. This indicates that copper is excessively deposited on the surface of the palladium particles.

(実施例1)
[準備工程]
まず、Pd/Cを50g用意し、グラファイト製の反応容器に入れ、0.05mol/L硫酸水溶液10Lを加えた。
そして、超音波ホモジナイザーでPd/Cを分散させ、コア金属粒子含有分散液を得た。
グラファイト製の反応容器を作用極として、対極(白金メッシュ)、参照極(銀−塩化銀)、プローブ電極(グラファイト片)を硫酸水溶液に浸るように設置した。そして、作用極、参照極、対極を電位制御部であるポテンショスタットに接続し、装置を準備した。
Example 1
[Preparation process]
First, 50 g of Pd / C was prepared, put into a graphite reaction vessel, and 10 L of 0.05 mol / L sulfuric acid aqueous solution was added.
And Pd / C was disperse | distributed with the ultrasonic homogenizer, and the core metal particle containing dispersion liquid was obtained.
Using a graphite reaction vessel as a working electrode, a counter electrode (platinum mesh), a reference electrode (silver-silver chloride), and a probe electrode (graphite piece) were placed so as to be immersed in a sulfuric acid aqueous solution. Then, the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode were connected to a potentiostat as a potential control unit to prepare a device.

[電位印加工程]
反応容器を密閉し、コア金属粒子含有分散液を窒素ガス(流量:1L/分)で30分間バブリングした。
そして、作用極に対して、0.05V(vs.RHE)で2700秒、1.20V(vs.RHE)で2700秒の矩形波信号パターンの電位印加を16サイクル実施し、その後、作用極に対して0.05V(vs.RHE)の電位を2700秒印加した。
電位印加工程における1サイクル目の0.05Vの電位印加の開始時から、2700秒経過時までの、プローブ電極を用いて測定したPd/Cの電位、及び、ポテンショスタットを用いて測定した作用極と対極との間に流れる電流を図5に示す。
図5に示すように、プローブ電極を用いて測定したPd/Cの電位は、電位印加の開始から800秒経過した時点で0.6V(vs.RHE)を下回り、1800秒経過した時点で0.5V(vs.RHE)を下回っていることがわかる。したがって、1800秒経過後は、酸化物が十分に除去されていることがわかる。
また、ポテンショスタットを用いて測定した作用極と対極との間に流れる電流値は、電位印加の開始から1800秒経過後は定常状態になっていることがわかる。
[Potential application process]
The reaction vessel was sealed, and the core metal particle-containing dispersion was bubbled with nitrogen gas (flow rate: 1 L / min) for 30 minutes.
Then, 16 cycles of applying a rectangular wave signal pattern of 2700 seconds at 0.05 V (vs. RHE) and 2700 seconds at 1.20 V (vs. RHE) were applied to the working electrode. In contrast, a potential of 0.05 V (vs. RHE) was applied for 2700 seconds.
The potential of Pd / C measured using the probe electrode and the working electrode measured using the potentiostat from the start of the 0.05 V potential application in the first cycle in the potential application step to the time 2700 seconds elapsed. FIG. 5 shows the current flowing between the electrode and the counter electrode.
As shown in FIG. 5, the Pd / C potential measured using the probe electrode is less than 0.6 V (vs. RHE) when 800 seconds have elapsed from the start of potential application, and is 0 when 1800 seconds have elapsed. It can be seen that it is lower than .5V (vs. RHE). Therefore, it can be seen that after 1800 seconds, the oxide is sufficiently removed.
Further, it can be seen that the value of the current flowing between the working electrode and the counter electrode measured using a potentiostat is in a steady state after 1800 seconds from the start of potential application.

[銅被覆工程]
続いて、反応容器内に300gの硫酸銅5水和物を1Lの0.05mol/L硫酸水溶液に溶解したものを加え、銅イオン含有電解液を得た。
そして、作用極の電位を0.40V(vs.RHE)に固定し、銅イオン含有電解液を攪拌することにより、Pd/Cを作用極に衝突させることでパラジウム粒子表面を銅で被覆した。
[Copper coating process]
Subsequently, 300 g of copper sulfate pentahydrate dissolved in 1 L of 0.05 mol / L sulfuric acid aqueous solution was added to the reaction vessel to obtain a copper ion-containing electrolytic solution.
And the electric potential of the working electrode was fixed to 0.40 V (vs. RHE), and the palladium ion surface was coated with copper by colliding Pd / C with the working electrode by stirring the copper ion-containing electrolyte.

[置換工程]
白金イオン含有溶液として24gのKPtClと450gのクエン酸1水和物を1Lの0.05mol/L硫酸水溶液に溶解させたものを用意した。
電位の印加を止め、反応容器内の銅イオン含有電解液を攪拌子で攪拌しながら、白金イオン含有溶液を、チューブポンプを用いて80分かけて滴下した。その後、混合液を3時間攪拌し続け、パラジウム粒子表面の銅を白金に置換した。
この時の混合液の温度を10℃に維持した。なお、KPtCl白金イオン含有溶液は、反応容器に投入する前に予め窒素バブリングしておいた。
[Replacement process]
A platinum ion-containing solution prepared by dissolving 24 g of K 2 PtCl 4 and 450 g of citric acid monohydrate in 1 L of 0.05 mol / L sulfuric acid aqueous solution was prepared.
The application of the potential was stopped, and the platinum ion-containing solution was added dropwise using a tube pump over 80 minutes while stirring the copper ion-containing electrolyte in the reaction vessel with a stirrer. Thereafter, the mixed solution was continuously stirred for 3 hours to replace the copper on the surface of the palladium particles with platinum.
The temperature of the mixed solution at this time was maintained at 10 ° C. The K 2 PtCl 4 platinum ion-containing solution was previously bubbled with nitrogen before being introduced into the reaction vessel.

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

(比較例1)
準備工程において、反応容器内にプローブ電極を設置せず、その後の、電位印加工程において、作用極に対して、0.05V(vs.RHE)で15秒、1.20V(vs.RHE)で15秒の矩形波信号パターンの電位印加を2500サイクル実施したこと以外は実施例1と同様に燃料電池用コアシェル触媒を製造した。
(Comparative Example 1)
In the preparatory step, the probe electrode is not installed in the reaction vessel, and in the subsequent potential application step, the working electrode is 0.05 V (vs. RHE) for 15 seconds and 1.20 V (vs. RHE). A core-shell catalyst for a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that 2500 cycles of applying a potential of a rectangular wave signal pattern for 15 seconds were performed.

[質量活性(MA)評価]
実施例1、比較例1で得られた燃料電池用コアシェル触媒をそれぞれ30mgずつ採取し、それぞれの燃料電池用コアシェル触媒を、5%ナフィオン(登録商標)分散液131μL、超純水30mL、及びイソプロパノール7.5mLの混合溶液に分散し、触媒インクを作製した。当該触媒インクを回転ディスク電極(RDE)のグラッシーカーボン電極上に塗布し、自然乾燥させた。
そして、それぞれの燃料電池用コアシェル触媒について酸素還元反応(ORR)測定を行った。
ORR測定条件を下記に示す。
・電解液:0.1mol/L 過塩素酸水溶液(事前に酸素ガスでバブリングし酸素飽和したもの)
・雰囲気:酸素雰囲気下
・掃引速度:10mV/秒
・電位掃引範囲:1.05〜0.05V(vs.RHE)
・回転数:1600rpm
ORR測定により得られた酸素還元波からそれぞれの燃料電池用コアシェル触媒における白金の単位質量当たりの触媒活性(以下、白金質量活性ということがある)を測定した。
具体的には、ORR測定により得られた酸素還元波において、2サイクル目の0.9V(vs.RHE)の電流値を酸素還元電流(I0.9)、0.35V(vs.RHE)の電流値を拡散限界電流(Ilim)とし、次式(1)から活性化支配電流(Ik)を求め、グラッシーカーボン電極上に塗布した燃料電池用コアシェル触媒に含まれる白金量(g)でIk(A)を除して白金の単位質量当たりの触媒活性(A/g−Pt)を算出した。
[式(1)]
Ik=(Ilim×I0.9)/(Ilim−I0.9
上記式(1)において各符号の意味は次の通りである。
Ik:活性化支配電流(A)
lim:拡散限界電流(A)
0.9:酸素還元電流(A)
燃料電池用コアシェル触媒の白金質量活性は、実施例1が580A/g−Pt、比較例1が540A/g−Ptであった。
[Mass activity (MA) evaluation]
30 mg of each of the fuel cell core-shell catalysts obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were collected, and each fuel cell core-shell catalyst was 131 μL of 5% Nafion (registered trademark) dispersion, 30 mL of ultrapure water, and isopropanol. A catalyst ink was prepared by dispersing in 7.5 mL of the mixed solution. The catalyst ink was applied onto a glassy carbon electrode of a rotating disk electrode (RDE) and allowed to dry naturally.
And the oxygen reduction reaction (ORR) measurement was performed about each core-shell catalyst for fuel cells.
The ORR measurement conditions are shown below.
Electrolyte solution: 0.1 mol / L perchloric acid aqueous solution (pre-bubbled with oxygen gas and oxygen saturated)
-Atmosphere: oxygen atmosphere-Sweep speed: 10 mV / sec-Potential sweep range: 1.05-0.05 V (vs. RHE)
・ Rotation speed: 1600 rpm
From the oxygen reduction wave obtained by the ORR measurement, the catalytic activity per unit mass of platinum in each core cell catalyst for fuel cells (hereinafter sometimes referred to as platinum mass activity) was measured.
Specifically, in the oxygen reduction wave obtained by ORR measurement, the current value of 0.9 V (vs. RHE) in the second cycle is changed to oxygen reduction current (I 0.9 ), 0.35 V (vs. RHE). Is the diffusion limit current (I lim ), the activation dominant current (Ik) is obtained from the following equation (1), and the amount of platinum (g) contained in the core shell catalyst for fuel cells coated on the glassy carbon electrode The catalytic activity per unit mass of platinum (A / g-Pt) was calculated by dividing Ik (A).
[Formula (1)]
Ik = (I lim × I 0.9 ) / (I lim −I 0.9 )
In the above formula (1), the meaning of each symbol is as follows.
Ik: Activation dominant current (A)
I lim : diffusion limit current (A)
I 0.9 : Oxygen reduction current (A)
The platinum mass activity of the fuel cell core-shell catalyst was 580 A / g-Pt in Example 1 and 540 A / g-Pt in Comparative Example 1.

[電気化学表面積(ECSA)]
実施例1、比較例1で得られた燃料電池用コアシェル触媒についてサイクリックボルタンメトリー(CV)測定を実施し、燃料電池用コアシェル触媒の電気化学表面積(ECSA)を算出した。
上記質量活性評価と同様の方法で触媒インクを作製し、当該触媒インクをグラッシーカーボン電極(RDE)に塗布、乾燥し、CV測定を実施した。
CV測定条件を下記に示す。
・電解液:0.1mol/L 過塩素酸水溶液(事前にArガスを30mL/分で30分以上バブリングし、Ar飽和させたもの)
・雰囲気:Ar雰囲気下
・掃引速度:50mV/秒
・電位掃引範囲:0.05〜1.2V(vs.RHE)
得られたサイクリックボルタモグラムから水素脱着ピークの電荷量(C)を積算した。
また、グラッシーカーボン電極に塗布した触媒インクの濃度と塗布量から白金の質量(g)を算出した。
水素脱着ピークの電荷量(C)を白金の単位活性表面積当たりの電荷量(C/m)と白金の質量(g)で割った値から、電気化学表面積(m/g−Pt)を算出した。
燃料電池用コアシェル触媒の電気化学表面積は、実施例1が113m/g−Pt、比較例1が131m/g−Ptであった。
[Electrochemical surface area (ECSA)]
Cyclic voltammetry (CV) measurement was performed on the fuel cell core-shell catalyst obtained in Example 1 and Comparative Example 1, and the electrochemical surface area (ECSA) of the fuel cell core-shell catalyst was calculated.
A catalyst ink was prepared by the same method as the mass activity evaluation, and the catalyst ink was applied to a glassy carbon electrode (RDE) and dried, and CV measurement was performed.
CV measurement conditions are shown below.
Electrolyte: 0.1 mol / L perchloric acid aqueous solution (Ar gas was bubbled in advance at 30 mL / min for 30 minutes and saturated with Ar)
-Atmosphere: Under Ar atmosphere-Sweep speed: 50 mV / sec-Potential sweep range: 0.05 to 1.2 V (vs. RHE)
From the obtained cyclic voltammogram, the charge amount (C) of the hydrogen desorption peak was integrated.
Further, the mass (g) of platinum was calculated from the concentration and coating amount of the catalyst ink applied to the glassy carbon electrode.
From the value obtained by dividing the charge amount (C) of the hydrogen desorption peak by the charge amount (C / m 2 ) per unit active surface area of platinum and the mass (g) of platinum, the electrochemical surface area (m 2 / g-Pt) is calculated. Calculated.
Electrochemical surface area of the fuel cell core-shell catalyst, Example 1 113m 2 / g-Pt, Comparative Example 1 was 131m 2 / g-Pt.

[比活性(SA)]
実施例1、比較例1で得られた燃料電池用コアシェル触媒について、白金の単位質量当たりの触媒活性(A/g−Pt)を白金の電気化学表面積(m/g−Pt)で除することによって、比活性(白金の表面積当たり触媒活性(A/m))を算出した。結果を図6に示す。
図6に示すように、燃料電池用コアシェル触媒の比活性は、実施例1が5.1A/m、比較例1が4.1A/mであった。
[Specific activity (SA)]
About the core-shell catalyst for fuel cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1, the catalytic activity per unit mass of platinum (A / g-Pt) is divided by the electrochemical surface area of platinum (m 2 / g-Pt). The specific activity (catalytic activity per platinum surface area (A / m 2 )) was calculated. The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 6, the specific activity of the fuel cell core-shell catalyst, Example 1 is 5.1A / m 2, Comparative Example 1 was 4.1A / m 2.

[従来法との比較]
実施例1、比較例1で得られた燃料電池用コアシェル触媒の比活性(A/m)を比較した。
比較例1では、パラジウム粒子表面のパラジウム酸化物等の不純物が十分に除去されず、銅被覆工程においてパラジウム粒子表面における銅の被覆が十分に行われなかったと考えられるため、図6に示すように、比活性(SA)が低いものになったと考えられる。
一方、実施例1は、比較例1と比較して20%程度の比活性向上が確認できた。
したがって、本発明における電位印加工程によって、従来法よりもコア金属粒子表面からコア金属酸化物等の不純物を効率的且つ十分に除去することができ、結果として、触媒活性の高い燃料電池用コアシェル触媒を製造することができたといえる。
[Comparison with conventional methods]
The specific activities (A / m 2 ) of the fuel cell core-shell catalysts obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were compared.
In Comparative Example 1, it is considered that impurities such as palladium oxide on the surface of the palladium particles were not sufficiently removed, and it was considered that the copper coating on the surface of the palladium particles was not sufficiently performed in the copper coating step, as shown in FIG. It is considered that the specific activity (SA) has become low.
On the other hand, in Example 1, a specific activity improvement of about 20% was confirmed compared with Comparative Example 1.
Therefore, the potential application step in the present invention can efficiently and sufficiently remove impurities such as the core metal oxide from the surface of the core metal particles as compared with the conventional method, and as a result, the core-shell catalyst for fuel cells having high catalytic activity. Can be said to have been manufactured.

21 反応容器
22 コア金属粒子含有分散液
23 コア金属粒子
24 攪拌子
25 作用極
26 対極
27 参照極
28 プローブ電極
29 対極用コンパートメント
100 装置
200 装置
21 reaction vessel 22 core metal particle-containing dispersion 23 core metal particle 24 stirrer 25 working electrode 26 counter electrode 27 reference electrode 28 probe electrode 29 counter electrode compartment 100 apparatus 200 apparatus

Claims (7)

コア金属を含むコアと、白金を含み且つ前記コアの少なくとも一部を被覆するシェルと、を備える燃料電池用コアシェル触媒の製造方法であって、
コア金属粒子を含有するコア金属粒子含有分散液を収容し、且つ、作用極と、対極と、参照極と、前記コア金属粒子含有分散液中に浮遊している前記コア金属粒子の電位をモニターするためのプローブ電極を備える反応容器と、前記作用極と前記対極と前記参照極の電位を制御する電位制御部を有する装置を準備する準備工程と、
前記コア金属粒子含有分散液を攪拌しながら、前記参照極に対する前記プローブ電極の電位が所定の電位以下になるまで、前記作用極に電位を印加する電位印加工程と、
前記電位印加工程後、前記反応容器に銅イオン含有電解液を供給し、当該銅イオン含有電解液中において、前記コア金属粒子に銅の酸化還元電位よりも貴な電位を前記作用極に印加することによって、前記コア金属粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆する銅被覆工程と、
前記銅被覆工程後、前記コア金属粒子に、白金イオン含有溶液を接触させることによって、前記コア金属粒子の表面の少なくとも一部を被覆している銅を白金に置換し、前記シェルを形成する置換工程と、を有することを特徴とする燃料電池用コアシェル触媒の製造方法。
A method for producing a core-shell catalyst for a fuel cell, comprising: a core containing a core metal; and a shell containing platinum and covering at least a part of the core,
The core metal particle-containing dispersion containing the core metal particles is contained, and the working electrode, the counter electrode, the reference electrode, and the potential of the core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion are monitored. A preparation step of preparing an apparatus having a reaction vessel including a probe electrode for controlling the potential of the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode;
A potential application step of applying a potential to the working electrode until the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is equal to or lower than a predetermined potential while stirring the core metal particle-containing dispersion;
After the potential application step, a copper ion-containing electrolytic solution is supplied to the reaction vessel, and in the copper ion-containing electrolytic solution, a potential nobler than a copper oxidation-reduction potential is applied to the core electrode in the working electrode. A copper coating step of coating at least a part of the surface of the core metal particles with copper;
After the copper coating step, a platinum ion-containing solution is brought into contact with the core metal particles to replace copper covering at least a part of the surface of the core metal particles with platinum, thereby forming the shell. And a process for producing a core-shell catalyst for a fuel cell.
前記コア金属粒子が担体に担持されている、請求項1に記載の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法。   The manufacturing method of the core-shell catalyst for fuel cells of Claim 1 with which the said core metal particle is carry | supported by the support | carrier. 前記反応容器が前記作用極としても機能する、請求項1又は2に記載の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法。   The manufacturing method of the core-shell catalyst for fuel cells of Claim 1 or 2 with which the said reaction container functions also as said working electrode. 前記電位印加工程において、前記コア金属粒子含有分散液を攪拌しながら、前記参照極に対する前記プローブ電極の電位が所定の電位以下、且つ、前記作用極と前記対極との間に流れる電流値が定常状態になるまで、前記作用極に電位を印加する、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法。   In the potential application step, while stirring the core metal particle-containing dispersion, the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is equal to or lower than a predetermined potential, and a current value flowing between the working electrode and the counter electrode is steady. The manufacturing method of the core-shell catalyst for fuel cells as described in any one of Claims 1 thru | or 3 which applies an electric potential to the said working electrode until it will be in a state. 前記コア金属がパラジウムであり、
前記電位印加工程において、前記コア金属粒子含有分散液を攪拌しながら、前記参照極に対する前記プローブ電極の電位が0.60〜0.15V(vs.RHE)の範囲内になるまで、前記作用極に電位を印加する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池用コアシェル触媒の製造方法。
The core metal is palladium;
In the potential application step, the working electrode is stirred until the potential of the probe electrode with respect to the reference electrode is within a range of 0.60 to 0.15 V (vs. RHE) while stirring the dispersion containing the core metal particles. The manufacturing method of the core-shell catalyst for fuel cells as described in any one of Claims 1 thru | or 4 which applies an electric potential to.
アンダーポテンシャル析出法により、コア金属を含むコアと、白金を含み且つ前記コアの少なくとも一部を被覆するシェルと、を備える燃料電池用コアシェル触媒を製造する装置であって、
コア金属粒子を含有するコア金属粒子含有分散液を収容し、且つ、作用極と、対極と、参照極と、前記コア金属粒子含有分散液中に浮遊している前記コア金属粒子の電位をモニターするためのプローブ電極を備える反応容器と、
前記作用極と前記対極と前記参照極の電位を制御する電位制御部を有することを特徴とする燃料電池用コアシェル触媒製造装置。
An apparatus for producing a core shell catalyst for a fuel cell, comprising a core containing a core metal and a shell containing platinum and covering at least a part of the core by an underpotential deposition method,
The core metal particle-containing dispersion containing the core metal particles is contained, and the working electrode, the counter electrode, the reference electrode, and the potential of the core metal particles floating in the core metal particle-containing dispersion are monitored. A reaction vessel equipped with a probe electrode for
An apparatus for producing a core shell catalyst for a fuel cell, comprising: a potential control unit that controls a potential of the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode.
前記反応容器が前記作用極としても機能する、請求項6に記載の燃料電池用コアシェル触媒製造装置。   The core-shell catalyst manufacturing apparatus for a fuel cell according to claim 6, wherein the reaction vessel also functions as the working electrode.
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