JP2016128151A - Method for producing core-shell catalyst - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a core-shell catalyst having high catalytic activity while suppressing agglomeration of carbon with sulfuric acid.SOLUTION: There is provided a method for producing a core-shell catalyst including palladium-containing particulates as a core and a platinum-containing metal as a shell, which comprises: a first step of coating at least a part of the surface of the palladium-containing particulates with copper by applying a potential to palladium-containing particulates supported by a carbon carrier in a mixed solution containing more than 0 vol.% and less than 30 vol.% of isopropanol and further containing sulfuric acid and copper to obtain a copper-palladium composite; and a second step of substituting at least a part of copper in the copper-palladium composite with platinum in platinum ion-containing solution.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は燃料電池電極用のコアシェル触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a core-shell catalyst for a fuel cell electrode.

燃料電池電極用のコアシェル触媒の製造方法として、硫酸銅溶液中で銅アンダーポテンシャル析出(Cu−UPD)法を用いてコア材料に銅を被覆させ、その後、銅と白金とを置換する技術が知られている(特許文献1)。尚、コアシェル触媒の製造工程とは異なるが、触媒インク作成時にイソプロパノールを添加する技術が知られている(特許文献2)。   As a method for producing a core-shell catalyst for a fuel cell electrode, a technique is known in which copper is coated on a core material using a copper underpotential deposition (Cu-UPD) method in a copper sulfate solution, and then copper and platinum are replaced. (Patent Document 1). In addition, although different from the manufacturing process of a core-shell catalyst, the technique of adding isopropanol at the time of catalyst ink preparation is known (patent document 2).

特開2014−213212号公報JP, 2014-213212, A 特開2011−070926号公報JP 2011-070926 A

特許文献1においてCu−UPD時には硫酸が必要である。しかしながら、硫酸は触媒担体であるカーボン上にも吸着し、カーボン同士を凝集させてしまう。そのため、Cu−UPDやPt置換を適切に行うことができず、触媒活性が低下してしまう場合があった。そこで本発明は、硫酸によるカーボンの凝集を抑えつつ触媒活性の高いコアシェル触媒を製造する方法を提供することが課題とする。   In Patent Document 1, sulfuric acid is required for Cu-UPD. However, sulfuric acid is also adsorbed on the carbon that is the catalyst carrier, and causes the carbons to aggregate. Therefore, Cu-UPD and Pt substitution cannot be performed appropriately, and the catalyst activity may be reduced. Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing a core-shell catalyst having high catalytic activity while suppressing carbon aggregation due to sulfuric acid.

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を採る。すなわち、
本発明は、パラジウム含有微粒子をコア、白金を含む金属をシェルとするコアシェル触媒の製造方法であって、イソプロパノールを0体積%超30体積%未満含むとともに硫酸及び銅を含む混合溶液中で、カーボン担体に担持されたパラジウム含有微粒子に対し電位を印加してパラジウム含有微粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆し、銅/パラジウム複合体を得る、第1工程と、白金イオン含有溶液中で、銅/パラジウム複合体の少なくとも一部の銅と白金とを置換する、第2工程とを備える、コアシェル触媒の製造方法である。
In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration. That is,
The present invention relates to a method for producing a core-shell catalyst having a palladium-containing fine particle as a core and a platinum-containing metal as a shell. A potential is applied to the palladium-containing fine particles supported on the carrier to coat at least a part of the surface of the palladium-containing fine particles with copper to obtain a copper / palladium composite, in the first step, in the platinum ion-containing solution, It is a manufacturing method of a core-shell catalyst provided with the 2nd process of substituting at least some copper and platinum of a copper / palladium composite.

本発明によれば、硫酸及び銅を含む溶液中にイソプロパノールを所定量だけ添加したことによって、Cu−UPD反応やPt置換反応においてカーボンの凝集を抑えることができ、しかも触媒活性の高いコアシェル触媒を製造することができる。   According to the present invention, by adding a predetermined amount of isopropanol to a solution containing sulfuric acid and copper, it is possible to suppress agglomeration of carbon in a Cu-UPD reaction or a Pt substitution reaction, and a core-shell catalyst having high catalytic activity. Can be manufactured.

イソプロパノール(IPA)添加量とコアシェル触媒活性との関係を示すデータである。It is data which shows the relationship between an isopropanol (IPA) addition amount and a core shell catalytic activity. 分散剤としてポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル系界面活性剤(分散剤A)を使用した場合とイソプロパノール(IPA)を使用した場合とのそれぞれについて、製造されるコアシェル触媒のCV測定結果を示すデータである。It is the data which shows the CV measurement result of the core-shell catalyst manufactured about each of the case where a polyoxyethylene alkylphenyl ether type-surfactant (dispersant A) is used as a dispersing agent, and the case where isopropanol (IPA) is used. . 実施例にて用いた反応器を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the reactor used in the Example.

本発明に係るコアシェル触媒の製造方法は、パラジウム含有微粒子をコア、白金を含む金属をシェルとするコアシェル触媒の製造方法であって、イソプロパノールを0体積%超30体積%未満含むとともに硫酸及び銅を含む混合溶液中で、カーボン担体に担持されたパラジウム含有微粒子に対し電位を印加してパラジウム含有微粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆し、銅/パラジウム複合体を得る、第1工程と、白金イオン含有溶液中で、銅/パラジウム複合体の少なくとも一部の銅と白金とを置換する、第2工程とを備えている。   A method for producing a core-shell catalyst according to the present invention is a method for producing a core-shell catalyst having a palladium-containing fine particle as a core and a platinum-containing metal as a shell, containing isopropanol in an amount of more than 0% by volume and less than 30% by volume, and sulfuric acid and copper. A first step of applying a potential to the palladium-containing fine particles supported on the carbon carrier in a mixed solution to cover at least a part of the surface of the palladium-containing fine particles with copper to obtain a copper / palladium composite; A second step of substituting at least part of the copper / platinum of the copper / palladium complex with platinum in the platinum ion-containing solution.

1.第1工程
第1工程は、イソプロパノールを0体積%超30体積%未満含むとともに硫酸及び銅を含む混合溶液中で、カーボン担体に担持されたパラジウム含有微粒子に対し電位を印加してパラジウム含有微粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆し、銅/パラジウム複合体を得る工程である。
1. First step The first step is to apply a potential to the palladium-containing fine particles supported on the carbon support in a mixed solution containing isopropanol in an amount of more than 0% by volume and less than 30% by volume and containing sulfuric acid and copper. In this step, at least a part of the surface is coated with copper to obtain a copper / palladium composite.

1.1.混合溶液
混合溶液には、硫酸、銅及びイソプロパノールが含まれている。本発明に用いられる混合溶液はイソプロパノールが所定量含まれていること以外は、Cu−UPD法に用いられる従来の溶液(電解液)と同様の構成とすることができる。すなわち、混合溶液を構成する溶媒については水、有機溶媒のいずれを使用してもよいが、特に水が好ましい。混合溶液における硫酸濃度は処理すべきパラジウム含有微粒子の量等を考慮して適宜調整可能である。例えば、硫酸濃度を0.001mol/L以上とすることが好ましく、0.001〜1.0mol/Lとすることが特に好ましい。混合溶液における銅濃度についてもCu−UPDによってパラジウム含有微粒子の表面に銅を被覆させることができる程度の濃度であればよく、処理すべきパラジウム含有微粒子の量等を考慮して適宜調整可能である。尚、混合溶液において銅は少なくとも銅イオンとして含まれている。銅イオンの対となるアニオンは硫酸イオンに限られない。すなわち、上記の硫酸とは別に硫酸銅以外の銅塩を添加することによって、混合溶液中に銅(銅イオン)を含ませてもよい。ただし、Cu−UPD法を適切に進行させるには、パラジウム含有微粒子の表面にスルホン酸基と銅とを共吸着させる必要があるため、混合溶液において硫酸と銅とを含ませる必要がある。混合溶液の温度は、特に限定されないが、15〜30℃であることが好ましい。
1.1. Mixed solution The mixed solution contains sulfuric acid, copper and isopropanol. The mixed solution used for this invention can be set as the structure similar to the conventional solution (electrolyte solution) used for Cu-UPD method except that isopropanol is contained in a predetermined amount. That is, as a solvent constituting the mixed solution, either water or an organic solvent may be used, but water is particularly preferable. The sulfuric acid concentration in the mixed solution can be appropriately adjusted in consideration of the amount of palladium-containing fine particles to be treated. For example, the sulfuric acid concentration is preferably 0.001 mol / L or more, and particularly preferably 0.001 to 1.0 mol / L. The copper concentration in the mixed solution may be a concentration that allows the surface of the palladium-containing fine particles to be coated with Cu-UPD, and can be appropriately adjusted in consideration of the amount of palladium-containing fine particles to be treated. . In the mixed solution, copper is contained at least as copper ions. The anion which becomes a copper ion pair is not limited to sulfate ion. That is, copper (copper ions) may be included in the mixed solution by adding a copper salt other than copper sulfate separately from the above sulfuric acid. However, in order for the Cu-UPD method to proceed appropriately, it is necessary to co-adsorb sulfonic acid groups and copper on the surface of the palladium-containing fine particles, so that it is necessary to include sulfuric acid and copper in the mixed solution. Although the temperature of a mixed solution is not specifically limited, It is preferable that it is 15-30 degreeC.

本発明は、混合溶液中に分散剤として低級アルコールであるイソプロパノールを含ませた点に特徴がある。混合溶液中にイソプロパノールが存在しない場合、パラジウム含有微粒子の担体であるカーボンの凝集が発生する。カーボンが凝集すると、カーボン内部に埋没したパラジウム含有微粒子に十分量のCu2+/Pt2+が供給できず、Cu−UPD反応やPt置換反応を適切に行うことができない。結果として、例えばPt置換時にPtの偏析が生じ、触媒活性が低下してしまう。一方、イソプロパノールの含有量が多過ぎると、イソプロパノールによる還元作用によって混合溶液中の銅イオンの析出が生じる。結果、Cu−UPD反応が進行せず、触媒活性が低下してしまう。本発明者らによる鋭意研究の結果、混合溶液中におけるイソプロパノールの含有量が0体積%超30体積%未満の場合に限り、硫酸によるカーボン凝集を抑制しつつ触媒活性の高いコアシェル触媒を製造可能であることを突き止めた(図1参照)。イソプロパノールの含有量は下限が好ましくは5質量%以上であり、上限が好ましくは20体積%以下である。 The present invention is characterized in that isopropanol, which is a lower alcohol, is included as a dispersant in the mixed solution. When isopropanol is not present in the mixed solution, agglomeration of carbon that is a carrier of palladium-containing fine particles occurs. When the carbon aggregates, a sufficient amount of Cu 2+ / Pt 2+ cannot be supplied to the palladium-containing fine particles embedded in the carbon, and the Cu-UPD reaction and the Pt substitution reaction cannot be performed appropriately. As a result, for example, Pt segregation occurs at the time of Pt substitution, and the catalytic activity decreases. On the other hand, when there is too much content of isopropanol, precipitation of the copper ion in a mixed solution will arise by the reducing action by isopropanol. As a result, the Cu-UPD reaction does not proceed, and the catalytic activity decreases. As a result of intensive studies by the present inventors, it is possible to produce a core-shell catalyst having high catalytic activity while suppressing carbon aggregation due to sulfuric acid only when the content of isopropanol in the mixed solution is more than 0 volume% and less than 30 volume%. It was found out (see FIG. 1). The lower limit of the content of isopropanol is preferably 5% by mass or more, and the upper limit is preferably 20% by volume or less.

尚、混合溶液中に、分散剤として、イソプロパノールに替えて他の低級アルコールを含ませた場合であっても所望の効果が奏されるものと考えられる。そのような低級アルコールとしては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、シクロヘキサノール等が挙げられる。これら低級アルコールの含有量は、上述したイソプロパノールの場合と同程度とすればよい。   In addition, even if it is a case where it replaces with isopropanol as a dispersing agent and another lower alcohol is included in a mixed solution, it is thought that a desired effect is show | played. Such lower alcohols include methanol, ethanol, 1-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-methyl-2-propanol, cyclohexanol and the like. The content of these lower alcohols may be the same as in the case of isopropanol described above.

本発明者らは鋭意研究により以下の知見も得た。すなわち、分散剤として低級アルコールを用いずに、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル系界面活性剤といった公知の高分子分散剤を用いた場合、カーボン表面のみならずパラジウム含有微粒子の表面まで分散剤によって被覆されてしまう。その結果、Pt置換反応が進行せず、白金シェルを適切に形成することができない(図2参照)。一方で分散剤として低級アルコールを用いた場合はこのようなことは生じず、Cu−UPD反応及びPt置換反応を適切に進行できる。この点、分散剤として低級アルコールを所定量用いることによる優位な効果がある。   The present inventors have also obtained the following knowledge through intensive studies. That is, when a known polymer dispersant such as a polyoxyethylene alkylphenyl ether surfactant is used without using a lower alcohol as a dispersant, not only the carbon surface but also the surface of the palladium-containing fine particles are coated with the dispersant. End up. As a result, the Pt substitution reaction does not proceed and the platinum shell cannot be formed properly (see FIG. 2). On the other hand, when a lower alcohol is used as a dispersant, such a situation does not occur, and the Cu-UPD reaction and the Pt substitution reaction can proceed appropriately. In this respect, there is an advantageous effect by using a predetermined amount of lower alcohol as a dispersant.

1.2.パラジウム含有微粒子
パラジウム含有微粒子は、燃料電池用コアシェル触媒のコアとして使用可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。例えば、パラジウム粒子及びパラジウム合金粒子から選ばれる少なくとも一方の粒子を用いることができる。パラジウム合金としては、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀及び金からなる群より選ばれる1種以上の金属材料とパラジウムとの合金が挙げられる。パラジウム合金は、合金全体を基準(100質量%)として、パラジウムを80質量%以上含むことが好ましい。これにより、より均一なコアシェル構造を形成することができる。
1.2. Palladium-containing fine particles As long as the palladium-containing fine particles can be used as the core of the core-shell catalyst for fuel cells, the form thereof is not particularly limited. For example, at least one particle selected from palladium particles and palladium alloy particles can be used. Examples of the palladium alloy include an alloy of palladium and at least one metal material selected from the group consisting of iridium, ruthenium, rhodium, iron, cobalt, nickel, copper, silver, and gold. The palladium alloy preferably contains 80% by mass or more of palladium based on the whole alloy (100% by mass). Thereby, a more uniform core-shell structure can be formed.

パラジウム微粒子の平均粒子径については特に限定されるものではないが、10nm以下であることが好ましい。パラジウム含有微粒子の平均粒径が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。一方で、パラジウム含有微粒子の平均粒径が小さ過ぎると、パラジウム自体が溶けやすくなり触媒の耐久性が低下するため、パラジウム含有微粒子の平均粒径は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。   The average particle diameter of the palladium fine particles is not particularly limited, but is preferably 10 nm or less. When the average particle diameter of the palladium-containing fine particles exceeds 10 nm, the surface area per mass of platinum becomes small, and a lot of platinum is required to obtain the necessary activity, which is expensive. On the other hand, if the average particle size of the palladium-containing fine particles is too small, the palladium itself is easily dissolved and the durability of the catalyst is lowered. Therefore, the average particle size of the palladium-containing fine 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.

1.3.カーボン担体
本発明において、パラジウム含有微粒子は、カーボン担体に担持されていることが前提である。カーボン担体としては、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を用いることができる。
1.3. Carbon support In the present invention, it is assumed that the palladium-containing fine particles are supported on a carbon support. As the carbon carrier, Ketjen Black (trade name, manufactured by Ketjen Black International), Vulcan (trade name, manufactured by Cabot), Norrit (trade name, manufactured by Norit), Black Pearl (trade name, manufactured by Cabot) ), Carbon particles such as acetylene black (trade name, manufactured by Chevron) and conductive carbon materials such as carbon fibers can be used.

カーボン担体の平均粒径は、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パラジウム含有微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、パラジウム含有微粒子の分散性が低下するおそれがある。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、担体へのパラジウム含有微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、パラジウム含有微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 average particle size of the carbon support is not particularly limited, but is preferably 0.01 to several hundred μm, more preferably 0.01 to 1 μm. When the average particle size of the support is less than the above range, the support may be deteriorated by corrosion, and the palladium-containing fine particles supported on the support may fall off with 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 palladium containing microparticles | fine-particles may fall. 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 carrier is less than the above range, the dispersibility of the palladium-containing fine particles in the carrier 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 factor of palladium containing fine particles may fall and sufficient battery performance may not be expressed.

カーボン担体によるパラジウム含有微粒子担持率[{(パラジウム含有微粒子質量)/(パラジウム含有微粒子質量+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。パラジウム含有微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、パラジウム含有微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、必要以上のパラジウム含有微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。   The palladium-containing fine particle supporting rate [{(palladium-containing fine particle mass) / (palladium-containing fine particle mass + carrier mass)} × 100%] by the carbon carrier is not particularly limited, and is generally in the range of 20 to 60%. It is preferable. If the supported amount of the palladium-containing fine particles is too small, the catalyst function may not be sufficiently exhibited. On the other hand, if the amount of palladium-containing fine particles supported is too large, there may be no particular problem from the viewpoint of the catalyst function, but even if more palladium-containing fine particles are supported, there is an effect commensurate with the increase in production cost. It becomes difficult to obtain.

パラジウム含有微粒子をカーボン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、パラジウム含有微粒子を混合し、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。なお、パラジウム合金粒子を使用する場合には、合金の合成とパラジウム合金粒子の担体への担持が同時に行われてもよい。   As a method for supporting the palladium-containing fine particles on the carbon carrier, a conventionally used method can be employed. For example, a method in which palladium-containing fine 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. When palladium alloy particles are used, the synthesis of the alloy and the loading of the palladium alloy particles on the carrier may be performed simultaneously.

パラジウム含有微粒子は、電位を印加する前に、酸溶液(酸を含む溶液をいう。上述の混合溶液であってもよい)中に浸漬させてクリーニング処理を施しておくことが好ましい。クリーニング処理により、パラジウム含有微粒子の表面の酸化物を除去することができる。この場合、酸溶液は、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て攪拌することが好ましい。   The palladium-containing fine particles are preferably subjected to a cleaning treatment by immersing them in an acid solution (referring to an acid-containing solution, which may be the above-mentioned mixed solution) before applying a potential. The oxide on the surface of the palladium-containing fine particles can be removed by the cleaning treatment. In this case, the acid solution is preferably stirred using an ultrasonic homogenizer, a magnetic stirrer, a motor with stirring blades, or the like.

第1工程においては、上述の混合溶液中でカーボン担体に担持されたパラジウム含有微粒子に対し電位を印加する。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、混合溶液中に、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。作用極としては、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。なお、反応容器を上記導電性材料で形成し、作用極としても機能させることもできる。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。電位制御装置としては、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。 In the first step, a potential is applied to the palladium-containing fine particles supported on the carbon support in the mixed solution. The method for applying the potential is not particularly limited, and a general method can be adopted. For example, a method of immersing a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode in a mixed solution and applying a potential to the working electrode can be mentioned. As the working electrode, for example, a metal material such as titanium, platinum mesh, platinum plate, or gold plate, a conductive carbon material such as glassy carbon, carbon plate, or the like that can ensure conductivity can be used. Note that the reaction vessel may be formed of the above conductive material and function as a 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, for example, a platinum mesh plated with platinum black and conductive carbon fiber can be used. As the reference electrode, a reversible hydrogen electrode (RHE), a silver-silver chloride electrode, a silver-silver chloride-potassium chloride electrode, or the like can be used. As the potential control device, a potentiostat, a potentiogalvanostat, or the like can be used.

この場合の印加電位は、パラジウム含有微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 applied potential in this case is not particularly limited as long as it is a potential at which copper can be deposited on the surface of the palladium-containing fine particles, that is, a potential nobler than the oxidation-reduction potential of copper. It is preferably within the range of .7V (vs. RHE), particularly preferably 0.38V (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.

第1工程は、パラジウム含有微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ことが好ましい。また、第1工程において、混合溶液は、必要に応じて適宜攪拌することが好ましい。例えば、作用極を兼ねる反応容器を用い、該反応容器内の混合溶液にパラジウム含有微粒子を浸漬、分散させた場合、銅イオン含有電解液を攪拌することで、パラジウム含有微粒子を作用極である反応容器の表面に接触させ、各パラジウム含有微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、第1工程において連続的に行ってもよいし、断続的に行ってもよい。   The first 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 palladium-containing fine particles and preventing oxidation of copper. In the first step, the mixed solution is preferably stirred as necessary. For example, when a reaction vessel also serving as a working electrode is used, and palladium-containing fine particles are immersed and dispersed in a mixed solution in the reaction vessel, the reaction containing palladium-containing fine particles as a working electrode is performed by stirring the copper ion-containing electrolyte. A potential can be uniformly applied to each palladium-containing fine particle by contacting the surface of the container. In this case, stirring may be performed continuously or intermittently in the first step.

以上の第1工程を経て、Cu−UPD反応により、パラジウム含有微粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆することができ、銅/パラジウム複合体が得られる。本発明では、混合溶液に分散剤として所定量のイソプロパノールを含ませているため、カーボン担体の凝集を抑えつつ、Cu−UPD反応を進行させることができ、銅の偏析等を抑制することができる。   Through the first step, at least a part of the surface of the palladium-containing fine particles can be coated with copper by the Cu-UPD reaction, and a copper / palladium composite is obtained. In the present invention, since a predetermined amount of isopropanol is contained as a dispersant in the mixed solution, the Cu-UPD reaction can be advanced while suppressing aggregation of the carbon support, and segregation of copper and the like can be suppressed. .

2.第2工程
第2工程は、白金イオン含有溶液中で、銅/パラジウム複合体の少なくとも一部の銅と白金とを置換する工程である。
2. Second Step The second step is a step of substituting at least part of copper and platinum of the copper / palladium complex in the platinum ion-containing solution.

2.1.白金イオン含有溶液
本発明により製造されるコアシェル触媒のシェルには、白金及び/又は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、合金全体を基準(100質量%)として、白金を90質量%以上含むことが好ましい。これにより、一層優れた触媒活性及び耐久性が得られる。
2.1. Platinum ion-containing solution The shell of the core-shell catalyst produced according to the present invention contains platinum and / or 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 contains 90% by mass or more of platinum based on the whole alloy (100% by mass). Thereby, more excellent catalytic activity and durability can be obtained.

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。 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.

白金イオン含有溶液は例えば上述の白金塩を酸溶液に添加することで容易に作製可能である。酸溶液を構成する酸としては硫酸、硝酸、過塩素酸、塩酸、次亜塩素酸等が挙げられる。また、酸溶液を構成する溶媒としては水が好ましい。白金イオン含有溶液は、パラジウム含有微粒子の表面の酸化防止の観点から、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、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 can be easily prepared, for example, by adding the above-described platinum salt to the acid solution. Examples of the acid constituting the acid solution include sulfuric acid, nitric acid, perchloric acid, hydrochloric acid, and hypochlorous acid. Moreover, water is preferable as the solvent constituting the acid solution. The platinum ion-containing solution is preferably bubbled in advance from the viewpoint of preventing oxidation of the surface of the palladium-containing fine particles. Although the temperature of a platinum ion containing solution is not specifically limited, It is preferable that it is 3-10 degreeC from a viewpoint of the catalytic activity improvement of a core-shell catalyst.

第2工程においては、パラジウム含有微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。置換時間(白金イオン含有溶液とパラジウム含有微粒子との接触時間)は、特に限定されるものではないが、10分以上確保することが好ましい。また、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(OCVが定常となるまで)放置することがより好ましい。   In a 2nd process, copper and platinum can be substituted by the difference in ionization tendency by making a platinum ion containing solution contact the copper deposited on the surface of palladium containing fine particles. The substitution time (contact time between the platinum ion-containing solution and the palladium-containing fine particles) is not particularly limited, but it is preferable to ensure 10 minutes or more. Moreover, since the potential of the reaction solution increases as the platinum ion-containing solution is added, it is more preferable to leave the solution until the monitor potential does not change (until the OCV becomes steady).

以上の第2工程を経て、Pt置換反応により、パラジウム含有微粒子の表面の銅が白金で置換され、パラジウム含有微粒子をコア、白金を含む金属をシェルとするコアシェル触媒を製造することができる。本発明では、混合溶液に分散剤として所定量のイソプロパノールを含ませているため、カーボン担体の凝集を抑えつつ、Pt置換反応を進行させることができ、白金の偏析等を抑制することができる。   Through the above-described second step, the copper on the surface of the palladium-containing fine particles is replaced with platinum by the Pt substitution reaction, and a core-shell catalyst having the palladium-containing fine particles as the core and the metal containing platinum as the shell can be manufactured. In the present invention, since a predetermined amount of isopropanol is included as a dispersant in the mixed solution, the Pt substitution reaction can be promoted while suppressing the aggregation of the carbon support, and segregation of platinum or the like can be suppressed.

<実施例1>
1.第1工程
(混合溶液の準備及びPd/Cの分散)
図3に示すように、WE、CE、REをP/G配線にセットした反応器内に、0.1M硫酸500mlを充填し30分間窒素バブリングを行い、酸素を脱気した。一方で、ビーカー内にパラジウム微粒子が担持されたカーボン(Pd/C:パラジウム担持量30%)を2g秤量し、0.1M硫酸銅溶液を添加し、ホモジナイザーを用いてPd/C懸濁液を調製した。Pd/C懸濁液を反応器内に投入し、Pd/Cを含む0.05M硫酸銅水溶液とした。ここに分散剤としてイソプロパノールを所定量添加し、30分以上攪拌混合を行うことで、混合溶液中にPd/Cを分散させた。
<Example 1>
1. First step (preparation of mixed solution and dispersion of Pd / C)
As shown in FIG. 3, in a reactor in which WE, CE, and RE were set in the P / G wiring, 500 ml of 0.1 M sulfuric acid was charged and nitrogen bubbling was performed for 30 minutes to degas oxygen. On the other hand, 2 g of carbon (Pd / C: palladium loading 30%) on which palladium fine particles are supported in a beaker is weighed, 0.1 M copper sulfate solution is added, and a Pd / C suspension is prepared using a homogenizer. Prepared. The Pd / C suspension was charged into the reactor to prepare a 0.05 M aqueous copper sulfate solution containing Pd / C. A predetermined amount of isopropanol was added here as a dispersing agent, and Pd / C was dispersed in the mixed solution by stirring and mixing for 30 minutes or more.

(Cu−UPD)
P/GにてWE電極に0.38Vの電位を印加し、還元電流がゼロとなるまでCu−UPDを実施した。これにより、パラジウム微粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆し、銅/パラジウム複合体を得た。
(Cu-UPD)
A potential of 0.38 V was applied to the WE electrode by P / G, and Cu-UPD was performed until the reduction current became zero. Thereby, at least a part of the surface of the palladium fine particles was coated with copper to obtain a copper / palladium composite.

2.第2工程
(Pt置換)
反応器内を常温から5℃まで冷却した。一方で、0.05M硫酸200mlに0.85gの塩化白金酸カリウムを溶解させ、窒素バブリングで酸素脱気し、白金イオン含有溶液を調製した。白金イオン含有溶液をポンプにより反応器内に投入した。OCVをモニターし、0.6〜0.9Vの範囲で電位が収束するまでPt置換を行った。
2. Second step (Pt substitution)
The inside of the reactor was cooled from room temperature to 5 ° C. On the other hand, 0.85 g of potassium chloroplatinate was dissolved in 200 ml of 0.05 M sulfuric acid, and oxygen deaeration was performed by nitrogen bubbling to prepare a platinum ion-containing solution. The platinum ion-containing solution was charged into the reactor by a pump. The OCV was monitored and Pt substitution was performed until the potential converged in the range of 0.6 to 0.9V.

(後処理)
電位収束後、減圧濾過を実施した。その後、固形分を超純水4Lで洗浄し、60℃で真空乾燥することにより、パラジウム含有微粒子をコア、白金を含む金属をシェルとするコアシェル触媒を得た。
(Post-processing)
After convergence of the potential, vacuum filtration was performed. Thereafter, the solid content was washed with 4 L of ultrapure water and vacuum dried at 60 ° C. to obtain a core-shell catalyst having palladium-containing fine particles as a core and platinum-containing metal as a shell.

(コアシェル触媒の評価)
以下の測定を行うことで、コアシェル触媒の評価を行った。結果を図1に示す。
(Evaluation of core-shell catalyst)
The core-shell catalyst was evaluated by performing the following measurements. The results are shown in FIG.

測定装置として回転ディスク電極(電極面積0.196cm)を用いて、以下の手順で測定を行った。
(i)バフ研磨により、グラッシーカーボン(GC)電極表面を鏡面に仕上げた。
(ii)超純水を用いて、電極を超音波洗浄した。
(iii)以下の組成を有するインクを超音波分散させた後、10μLだけ電極に塗布した。
(インク組成)コアシェル触媒:30mg、超純水:30ml、濃硫酸:7.5μL、5%Nafion:131μL
(iv)ガラスセルに0.1mol/L HClO溶液を入れ、電極をセットした。酸素バブリング下、電位走引範囲1.05V〜0.1V、電位走引速度10mV/sで電位を走引した(2サイクル)。2サイクル目の0.1Vから1.05Vへと走引する際の、0.9Vでの電流値(I)、0.3Vでの電流値(Id)を測定した。活性支配電流(Ik)を以下の式に基づいて算出した。
Ik=(Id×I)/(Id−I)
あらかじめ得られたコアシェル触媒の金属組成をICP−AESにて測定しておき、塗布した触媒インクからGC電極表面に載っている白金量を算出した。Ikを白金量(g)で割った値を質量活性MA(A/g−Pt)とした。
Using a rotating disk electrode (electrode area 0.196 cm 2 ) as a measuring device, the measurement was performed according to the following procedure.
(I) The glassy carbon (GC) electrode surface was mirror finished by buffing.
(Ii) The electrode was ultrasonically cleaned using ultrapure water.
(Iii) After ultrasonically dispersing an ink having the following composition, only 10 μL was applied to the electrode.
(Ink composition) Core-shell catalyst: 30 mg, ultrapure water: 30 ml, concentrated sulfuric acid: 7.5 μL, 5% Nafion: 131 μL
(Iv) A 0.1 mol / L HClO 4 solution was placed in a glass cell, and an electrode was set. Under oxygen bubbling, the potential was run at a potential running range of 1.05 V to 0.1 V and a potential running speed of 10 mV / s (2 cycles). When running from 0.1 V to 1.05 V in the second cycle, the current value (I) at 0.9 V and the current value (Id) at 0.3 V were measured. The active dominant current (Ik) was calculated based on the following formula.
Ik = (Id × I) / (Id−I)
The metal composition of the core-shell catalyst obtained in advance was measured by ICP-AES, and the amount of platinum on the GC electrode surface was calculated from the applied catalyst ink. A value obtained by dividing Ik by the amount of platinum (g) was defined as mass active MA (A / g-Pt).

図1に示すように、イソプロパノールの添加量が0体積%超30体積%未満の場合に限り、コアシェル触媒の触媒活性が飛躍的に向上した。特に、5体積%以上20体積%以下の場合に一層顕著な効果が確認できた。
イソプロパノール未添加の場合、カーボン担体の凝集が発生し、カーボン内部に埋没したパラジウム含有微粒子に十分量のCu2+/Pt2+が供給できず、Cu−UPD反応やPt置換反応を適切に行うことができなかった結果、例えばPt置換時にPtの偏析が生じ、触媒活性が低下したものと考えられる。
一方、イソプロパノールの含有量が多過ぎる場合、イソプロパノールによる還元作用によって混合溶液中の銅イオンの析出が生じ、結果として、Cu−UPD反応が進行せず、触媒活性が低下したものと考えられる。
As shown in FIG. 1, the catalytic activity of the core-shell catalyst was dramatically improved only when the amount of isopropanol added was more than 0% by volume and less than 30% by volume. In particular, in the case of 5 volume% or more and 20 volume% or less, a more remarkable effect was confirmed.
When no isopropanol is added, agglomeration of the carbon carrier occurs, and a sufficient amount of Cu 2+ / Pt 2+ cannot be supplied to the palladium-containing fine particles embedded in the carbon, so that the Cu-UPD reaction and the Pt substitution reaction can be appropriately performed. As a result, it was considered that, for example, Pt segregation occurred at the time of Pt substitution, and the catalytic activity was lowered.
On the other hand, when there is too much content of isopropanol, precipitation of the copper ion in a mixed solution will arise by the reduction | restoration effect | action by isopropanol, and as a result, Cu-UPD reaction does not advance and it is thought that catalyst activity fell.

(高分子分散剤を用いた場合との比較)
イソプロパノールを20体積%添加した混合溶液を用いて上記した手順にてコアシェル触媒を製造した場合と、汎用の高分子分散剤であるポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル系界面活性剤(分散剤A、商品名:トリトンX)を1体積%添加した混合溶液を用いて上記した手順にてコアシェル触媒を製造した場合とのそれぞれについて、コアシェル触媒についてCV測定を行った。結果を図2に示す。
(Comparison with the use of polymer dispersant)
When a core-shell catalyst is produced by the above procedure using a mixed solution to which 20% by volume of isopropanol is added, and a polyoxyethylene alkylphenyl ether surfactant (dispersant A, trade name, which is a general-purpose polymer dispersant) : CV measurement was performed on the core-shell catalyst for each of the case where the core-shell catalyst was produced by the above-described procedure using a mixed solution to which 1% by volume of Triton X) was added. The results are shown in FIG.

図2に示すように、高分子分散剤を適用した場合、Pt置換後のCV測定において、Pt由来の水素吸着/脱離が消滅していることから、Pt置換反応が進行していないことが分かる。一方、イソプロパノールを適用した場合、水素吸着が明瞭に確認でき、Cu−UPD反応及びPt置換反応を阻害せず、コアの表面に白金含有シェルが適切に形成されていることが分かる。   As shown in FIG. 2, when the polymer dispersant is applied, in the CV measurement after Pt substitution, since the hydrogen adsorption / desorption derived from Pt has disappeared, the Pt substitution reaction may not proceed. I understand. On the other hand, when isopropanol is applied, hydrogen adsorption can be clearly confirmed, and it can be seen that a platinum-containing shell is appropriately formed on the surface of the core without inhibiting the Cu-UPD reaction and the Pt substitution reaction.

本発明により製造されるコアシェル触媒は燃料電池の電極用の触媒として広く利用可能である。   The core-shell catalyst produced according to the present invention can be widely used as a catalyst for fuel cell electrodes.

Claims (1)

パラジウム含有微粒子をコア、白金を含む金属をシェルとするコアシェル触媒の製造方法であって、
イソプロパノールを0体積%超30体積%未満含むとともに硫酸及び銅をさらに含む混合溶液中で、カーボン担体に担持されたパラジウム含有微粒子に対し電位を印加して該パラジウム含有微粒子の表面の少なくとも一部を銅で被覆し、銅/パラジウム複合体を得る、第1工程と、
白金イオン含有溶液中で、前記銅/パラジウム複合体の少なくとも一部の銅と白金とを置換する、第2工程と、
を備える、コアシェル触媒の製造方法。
A method for producing a core-shell catalyst having a palladium-containing fine particle as a core and a metal containing platinum as a shell,
In a mixed solution containing more than 0 volume% and less than 30 volume% of isopropanol and further containing sulfuric acid and copper, a potential is applied to the palladium-containing fine particles supported on the carbon support so that at least a part of the surface of the palladium-containing fine particles is formed. A first step of coating with copper to obtain a copper / palladium composite;
A second step of substituting at least a portion of copper and platinum of the copper / palladium composite in a platinum ion-containing solution;
A method for producing a core-shell catalyst.
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