JP2017510445A - 白金及び希土類酸化物に基づくナノ粒子並びにその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
a.不活性雰囲気の下、Pt塩、希土類塩、酢酸塩及び溶媒、例えばメタノールを撹して混合する工程、
b.一酸化炭素を含有する雰囲気下で、前で得られた混合物を加熱する工程、
c.一酸化炭素を含有する雰囲気を不活性雰囲気、例えば窒素に置き換えて、好ましくはナノ粒子の担体を加える工程、
d.溶媒を蒸発させてナノ粒子の粉末を得る工程、
e.二水素(dihydrogen)の存在下で、不活性ガス、例えば窒素の雰囲気下において、80℃と600℃の間に含まれる温度でナノ粒子の粉末を熱処理する工程、並びに
f.処理した触媒粉末を洗浄してナノ粒子を得る工程
を含むことができる。
a.不活性雰囲気の下、Pt塩、酢酸ナトリウム及び溶媒、例えばメタノールを撹拌して混合する工程、
b.一酸化炭素を含有する雰囲気下で、予め得られた混合物を加熱する工程、
c.一酸化炭素を含有する雰囲気を不活性雰囲気、例えば窒素に置き換える工程、
d.少なくとも1種の希土類と、2−アミノテレフタレート、1,3,5−ベンゼントリカルボキシレート、5−アミノイソフタレート、4,4’−オキシビス(安息香酸)、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボキシレート、又は4,4’−ビフェニルジカルボキシレートから選択される少なくとも1種の配位子とを含むMOF化合物を追加する工程であって、好ましくは炭素担体、特にカーボンナノチューブを追加する工程、
e.溶媒を蒸発させて、ナノ粒子の粉末を得る工程、
f.不活性ガス、例えば窒素の雰囲気下において、100℃と1000℃の間に含まれる温度でナノ粒子の粉末を熱処理する工程、並びに
g.処理した触媒粉末を洗浄してナノ粒子を得る工程
を含むことができる。
ヘキサクロロ白金酸ナトリウム6水和物(Na2PtCl6・6H2O)(31.3mass%のPt、114.6mg)、無水YCl3(99%、16.7mg)及び無水酢酸ナトリウム(99%、126.1mg)をガラスフラスコ中に加えて、磁気撹拌を用いて25mLのメタノールと混合した。その混合物の全てを、窒素雰囲気(99%)下で20分間置いて、その終わりに10分間で窒素雰囲気を一酸化炭素雰囲気(CO、99%)に置き換えた。次いで、その外周を密閉して、その混合物を、CO雰囲気下において還流しながら50℃と55℃の間に設定した温度で24時間維持した。撹拌を24時間にわたって維持した。24時間後、CO雰囲気を窒素雰囲気に置き換えて、反応媒体の温度を室温まで下げた。
例1で説明した実験手順に従って、ヘキサクロロ白金酸ナトリウム6水和物(144.2mg)、GdCl3(22.5mg)、及び酢酸ナトリウム(126.1mg)から、Pt−Gd2O3/Cナノ粒子を得た。
触媒インクを、例1で得られた10mgのPt−Y2O3/Cナノ粒子を、1.25mLの超純水(MILLIQ品質)及び250μLの5%Nafion(登録商標)(Aldrich)溶液に懸濁して調製した。得られた懸濁液を2時間均質化した。
例3で説明した実験手順に従って、例2で得られた10mgのPt−Gd2O3/Cナノ粒子粉末を、1.25mLの超純水(MILLIQ品質)及び250μLの5%Nafion(登録商標)(Aldrich)溶液に懸濁して含む触媒インクから、作用電極を調製した。
試験した(作用電極−WE)正極は、
−例3の実験手順に従って調製したPt−Y2O3/Cナノ粒子を含む正極、
−例4の実験手順に従って調製したPt−Gd2O3/Cナノ粒子を含む正極、
−例3の実験手順に従って調製したPt/Cナノ粒子を含む正極
であり、Pt/Cナノ粒子は、例1の実験手順に従って、ヘキサクロロ白金酸ナトリウム6水和物(144mg)及び酢酸ナトリウム(126mg)から調製した。
試験した正極は、
−例3の実験手順に従って調製したPt−Y2O3/Cナノ粒子を含む正極、
−例3の実験手順に従って調製したPt/Cナノ粒子を含む正極
であった。Pt/Cナノ粒子は、例1の実験手順に従って、ヘキサクロロ白金酸ナトリウム6水和物(144mg)及び酢酸ナトリウム(126mg)から調製した。
−「油中水」方法によるPt−Y2O3/Cナノ粒子の調製
2つのマイクロエマルションを、5.60mLのBrij30(Sigma−Aldrich)と、1mLの超純水(Milli−Q、Millipore)と、27.35mLのn−ヘプタン(Sigma−Aldrich)とを混合することで調製した。
Pt−Gd2O3/Cナノ粒子を、上で説明した「油水中」実験手順に従って、GdCl3(15.8mg)と、ヘキサクロロ白金酸ナトリウム6水和物(78.7mg)とから調製した。
上で説明した「油水中」方法によってそれぞれ得られたPt−Y2O3/C及びPt−Gd2O3/Cのナノ粒子をそれぞれ含む正極を、例3で説明した実験手順に従って調製した。
「油水中」方法により得られたPt−Y2O3/C及びPt−Gd2O3/Cのナノ粒子の比活性度及び質量活性度を、例5で説明した実験手順で適用したものと同じ実験条件下で測定した。
−担体の調製
担体を、OrfanidiらのAppl.Catal.B,2011,106,379の出版物に記載された実験手順に従って調製した。
2モルの水酸化ナトリウム(NaOH)を、1モルの2−アミノテレフタル酸(H2ATPT、アクロスオーガニクス)を含む懸濁液中に加えた。それによって得られた溶液を蒸発乾燥した。それによって得られた粉末を、10mgの粉末に対して10mLのエタノールの量でエタノール(≧99.8%、CHROMASOLV、Sigma−Aldrich)中に加えて、1時間撹拌しながら還流して、濾過して、蒸留水で2回洗浄して空気中で室温で乾燥した。
NAVLY(HT−900)ナノ粒子の合成は、N.Alonso−VanteのFuel Cell,2006,6,182の出版物に記載された手順に従って達成した。
触媒インクを、例8で得られた5mgのNAVLY(HT−900)ナノ粒子粉末を532.5mLの超純水(MILLIQ品質)、77.5mLの2−プロパノール、及び40μLの5%Nafion(登録商標)(Aldrich)の溶液に懸濁して調製した。得られた懸濁液を2時間均質化した。
試験した(作用電極−WE)正極は、
−例9の実験手順に従って調製したNAVLY(HT−900)ナノ粒子を含む正極、
−例3の実験手順に従って調製したPt/C(JM)ナノ粒子を含む正極
であり、そのPt/C(JM)ナノ粒子は、Johnson−Matthey(登録商標)の商標の下で販売され、ナノ粒子の総質量に対して20mass%のカーボンブラック上に担持された白金を含む。
試験した正極は、
−例9の実験手順に従って調製したNAVLY(HT−900)タイプのナノ粒子を含む正極、
−例3の実験手順に従って調製したPt/C(JM)ナノ粒子を含む正極
であった。そのPt/C(JM)タイプのナノ粒子は、Johnson−Matthey(登録商標)(JM)の商標の下で販売され、ナノ粒子の総質量に対して20mass%のカーボンブラック上に担持した白金を含む。
−Pt−Y2O3/C、Pt−Gd2O3/C及びNAVLY(HT−900)タイプのナノ粒子それぞれを含む作用電極の調製
触媒インクを、例1で得られた5mgの粉末のPt−Y2O3/Cナノ粒子を1mLのエタノール及び20μLの10%Nafion(登録商標)(Aldrich)溶液に懸濁して調製した。得られた懸濁液を10分間均質化した。
−作用電極(WE)として、Pt−Y2O3/C、Pt−Gd2O3/C及びNAVLY(HT−900)タイプのナノ粒子をそれぞれ含む電極、
−対向電極としてのガラス状カーボンプレート、
−参照電極としての水素可逆電極(HRE)、及び
−水と、0.5Mに等しいモル濃度の硫酸(96%、Merck)と、0.5Mに等しいモル濃度のメタノール(99.9%、Sigma−Aldrich)とを含む電解液
を含む3個の電極を用いて標準電気化学セル中で行った。
Claims (22)
- 少なくとも白金と少なくとも1種の希土類とを含む少なくとも1種の白金化合物を含むナノ粒子であって、前記希土類が前記白金の表面で酸化物として存在する、ナノ粒子。
- 前記白金化合物が、以下の式(I)、
Pt−MyOx(式中、xが存在する希土類原子Mの数であり、yが存在する酸素原子の数である)を有する、請求項1に記載のナノ粒子。 - 触媒ナノ粒子は担持されている、請求項1又は2に記載のナノ粒子。
- イットリウム、ガドリニウム、サマリウム、セリウム、ユウロピウム、プラセオジム、スカンジウム、テルビウム、イッテルビウム、ツリウム、又は任意のそれらの混合物が存在する、請求項1又は2に記載のナノ粒子。
- 前記希土類の元素がイットリウム又はガドリニウムである、請求項1〜4のいずれか1項に記載のナノ粒子。
- 前記ナノ粒子の比活性度が120μA.cm-2 Pt以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のナノ粒子。
- 前記ナノ粒子の質量活性度が80mA.mg-1 Pt以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のナノ粒子。
- 前記ナノ粒子の平均サイズが0.1nmと10nmの間、例えば0.5nmと5nmの間、より具体的には2nmと3nmの間に含まれる、請求項1〜7のいずれか1項に記載のナノ粒子。
- (i)白金と少なくとも1種の希土類とを含むナノ粒子の前駆体を、一酸化炭素(CO)と接触させる工程、
(ii)熱処理によって得られた生産物をカルボニル化する工程、
(iii)好ましくは、担体を加える工程、及び
(iv)十分な温度で熱処理を行い、少なくとも形成したナノ粒子の表面で、希土類酸化物を形成する工程
を含む、熱処理工程を含むナノ粒子を調製するための方法。 - a.不活性雰囲気の下、Pt塩、希土類塩、酢酸塩及び溶媒を撹拌して混合する工程、
b.一酸化炭素を含む雰囲気下で、予め得られた混合物を加熱する工程、
c.一酸化炭素を含有する雰囲気を不活性雰囲気、例えば窒素に置き換えて、好ましくは、ナノ粒子の担体を加える工程、
d.溶媒を蒸発させて、ナノ粒子の粉末を得る工程、
e.二水素(dihydrogen)の存在下で、不活性ガスを含む雰囲気下において、80℃と600℃の間に含まれる温度でナノ粒子の粉末を熱処理する工程、並びに
f.処理した触媒粉末を洗浄してナノ粒子を得る工程
を含む、請求項9に記載の方法。 - 工程dの前に、不活性雰囲気下かつ室温で、工程cで得られた混合物中に担体を投入することをさらに含む、請求項9又は10に記載の方法。
- 前記担体が炭素担体、好ましくは活性炭担体である、請求項10又は11に記載の方法。
- (v)白金を含む少なくとも1種のナノ粒子の前駆体を、酢酸塩及び一酸化炭素(CO)と接触させる工程、
(vi)熱処理で得られた生産物をカルボニル化する工程、
(vii)少なくとも1種の配位高分子(MOF)と、少なくとも1種の希土類と、任意選択で担体とを含むナノ粒子の前駆体を追加する工程、並びに
(viii)十分な温度で熱処理を行い、少なくとも形成したナノ粒子の表面で希土類酸化物を形成する工程
を含む、ナノ粒子を調製するための方法。 - g.不活性雰囲気の下、Pt塩、酢酸ナトリウム及び溶媒を撹拌して混合する工程、
h.一酸化炭素を含有する雰囲気下で、予め得られた混合物を加熱する工程、
i.一酸化炭素を含有する雰囲気を不活性雰囲気に置き換える工程、
j.少なくとも1種の希土類と、2−アミノテレフタレート、1,3,5−ベンゼントリカルボキシレート、5−アミノイソフタレート、4,4’−オキシビス(安息香酸)、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボキシレート、又は4,4’−ビフェニルジカルボキシレートの中から選択される少なくとも1種の配位子とを含むMOF化合物を追加する工程であって、好ましくは炭素担体、特にカーボンナノチューブを追加する工程、
k.溶媒を蒸発させて、ナノ粒子の粉末を得る工程、
l.不活性ガスの雰囲気下において、100℃と1000℃の間に含まれる温度でナノ粒子の粉末を熱処理する工程、並びに
m.処理した触媒粉末を洗浄してナノ粒子を得る工程
を含む、請求項13に記載の方法。 - 工程jで投入した前記MOF化合物の量が、前記MOF化合物と共に工程jで投入した前記炭素の質量に対して、10mass%と20mass%の間に含まれ、好ましくは10mass%である、請求項13又は14に記載の方法。
- 工程jにおいて、不活性雰囲気下かつ室温で、工程iで得られた混合物中に担体を投入することをさらに含む、請求項13〜15のいずれか1項に記載の方法。
- 前記担体がカーボンナノチューブ、好ましくは、特に酸化されていることがある多層カーボンナノチューブからなる、請求項13〜16のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項9〜12のいずれか1項に記載の方法及び/又は請求項13〜17のいずれか1項に記載の方法によって得ることができるナノ粒子。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載のナノ粒子、又は、請求項9〜12のいずれか1項に記載の方法及び/若しくは請求項13〜17のいずれか1項に記載の方法によって得ることができるナノ粒子を含むインク。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載のナノ粒子、又は、請求項9〜12のいずれか1項に記載の方法及び/若しくは請求項13〜17のいずれか1項に記載の方法によって得ることができるナノ粒子を含む、水素燃料電池の正極(カソード)。
- 請求項19に記載のインクにより、前記ナノ粒子が表面上に堆積される、請求項20に記載の正極。
- 酸性媒体中における二酸素(dioxygen)の還元反応(RRO)のための触媒として、請求項1〜5のいずれかに記載のナノ粒子、又は請求項9〜12のいずれか1項に記載の方法及び/若しくは請求項13〜17のいずれか1項に記載の方法を用いて得ることができるナノ粒子、又は請求項19に記載のインクのナノ粒子の使用。
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