JP2019084484A - Palladium core platinum shell fine particle supported with carrier, and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、担体担持パラジウムコア白金シェル微粒子およびその製造方法に関し、さらに具体的には、白金シェルを形成する前の担体担持パラジウムコアをナトリウム水酸化物を利用して製造したコアシェル型微粒子に関する。 The present invention relates to a support-supported palladium core platinum shell fine particle and a method for producing the same, and more particularly to a core-shell type fine particle produced by using a sodium hydroxide for the support-supported palladium core before forming a platinum shell.
本特許明細書において用いている用語について、以下のように定義する。
シェル:ある微粒子を下地として、下地の周囲に下地とは異なる物質が層状または部分的層状もしくは粒子の部分的集合の形に配置されているときシェル構造を形成しているという。下地のナノ粒子をコア粒子とし、コアシェル構造ということもある。
The terms used in this patent specification are defined as follows.
Shell: It is said that a shell structure is formed when a substance different from the substrate is arranged in the form of layered or partially layered or partially aggregated particles around the substrate with a certain fine particle as the substrate. Underlying nanoparticles are used as core particles, sometimes referred to as core-shell structure.
水素を燃料とする固体高分子形燃料電池(以下、PEFCという)は、電動輸送車両が利用可能な環境に優しいエネルギー装置と考えられている。このPEFCの電気化学触媒として、金属ナノ粒子、例えばパラジウムコア白金シュルナノ粒子のような二元金属系金属粒子は、白金のみを使用している触媒と比べて高い酸素還元活性を示すため、また、貴重な白金の使用量の低減となるため、多大な関心を集めている。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) fueled by hydrogen is considered to be an environmentally friendly energy device that can be used by electric transportation vehicles. As metal catalysts such as bimetallic metal particles such as palladium-cored platinum-sur-nanoparticles as electrochemical catalysts of this PEFC show higher oxygen reduction activity than catalysts using only platinum, and It is of great interest to reduce the use of precious platinum.
二元金属系金属粒子を用いた金属ナノ粒子を含有する触媒は、触媒効果の最大化と導電性確保のため、活性炭、カーボンナノチューブ、グラフェンのような高い表面積を有する多孔質のカーボン材料に分散されて固定されるのが一般的である。 A catalyst containing metal nanoparticles using binary metal-based metal particles is dispersed in a porous carbon material having a high surface area such as activated carbon, carbon nanotubes, or graphene in order to maximize the catalytic effect and ensure conductivity. It is common to be fixed and fixed.
近年、複数種類の金属元素からなる金属ナノ粒子は、一種類の金属のみのナノ粒子と比べて異なる特性を示すことが明らかになってきている。このため、2種類の金属を合金化させた合金ナノ粒子や、ある金属ナノ粒子を別の金属で被覆したコアシェル型ナノ粒子などが盛んに研究され、種々の提案がなされている。 In recent years, it has become clear that metal nanoparticles composed of a plurality of types of metal elements exhibit different properties as compared to nanoparticles of only one type of metal. For this reason, alloy nanoparticles obtained by alloying two types of metals, core-shell type nanoparticles obtained by coating one metal nanoparticle with another metal, and the like are actively studied, and various proposals have been made.
コアシェル型ナノ粒子は、外部と接触するシェル層を均一に形成することができれば、シェル金属のみのナノ粒子とは異なる触媒活性が付与されると期待されている。これは、コア粒子が下地になることにより、シェル層の電子的な性質や結晶構造の幾何学的配置が修飾を受け、より効果的に目的とする反応の活性化エネルギーを低下させるためと推察されている。 It is expected that core-shell nanoparticles can be provided with different catalytic activity than nanoparticles of shell metal only if they can form a shell layer in contact with the outside uniformly. It is speculated that this is because, when the core particle becomes a base, the electronic properties of the shell layer and the geometrical arrangement of the crystal structure are modified, and the activation energy of the intended reaction is reduced more effectively. It is done.
また、触媒活性を持つ金属が非常に高価な場合は、コアシェル構造にすることで反応物と接触するシェル層に高価な金属を効果的に配置できるので経済的である。加えて、化学的に安定な貴金属をシェルとして均一に被覆することで、酸化、溶解しやすい卑金属を外部と遮蔽しつつ間接的に反応に関与させることができ、新たな触媒特性を発揮させることも可能になる。 In addition, when the metal having catalytic activity is very expensive, the core-shell structure is economical because the expensive metal can be effectively disposed in the shell layer in contact with the reactant. In addition, by uniformly coating a chemically stable noble metal as a shell, it is possible to indirectly participate in the reaction while shielding an easily oxidizable, soluble base metal from the outside, and to exhibit new catalytic properties. Will also be possible.
触媒用途のコアシェル型金属ナノ粒子のなかでも注目されているのがパラジウムコア白金シェル粒子である。白金ナノ粒子は、様々な化学反応の触媒として知られているが、コストが問題となっており、広範に使用されるまでには至っていない。コストを含めて十分な生産性が得られるプロセスに限定的に採用されているのみであった。 Among core-shell type metal nanoparticles for catalytic use, palladium core platinum shell particles are attracting attention. Platinum nanoparticles are known as catalysts for various chemical reactions, but cost is a problem and they have not been widely used. It has only been adopted in a limited manner in processes that can achieve sufficient productivity including costs.
少ない量の白金を効果的に使い、なるべく優れた触媒能を得ようという試みがなされており、近年では家庭用、自動車用の燃料電池の触媒のコストを下げるためにパラジウムコア白金シェル金属ナノ粒子が有効であると考えられるようになってきている。 Attempts have been made to use small amounts of platinum effectively and to obtain as good catalytic performance as possible, and in recent years palladium core platinum shell metal nanoparticles to lower the cost of catalysts for fuel cells for home and automobile use Is considered to be effective.
しかしながら、コアシェル型金属ナノ粒子の合成において、シェル層を均一に被覆することは非常に難しいため、合成条件は実験室における限定的なものが多く、さらに、粒子径がシングルナノメーターの小さな値になると電子顕微鏡による詳細な観察、および電子線やX線を用いた分析も難しさを増してくるため、コアシェル構造を証明するデータも不確実さが残る場合が多かった。そのため、均一なシェル層をもつコアシェル型金属ナノ粒子を低コストで安定な品質を保ちつつ量産するプロセスはまだ実現していない。 However, since it is very difficult to uniformly coat the shell layer in the synthesis of core-shell type metal nanoparticles, the synthesis conditions are often limited in the laboratory, and the particle diameter is reduced to a small value of single nanometer. As the observation by electron microscope and the analysis using electron beam and X-ray also become more difficult, the data for proving the core-shell structure often left uncertainty. Therefore, a process for mass-producing core-shell type metal nanoparticles having a uniform shell layer while maintaining stable quality at low cost has not been realized yet.
非特許文献1において、主に燃料電池用触媒用途に関してパラジウムコア白金シェル粒子が有望であることを示す主張がされている。 Non-Patent Document 1 claims that palladium cored platinum shell particles are promising mainly for fuel cell catalyst applications.
特許文献1と2には、電極上において電位を調整することでパラジウム粒子表面に銅の単原子層を形成させ、続いて白金塩を添加することにより銅と白金を置換するアンダーポテンシャル析出法が記載されている。この方法は原理上、単原子層のシェルを形成させることができる点で優れているが、材料に均一に電子が伝達されないことや、反応物質が均一に供給されないことなどの理由から、白金によるシェル被覆が十分にされない場合がある。また、実験室で少量のコアシェル粒子を形成させて特性を分析するという目的にはかなった方法であるが、量産の際の生産性や自動化を考えた場合にはまだ難点が残る方法である。 In Patent Documents 1 and 2, there is an underpotential deposition method in which a monoatomic layer of copper is formed on the surface of a palladium particle by adjusting the potential on the electrode and subsequently copper and platinum are substituted by adding a platinum salt. Have been described. Although this method is excellent in that it can form a shell of a single atomic layer in principle, it is based on platinum because electrons are not uniformly transmitted to the material and that the reactant is not uniformly supplied. Shell coverage may not be sufficient. In addition, although this method is suitable for the purpose of forming a small amount of core-shell particles in the laboratory and analyzing the characteristics, it is a method that still has difficulties when considering productivity and automation in mass production.
一方、電極を用いない無電解めっきによりシェルを形成させる方法も提案されている。特許文献3では、白金塩の種類を検討することでパラジウム粒子上に白金シェル層を形成させ、被覆率を測定しているが、満足なものではなく、シェル層が均一な厚さかどうかも確定的でない。 On the other hand, a method of forming a shell by electroless plating without using an electrode has also been proposed. In Patent Document 3, the platinum shell layer is formed on palladium particles by examining the type of platinum salt, and the coverage is measured, but it is not satisfactory and it is determined whether the shell layer has a uniform thickness. Not
コアシェル型金属微粒子を触媒として利用する場合、導電性があり、高表面積の微粒子や微粒子の連合体を担体に選び、その担体上に微粒子を目的にかなった密度で分布させることが重要であるため、粒子径はなるべく小さい方が望ましく、また、特性を揃えるために粒子径が揃っている方が望ましい。現在、触媒の調製法として用いられている含浸法では、担持された粒子が凝集しやすいこと、2種類以上の金属を均一に合金微粒子やコアシェル型微粒子にするのは困難なことなどが問題となっている。 When using a core-shell type metal fine particle as a catalyst, it is important to select fine particles having high conductivity and high surface area and a combination of fine particles as a carrier and distributing the fine particles at a desired density on the carrier. The particle diameter is preferably as small as possible, and in order to make the characteristics uniform, it is preferable that the particle diameters be uniform. At present, in the impregnation method currently used as a catalyst preparation method, supported particles are easily aggregated, and it is difficult to uniformly convert two or more types of metals into alloy particles or core-shell type particles. It has become.
反応液の加熱手段として、反応液にマイクロ波を照射することが行われている。特許文献4では、半導体発振器とマイクロ波共鳴キャビティを用い、連続フロー系の反応管を電場の定在波の最も大きな位置に配置することで、急速加熱や均一性を損なうことなく化学反応のための加熱を行う試みがなされている。シングルモード加熱方式と連続フロー系を組み合わせたこの方式は、マイクロ波加熱により反応が十分に促進され、短時間で完了する場合には極めて有用である。 As a heating means for the reaction solution, the reaction solution is irradiated with microwaves. Patent Document 4 uses a semiconductor oscillator and a microwave resonance cavity, and arranges a reaction tube of a continuous flow system at the largest position of a standing wave of an electric field, thereby achieving a chemical reaction without damaging rapid heating and uniformity. Attempts have been made to carry out heating. This method combining a single mode heating method and a continuous flow system is extremely useful when the reaction is sufficiently promoted by microwave heating and completed in a short time.
液相還元法を用いてコア粒子を合成することで、シェル形成などのその後の修飾がやりやすくなるが、バッチ法を用いて生産性を上げようとすると、加熱、撹拌の不均一により核形成が不均一になりやすく、粒子径が揃わないなどの弊害があった。このため、現時点では、粒子径の揃ったと称されている金属ナノ粒子のほとんどは実験室レベルであり、金属ナノ粒子を製造するにあたり、品質を犠牲にせず生産性を上げることは困難であった。
特に、パラジウムコア白金シェルナノ粒子は触媒用途として期待されているものの、均一なシェル層を安定な品質でコストを抑えて製造することは難しい。
By synthesizing core particles using liquid phase reduction, subsequent modifications such as shell formation can be easily performed, but when trying to increase productivity using a batch method, nucleation is caused by uneven heating and stirring. However, the particle size tends to be uneven, and other problems. Therefore, at present, most of the metal nanoparticles that are said to have uniform particle sizes are at the laboratory level, and it has been difficult to increase productivity without sacrificing quality when producing metal nanoparticles .
In particular, although palladium cored platinum shell nanoparticles are expected for catalytic applications, it is difficult to produce uniform shell layers with stable quality and cost savings.
この点に対応した技術として特許文献5には、パラジウムコア粒子の合成にマイクロ波加熱を用い、水酸化物イオンを添加することでシェル形成反応を調整し、均一な白金シェル層を形成して、安定な品質および生産性向上の両立を図る技術が記載されている。 As a technique corresponding to this point, Patent Document 5 uses microwave heating for synthesis of palladium core particles and adjusts the shell formation reaction by adding hydroxide ions to form a uniform platinum shell layer. A technology for achieving both stable quality and improved productivity is described.
燃料電池の酸素還元触媒用のコアシェル粒子の製造方法として様々な方法が提案されているが、いずれの方法も、連続的に、シェル層を安定な品質でコストを抑えて製造することが困難である。例えば、特許文献5に記載の方法は、ナトリウム水酸化物イオンを添加することでシェル形成反応を調整して均一な白金シェル層の形成を目指しているが、特許文献5には安定な品質と生産性の向上の両立を図るための細部の条件は記載されていない。 Although various methods have been proposed as methods for producing core-shell particles for fuel cell oxygen reduction catalysts, it is difficult for any method to continuously produce shell layers with stable quality and at low cost. is there. For example, while the method described in Patent Document 5 aims to form a uniform platinum shell layer by adjusting the shell formation reaction by adding sodium hydroxide ion, Patent Document 5 has stable quality and the like. Detailed conditions for achieving both productivity improvement are not described.
本発明の解決しようとする課題は、酸素還元触媒としての担体担持パラジウムコア白金シェルのコアシェル型微粒子、まず、特に重視されるカーボン担持パラジウムコア白金シェル(以下、PdPtとも記す)のコアシェル型微粒子の製造方法として、水酸化ナトリウム(NaOH)を含む反応液を流通させ、カーボン担体存在下でマイクロ波を照射して連続的にカーボン担持パラジウムコア粒子を安定して製造するための条件を見出すこと、および、カーボン担持パラジウムコア粒子を合成した後、そこにNaOH溶液と白金原料を添加してカーボン担体存在下で安定して白金シェル層を形成させ、高性能で生産性の良いPdPtコアシェル型微粒子を製造するための条件を見出すことにある。 The problems to be solved by the present invention are core-shell type fine particles of carrier-supporting palladium core platinum shell as oxygen reduction catalyst, core-shell type fine particles of carbon-supporting palladium core platinum shell (hereinafter also referred to as PdPt) particularly emphasized. As a production method, a reaction solution containing sodium hydroxide (NaOH) is circulated, and microwave irradiation is performed in the presence of a carbon support to find conditions for stably producing carbon-supported palladium core particles continuously. And, after synthesis of carbon-supported palladium core particles, an NaOH solution and a platinum raw material are added thereto to stably form a platinum shell layer in the presence of a carbon support, thereby providing high performance and high productivity PdPt core-shell type particles. It is about finding the conditions for manufacturing.
そして、本発明の解決しようとする課題は、上記の製造方法によって、高価な貴金属原料を無駄なく使用し、余分な工程を削減することによりPdPtコアシェル型微粒子を安価に提供することにある。 Then, the problem to be solved by the present invention is to provide PdPt core-shell type microparticles at low cost by using the expensive precious metal raw material without waste by the above manufacturing method and reducing the extra steps.
上記の課題を解決し、かかる目的を達成するため、本発明は、例えば以下のような構成を備える。 In order to solve the above problems and achieve the above object, the present invention has, for example, the following configuration.
すなわち、本発明に係る金属微粒子の製造方法は、パラジウム前駆物質、前記前駆物質の還元剤、パラジウムの担体としてのカーボンを含有する反応液を、マイクロ波照射空間内に配置された流通管内に流通させるとともに、該マイクロ波照射空間内の該流通管内に向けて、均一かつ集中的にマイクロ波を照射し、このマイクロ波照射により前記マイクロ波照射空間内の前記流通管内にある反応液をその流通方向の長さ方向全体にわたって、均一に加熱し、金属微粒子を生成させる金属微粒子の製造方法において、前記反応液には水酸化ナトリウムが含まれ、該水酸化ナトリウムの混合量により前記金属微粒子の径を制御することを特徴とする。 That is, in the method for producing metal fine particles according to the present invention, a reaction liquid containing a palladium precursor, a reducing agent for the precursor, and carbon as a carrier of palladium is distributed in a flow pipe disposed in a microwave irradiation space. The microwave is uniformly and intensively irradiated toward the flow pipe in the microwave irradiation space, and the reaction liquid in the flow pipe in the microwave irradiation space is circulated by the microwave irradiation. In the method for producing metal fine particles, which uniformly heats and produces metal fine particles over the entire longitudinal direction of the direction, the reaction solution contains sodium hydroxide, and the diameter of the metal fine particles is determined according to the mixing amount of sodium hydroxide. To control.
そして例えば、前記反応液に混合する水酸化ナトリウムの混合量により該反応液の水酸化物イオン濃度を制御することにより金属微粒子の径を制御することを特徴とする。 Then, for example, the diameter of the metal fine particles is controlled by controlling the hydroxide ion concentration of the reaction liquid by the mixing amount of sodium hydroxide mixed in the reaction liquid.
また、本発明に係る金属微粒子の製造装置は、マイクロ波照射空間と、該マイクロ波照射空間にマイクロ波を照射するマイクロ波発振器とを備えた金属微粒子の製造装置であって、前記流通管は、前記マイクロ波照射空間内に配置された部分に配置された部分を有し、前記反応液は前記マイクロ波照射空間内を流通するものであり、前記マイクロ波発振器から照射されるマイクロ波は、前記マイクロ波照射空間内において流通管内の反応液を流通方向の長さ方向全体にわたって均一に加熱するものであり、金属前駆物質と該金属前駆物質の還元剤とを含有する反応液を保持する反応液保持部と、前記反応液保持部に保持されている反応液に水酸化ナトリウム溶液を混合する混合手段とを備え、前記混合手段で混合された前記反応液を、前記流通管に流通させて金属微粒子を製造することを特徴とする。 The apparatus for producing metal fine particles according to the present invention is a apparatus for producing metal fine particles including a microwave irradiation space and a microwave oscillator for irradiating the microwave irradiation space with microwaves, and the flow pipe is And a portion disposed in the portion disposed in the microwave irradiation space, wherein the reaction solution flows in the microwave irradiation space, and the microwave emitted from the microwave oscillator is In the microwave irradiation space, the reaction liquid in the flow pipe is uniformly heated over the entire length direction of the flow direction, and the reaction containing the metal precursor and the reducing agent of the metal precursor is retained. And a mixing means for mixing a sodium hydroxide solution with the reaction liquid held in the reaction liquid holding part, wherein the reaction liquid mixed in the mixing means is the flow It is circulated in the tube, characterized in that to produce the fine metal particles.
そして例えば、前記混合手段は、前記反応液に混合する水酸化ナトリウムの混合量により該反応液の水酸化物イオン濃度を制御することにより金属微粒子の径を制御することを特徴とする。 And, for example, the mixing means is characterized in that the diameter of the metal fine particles is controlled by controlling the hydroxide ion concentration of the reaction liquid by the mixing amount of sodium hydroxide mixed in the reaction liquid.
以下、本発明の例を具体的に説明する。
課題を解決するためになされた第1の発明(以下、発明1という)は、アルコール類を分散媒とし、担体が分散している分散液にパラジウム前駆体(パラジウム原料)を加えて反応原料液とし、マイクロ波加熱することで前記パラジウム原料を還元して担体担持パラジウム微粒子を合成する担体担持パラジウム微粒子コロイドの製造方法であって、水酸化カリウムを除く水酸化物イオンを分散媒中に生成する機能を有する添加剤を添加することを特徴とする担体担持パラジウム微粒子コロイドの製造方法である。
Hereinafter, examples of the present invention will be specifically described.
In the first invention (hereinafter referred to as invention 1) made to solve the problems, an alcohol is used as a dispersion medium, and a palladium precursor (palladium raw material) is added to a dispersion in which a carrier is dispersed, and a reaction raw material liquid It is a manufacturing method of carrier-supported palladium fine particle colloid which reduces the said palladium raw material by carrying out microwave heating, and synthesizes a carrier-supported palladium fine particle, and generates hydroxide ion except potassium hydroxide in a dispersion medium It is a method for producing a carrier-supported palladium fine particle colloid characterized by adding an additive having a function.
発明1を展開してなされた第2の発明(以下、発明2という)は、発明1において、前記アルコール類がエチレングリコールであり、前記担体がカーボン微粒子であり、前記パラジウム前駆体がテトラクロロパラジウム(2)酸ナトリウムであり、前記添加剤として、前記パラジウム原料の物質量の4〜7倍の物質量の水酸化ナトリウムを添加し、カーボン担持パラジウム微粒子触媒をマイクロ波連続加熱法で製造する工程を含むことを特徴とする担体担持パラジウム微粒子コロイドの製造方法である。 In a second invention (hereinafter referred to as invention 2) developed by developing invention 1, in the invention 1, the alcohol is ethylene glycol, the carrier is carbon fine particles, and the palladium precursor is tetrachloropalladium. (2) A process of producing carbon-supported palladium fine particle catalyst by microwave continuous heating method by adding sodium hydroxide which is sodium acid and 4 to 7 times the substance weight of the palladium raw material as the additive. It is a method for producing a carrier-supported palladium fine particle colloid, characterized in that the method comprises:
発明1または2を展開してなされた第3の発明(以下、発明3という)は、発明1または2において原料の担体分散液に燃料電池用アイオノマーを添加していることを特徴とする担体担持パラジウム微粒子コロイドの製造方法である。 A third invention (hereinafter referred to as invention 3) developed by expanding invention 1 or 2 is characterized in that a fuel cell ionomer is added to the carrier dispersion of the raw material in invention 1 or 2 It is a manufacturing method of palladium fine particle colloid.
発明3を展開してなされた第4の発明(以下、発明4という)は、発明3において、前記添加されているアイオノマーがパーフルオロフッ化スルホニルビニルエーテルとテトラフルオロエチレンの共重合体であることを特徴とする担体担持パラジウム微粒子コロイドの製造方法である。 A fourth invention (hereinafter referred to as invention 4) developed by developing invention 3 is that, in invention 3, the ionomer to be added is a copolymer of perfluorofluorinated sulfonyl vinyl ether and tetrafluoroethylene. It is a method for producing a carrier-supported palladium fine particle colloid characterized by the above.
上記の課題を解決するためになされた第5の発明(以下、発明5という)は、発明1〜4のいずれかに記載の方法で製造したコロイドを原料とし、白金前駆体を含む溶液と、水酸化カリウムを除く水酸化物イオンを分散媒中に生成する機能を有する添加剤を加えて反応原料液とし常温で反応させることで担体担持パラジウムコア粒子に白金シェルを形成する担体担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の製造方法であって、前記白金前駆体溶液(白金原料)に前記添加剤を加えた後の、遊離、配位、吸着している水酸化カリウムを除く水酸化物イオン濃度が前記白金原料の物質量の2〜6倍になることを特徴とする担体担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の製造方法である。 A fifth invention (hereinafter referred to as invention 5) made to solve the above problems is a solution containing as a raw material a colloid produced by the method according to any of inventions 1 to 4 and containing a platinum precursor, Additives having the function of generating hydroxide ions other than potassium hydroxide in a dispersion medium to form a reaction support liquid at room temperature to form a platinum shell on a support-supported palladium core particle to form a platinum shell. It is a manufacturing method of shell particulates catalyst, and after adding the above-mentioned additive to the above-mentioned platinum precursor solution (platinum raw material), hydroxide ion concentration except free, coordination, adsorption potassium hydroxide is the above-mentioned It is a method for producing a carrier-supported palladium core platinum shell microparticle catalyst characterized in that the amount is 2 to 6 times the substance mass of the platinum raw material.
発明5を展開してなされた第6の発明(以下、発明6という)は、発明5において、前記白金原料がヘキサクロロ白金(4)酸イオン含有溶液であり、前記添加剤が水酸化ナトリウムであり、該水酸化ナトリウム溶液を添加した後の、遊離、配位、吸着している水酸化カリウムを除く水酸化物イオン濃度が前記白金原料の物質量の2〜6倍になることを特徴とする担体担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の製造方法である。 According to a sixth invention (hereinafter referred to as invention 6) made by developing invention 5, in the invention 5, the platinum raw material is a solution containing hexachloroplatinum (4) acid ion, and the additive is sodium hydroxide After the addition of the sodium hydroxide solution, the concentration of hydroxide ions excluding free, coordinated, adsorbed potassium hydroxide is 2 to 6 times the substance mass of the platinum material. It is a manufacturing method of a carrier-supported palladium core platinum shell particulate catalyst.
発明5を展開してなされた第7の発明(以下、発明7という)は、発明5において前記担体がカーボン微粒子であり、カーボン担持パラジウム微粒子触媒をマイクロ波連続加熱法で製造し、カーボン担持パラジウム微粒子コロイドの形成工程と常温による白金シェル形成工程がひと続きの流路によりつながった、連続フロー法で行うことでカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒を製造する工程を含むことを特徴とする担体担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の製造方法である。 A seventh invention (hereinafter referred to as invention 7) developed by developing invention 5 is the method according to invention 5, wherein the support is carbon fine particles, and the carbon-supported palladium fine particle catalyst is produced by a microwave continuous heating method. Carrier-support comprising a step of producing a carbon-supported palladium-cored platinum-shell particulate catalyst by continuous flow method in which a step of forming fine particle colloid and a step of forming platinum shell at normal temperature are connected by a continuous flow path It is a manufacturing method of a palladium core platinum shell particulate catalyst.
発明7を展開してなされた第8の発明(以下、発明8という)は、発明7において、前記パラジウムコア白金シェル微粒子触媒を乾燥粉にした際、ナトリウムイオンが該乾燥粉に残存していることを特徴とする担体担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の製造方法である。 According to an eighth invention (hereinafter referred to as the eighth invention) made by developing the seventh invention, in the seventh invention, when the palladium core platinum shell fine particle catalyst is made into a dry powder, sodium ions remain in the dry powder. It is a manufacturing method of the support | carrier support palladium core platinum shell fine particle catalyst characterized by the above-mentioned.
発明5〜8を展開してなされた第9の発明(以下、発明9という)は、発明5〜8のいずれかにおいて、原料の担体分散液に燃料電池用アイオノマーを添加していることを特徴とする担体担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の製造方法である。 The ninth invention (hereinafter referred to as the ninth invention) made by developing the fifth invention is characterized in that, in any one of the fifth to eighth inventions, the fuel cell ionomer is added to the carrier dispersion of the raw material. It is a manufacturing method of the support | carrier support palladium core platinum shell fine particle catalyst made as this.
発明9を展開してなされた第10の発明(以下、発明10という)は、発明9において、前記添加されているアイオノマーがパーフルオロフッ化スルホニルビニルエーテルとテトラフルオロエチレンの共重合体であることを特徴とする担体担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の製造方法である。 A tenth invention (hereinafter referred to as invention 10) developed by developing invention 9 is that, in invention 9, the ionomer to be added is a copolymer of perfluorofluorinated sulfonyl vinyl ether and tetrafluoroethylene. It is a method for producing a carrier-supported palladium core platinum shell particulate catalyst characterized by the present invention.
上記課題を解決するためになされた第11の発明(以下、発明11という)は、発明5〜10のいずれかに記載の製造方法で製造されたことを特徴とするカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子である。 The eleventh invention (hereinafter referred to as the invention 11) made to solve the above-mentioned problems is manufactured by the manufacturing method according to any of the inventions 5 to 10, characterized in that it is manufactured by a carbon-supported palladium core platinum shell fine particle It is.
上記課題を解決するためになされた第12の発明(以下、発明12という)は、発明5〜10のいずれかに記載の製造方法で製造されたカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子を触媒として使用したことを特徴とする固体高分子形燃料電池である。 The twelfth invention made to solve the above problems (hereinafter referred to as the invention 12) uses, as a catalyst, a carbon-supported palladium-cored platinum shell fine particle manufactured by the manufacturing method according to any of the inventions 5 to 10 It is a polymer electrolyte fuel cell characterized in that.
発明1〜12を参照すると共に、実施例などを参照しつつ課題を解決するためになされた第13の発明(以下、発明13という)は、0.1M過塩素酸水溶液を、幅14.5cm、高さ12.5cm、300ml以上の容量を有する対流ボルタンメトリー測定用ガラス製5つ口フラスコに加え、3L/分の窒素を30分間バブリングして酸素を追い出したものを電解液として、白金が0.96μg含まれるように触媒インクを塗布したグラッシーカーボン部分の直径5mmのグラッシーカーボン回転電極に、
温度25℃において、可逆水素電極を参照電極とした電位0.6Vを3秒間、1.0Vを3秒間の方形波を1サイクルとして電位サイクルを印加する耐久性試験を行ったとき、
0.1M過塩素酸水溶液を前記フラスコに加え、3L/分の酸素を30分間バブリングして窒素を追い出したものを電解液として使用し、
前記電極の回転速度1600[回転/分]、温度25℃、20[mV/秒]の高電位側への走査速度、の条件において、
可逆水素電極を参照電極とした電位0.9Vにおける酸素還元電流値をKoutecky−Levich式より導き、溶液抵抗を補償して算出する質量活性算出法を使用して、
10000電位サイクル後の酸素還元触媒としての白金質量活性、すなわち前記質量活性算出法における電流値を塗布した白金量0.96μgで除した値が耐久性試験前の質量活性の95%以上を維持できていることを特徴とするパラジウムコア白金シェル微粒子触媒である。
The thirteenth invention (hereinafter referred to as the invention 13) made to solve the problems referring to the examples 1 to 12 while referring to the inventions 1 to 12 is a 0.1 M aqueous solution of perchloric acid with a width of 14.5 cm. In addition to a glass 5-neck flask for measurement of convective voltammetry having a height of 12.5 cm and a volume of 300 ml or more, 3 liters / minute of nitrogen was bubbled for 30 minutes to remove oxygen as an electrolyte, and platinum was 0 On a 5 mm diameter glassy carbon rotary electrode of the glassy carbon portion coated with catalyst ink to contain .96 μg
When a durability test is performed at a temperature of 25 ° C., using a reversible hydrogen electrode as a reference electrode and applying a potential cycle of 0.6 V for 3 seconds and 1.0 V for 3 seconds with a square wave as one cycle,
An aqueous solution of 0.1 M perchloric acid is added to the flask, and 3 L / min of oxygen is bubbled for 30 minutes to use nitrogen as an electrolyte.
Under the conditions of a rotational speed of 1600 [rotation / min] of the electrode, a temperature of 25 ° C., and a scanning speed to the high potential side of 20 [mV / sec],
Using a mass activity calculation method to calculate the oxygen reduction current value at a potential of 0.9 V with the reversible hydrogen electrode as the reference electrode by using the Koutecky-Levich equation and compensating for the solution resistance,
The platinum mass activity as an oxygen reduction catalyst after 10000 potential cycles, that is, the value obtained by dividing the current value in the mass activity calculation method by the coated platinum amount of 0.96 μg can maintain 95% or more of the mass activity before the durability test It is a palladium core platinum shell particulate catalyst characterized by being.
発明13を展開してなされた第14の発明(以下、発明14という)は、発明5〜10のいずれかに記載の製造方法を用いて製造された担体担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒において、発明13に記載の質量活性算出法によって算出したパラジウムコア白金シェル微粒子触媒の質量活性値が、初期活性がにおいて300〜400[A/g]であることを特徴とするパラジウムコア白金シェル微粒子触媒である。 The fourteenth invention (hereinafter referred to as the invention 14) developed by developing the invention 13 is an invention in a support-supported palladium core platinum shell fine particle catalyst manufactured using the manufacturing method according to any of the inventions 5-10. A palladium core platinum shell particulate catalyst characterized in that a mass activity value of the palladium core platinum shell particulate catalyst calculated by the mass activity calculation method described in 13 is 300 to 400 [A / g] in initial activity. .
本発明の見出した方法によるカーボン担持パラジウムコア白金シェルのコアシェル型微粒子におけるカーボン担持パラジウムコア粒子の合成に水酸化ナトリウムを用い水酸化物イオン濃度を適切に調整すれば、前記微粒子が触媒用微粒子の場合、触媒性能が高く、耐久性の優れたカーボン担持パラジウムコア白金シェルのコアシェル型微粒子を、安価に提供することができる。 If sodium hydroxide is used for the synthesis of carbon-supported palladium core particles in the core-shell type fine particles of carbon-supported palladium core platinum shell according to the method found by the present invention, the above-mentioned particles become catalyst fine particles if the hydroxide ion concentration is appropriately adjusted. In the case, it is possible to inexpensively provide core-shell type fine particles of carbon-supporting palladium-cored platinum shell having high catalytic performance and excellent durability.
1:パラジウムコア粒子の原料塩、カーボン担体、水酸化ナトリウム水溶液を溶媒に溶解、分散させた原料液およびそれを送液するポンプ
2:マイクロ波キャビティ反応系
3:白金シェル層形成液及びその送液ポンプ系
4:白金シェル層形成用原料液及び送液ポンプ系
5a,5b:ミキサーを用いる工程
6:白金シェル形成反応用タンク
7:カーボン担持パラジウムコア白金シェル触媒
7a:カーボン担体
7b:パラジウムコア白金シェル触媒
8a:負荷応答耐久性試験における初期活性を100%として表した点
8b:白金シェル形成反応用タンク
8c:負荷応答耐久性試験10000サイクル後の質量活性の維持率を表した点
8d:8aと8bを結んだ線
8e:8bと8cを結んだ線
1: Raw material solution of palladium core particles, carbon carrier, sodium hydroxide aqueous solution dissolved and dispersed in solvent and pump for feeding it 2: Microwave cavity reaction system 3: Platinum shell layer forming solution and its delivery Liquid pump system 4: Raw material liquid for forming platinum shell layer and liquid feed pump system 5a, 5b: Process using mixer 6: Tank for platinum shell formation reaction 7: Carbon supported palladium core platinum shell catalyst 7a: carbon carrier 7b: palladium core Platinum shell catalyst 8a: Point 8b where initial activity in load response durability test is represented as 100% 8: Tank for platinum shell formation reaction 8c: load response durability test point 8 where retention rate of mass activity after 10000 cycles is represented: Line 8e connecting 8a and 8b: Line connecting 8b and 8c
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態例について詳細に説明する。なお、説明に用いる各図は本発明の例を理解できる程度に各構成要素の寸法、形状、配置関係などを概略的に示してある。また、本発明の説明の都合上、部分的に拡大率を変えて図示する場合もあり、必ずしも実施例などの実物と相似形でない場合もある。また、各図において、同様の構成には同一番号を付して重複説明を省略する。さらに、以下の説明では、誤解が生じない範囲において、金属微粒子の製造方法の説明で金属微粒子や金属微粒子の製造装置の説明を兼ねる場合があり、また、その逆の場合もある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The drawings used for the description schematically show the dimensions, shapes, arrangement relationships, and the like of the respective constituent elements to the extent that the example of the present invention can be understood. Further, for convenience of the description of the present invention, the enlargement ratio may be partially changed for illustration, and may not necessarily be similar to the real thing such as the embodiment. Moreover, in each figure, the same number is attached | subjected to the same structure and duplication description is abbreviate | omitted. Furthermore, in the following description, in the range where misunderstanding does not occur, the description of the method of producing metal fine particles may also serve as the description of a metal fine particle or a device for producing metal fine particles, and vice versa.
カーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子を製造する上でとりわけ大きな課題なのが、コストの低減と品質の向上である。できるだけ触媒性能が高く、耐久性に優れた性能を有し、安価に製造できる製造方法が望まれる。 Particularly important issues in producing carbon-supported palladium cored platinum shell fine particles are cost reduction and quality improvement. It is desirable to have a manufacturing method that has as high catalytic performance as possible, has excellent durability, and can be manufactured inexpensively.
置換めっき、無電解めっきにおいて、導電性担体に担持されたコア金属粒子にシェル構造を形成させるのは、さらに難易度が上がる。担体が導電性であるので電子が担体を流れ、酸化反応と還元反応が離れた位置で起こるおそれがあり、また、担体上でシェル金属の単独粒子が生成する副反応が生じるおそれもある。 Forming a shell structure on core metal particles supported on a conductive support in displacement plating and electroless plating is further difficult. Since the carrier is conductive, electrons may flow through the carrier, and the oxidation reaction and the reduction reaction may occur at separate positions, and there may also be a side reaction in which single particles of shell metal are formed on the carrier.
均一なシェル構造を有するコアシェル金属微粒子の形成にはめっきと類似の工程が必要と思われるが、既存のめっき手法をそのまま適用できるわけではない。しかし、微粒子の表面全体にわたって、粒子内においても粒子間においても副反応なく均一にシェル層を成長させるためには、シェル原料物質の供給と反応性ができるだけ均一である必要がある。 The formation of core-shell metal fine particles having a uniform shell structure may require a process similar to plating, but existing plating methods can not be applied as they are. However, in order to uniformly grow the shell layer without side reactions both in particles and between particles over the entire surface of the fine particles, it is necessary that the supply and reactivity of the shell raw material be as uniform as possible.
シェル原料物質の供給が均一であるためには、反応速度が速すぎないことが必要である。反応性については、できるだけ、パラジウムコア粒子の表面にピンホールがなく白金シェル層が形成される反応のみを進行させ、シェル層形成完了後は反応が進行しない様に制御することが望ましい。 In order for the shell stock material supply to be uniform, it is necessary that the reaction rate not be too fast. With regard to the reactivity, it is desirable to control so that only reaction in which a platinum shell layer is formed without pinholes on the surface of a palladium core particle is advanced as much as possible and reaction does not proceed after shell layer formation is completed.
例えば、不要な副反応経路を抑制するために、白金塩がパラジウムコア粒子、またはパラジウムコア粒子を下地とする白金シェル層表面と接触したときのみ0価の金属として析出することが必須である。つまり、下地コア粒子と接触していないのに周囲の化学種から電子を引き抜いて金属核になったり、すでに存在する白金シェル層の上に過剰なシェル層を形成するような反応は抑えなければならない。また、置換めっきにより溶媒中へ遊離したパラジウム(2)イオンが何らかのかたちで再び還元されてもいけない。 For example, in order to suppress unnecessary side reaction pathways, it is essential that the platinum salt precipitates as a zero-valent metal only when it comes in contact with a palladium core particle or a platinum shell layer surface having the palladium core particle as a base. In other words, it is not necessary to suppress reactions that pull electrons out of surrounding chemical species to form metal nuclei or form an excess shell layer on the already existing platinum shell layer even though they are not in contact with the underlying core particles. It does not. Also, palladium (2) ions liberated into the solvent by displacement plating can not be reduced again in any form.
このような反応制御を、反応液中に存在するすべてのパラジウムコア粒子と白金シェル原料塩について実現するために、添加剤を何種類も加えたりする方法は反応条件が不均一になりがちであり、とりわけ、PEFCにおいては触媒表面への有機分子の付着は活性を低下させるおそれがあり、念入りな洗浄工程が必要となってしまう。 In order to realize such reaction control for all palladium core particles and platinum shell raw material salts present in the reaction liquid, the method of adding many kinds of additives tends to be uneven reaction conditions. In particular, in PEFC, the adhesion of organic molecules to the catalyst surface may reduce the activity, which requires a careful washing step.
ここでは、液相還元法を用いてコア粒子を合成することで、シェル形成などのその後の修飾が容易になるが、バッチ法を用いて生産性を上げようとすると、加熱、撹拌の不均一により核形成が不均一になりやすく、粒子径が揃わないなどの弊害がでてくる。現在知られている粒子径の揃ったと称されている金属ナノ粒子のほとんどは実験室スケールで合成されたものであり、金属微粒子を製造するにあたり、品質を犠牲にせず生産性を上げることの難しさが証明されることにもなる。 Here, the core particles are synthesized using liquid phase reduction, which facilitates subsequent modifications such as shell formation, but when it is intended to increase productivity using a batch method, uneven heating and stirring are possible. As a result, nucleation tends to be nonuniform, and adverse effects such as non-uniform particle diameter may occur. Most of the metal nanoparticles known to have a uniform particle size are synthesized on a laboratory scale, and it is difficult to increase productivity without sacrificing quality when producing metal particles. It will be proved.
液相還元法における反応液の加熱手段として、特許文献5に記載された発明のように、反応液にマイクロ波を照射することが行われている。すなわち、ここでは、半導体発振器とマイクロ波共鳴キャビティを用い、連続フロー系の反応管を電場の定在波の最も強度の高い位置に配置することで、急速加熱で均一性を損なうことのない化学反応のための加熱を行っている。寸法と共鳴周波数を適合させたキャビティ内において単独の電磁場のモードを発生させる方式であるシングルモード加熱方式が特に好ましく、マイクロ波加熱により反応が十分に促進され、短時間で完了させる場合には極めて有用である。加えて、バッチ法で問題となる加熱、反応の不均一も著しく改善できる。 As a means for heating the reaction liquid in the liquid phase reduction method, microwave irradiation of the reaction liquid is performed as in the invention described in Patent Document 5. That is, in this case, by using a semiconductor oscillator and a microwave resonant cavity, the reaction tube of the continuous flow system is disposed at the highest position of the standing wave of the electric field, so that the chemistry does not lose uniformity by rapid heating. It is heating for the reaction. Particularly preferred is single-mode heating, which is a method of generating a single mode of electromagnetic field in a cavity whose size and resonance frequency are matched, in which case the reaction is sufficiently promoted by microwave heating and completed in a short time. It is useful. In addition, heating and reaction non-uniformities, which are problems in batch processes, can be significantly improved.
触媒用微粒子としてパラジウムコア白金シェルを合成する場合、微粒子を合成してから担持する方法には、均一な担持が難しく貴金属微粒子のロスがあるという困難と、分散剤の除去工程が必要という困難などがある。触媒微粒子を担体と混合して担持する場合、カーボン担体表面にもれなく触媒微粒子を吸着担持させるのは難しく、そうかといって触媒微粒子を過剰に加えるとカーボン担体上で凝集が起き、有効に利用できない触媒表面が生じたり、担持されない遊離の触媒微粒子が生じたりして、貴金属原料が触媒として有効に機能しなくなってしまう。PEFCにおいて、電池反応に関与しない高分子分散剤や有機化合物は、触媒表面に吸着して活性サイトを塞いだり、一酸化炭素となって触媒の被毒の原因になったりして電池の不具合の原因になるので、そのような物質は極力除去しておく必要がある。しかし、高表面積のカーボンを担体とした場合、高分子分散剤や界面活性剤など疎水基を有する化合物はカーボン担体に吸着しやすく、除去しづらい。完全に除去するには念入りな洗浄の繰り返しや不活性雰囲気下での焼成などが必要であり、工程数が増えてコスト増になる。このため、マイクロ波加熱により貴金属微粒子をカーボン担体に担持させる方法を用いれば、金属微粒子触媒を均一に担体に担持でき、条件を整えれば貴金属原料をほぼすべて触媒として転換させることも可能であり、非常に有用である。 In the case of synthesizing a palladium core platinum shell as fine particles for catalyst, it is difficult to uniformly support the method of supporting fine particles after synthesis, and it is difficult to have a loss of precious metal fine particles, and a difficulty of removing dispersants etc. There is. In the case where the catalyst fine particles are mixed with a carrier and supported, it is difficult to adsorb and carry the catalyst fine particles on the surface of the carbon carrier, and if too much catalyst particles are added, aggregation occurs on the carbon carrier and can not be effectively used. The surface of the catalyst may be generated, or the free supported fine catalyst particles may be generated, so that the precious metal raw material may not function effectively as a catalyst. In PEFC, polymer dispersants and organic compounds that do not participate in battery reactions adsorb to the catalyst surface and block active sites, or become carbon monoxide to cause poisoning of the catalyst and cause battery failure. It is necessary to remove such substances as much as possible because it causes the problem. However, when carbon having a high surface area is used as a carrier, a compound having a hydrophobic group such as a polymer dispersant or a surfactant is easily adsorbed to the carbon carrier and difficult to remove. Complete removal requires careful washing and firing under an inert atmosphere, which increases the number of processes and costs. Therefore, if a method of supporting noble metal fine particles on a carbon support by microwave heating is used, the metal fine particle catalyst can be uniformly supported on the support, and if the conditions are adjusted, almost all noble metal raw materials can be converted as catalysts. , Very useful.
マイクロ波をよく吸収する溶媒を用いることで、ヒーターやオイルバスなどの通常加熱よりも急速に加熱を行うことができ、短時間での反応の完結、エネルギーの有効利用などの利点がある。その観点から、これに狭く限定されないが、本発明の実施の形態例の一つでは、マイクロ波をよく吸収する代表的な溶媒であり、短時間でその沸点(196℃)近くまで加熱することができるエチレングリコールを用いた。 By using a solvent that absorbs microwaves well, heating can be performed more rapidly than ordinary heating such as a heater or an oil bath, and there are advantages such as completion of the reaction in a short time and effective use of energy. From that point of view, although it is not narrowly limited to this, in one of the embodiments of the present invention, it is a typical solvent that absorbs microwaves well, and heating to near its boiling point (196 ° C.) in a short time The ethylene glycol which can be used was used.
さらに、本発明の実施の形態例では、原料金属塩を還元することで金属ナノ粒子を合成している。この反応は、化学式で表現すると、
M+(金属イオン)+ e-(還元剤から供給される電子) → M0(金属)・・・(1)
となる。
上記化学式の右項の0価の金属が数千個程度集まることで金属微粒子が構成される。
Furthermore, in the embodiment of the present invention, metal nanoparticles are synthesized by reducing the raw material metal salt. This reaction is expressed by a chemical formula:
M + (metal ion) + e - (electron is supplied from the reducing agent) → M 0 (metal) (1)
It becomes.
Metal particles are formed by collecting several thousands of zero-valent metals in the right term of the above chemical formula.
上記の金属イオンの原料や、電子を供給するための還元剤に何を用いるかで様々な製造方法が考えられるが、本発明の実施の形態例では、金属イオンとしてテトラクロロパラジウム酸ナトリウムと塩化白金酸を、還元剤としてエチレングリコールを用いた。 Although various manufacturing methods can be considered depending on what is used as the above-described metal ion raw material and reducing agent for supplying electrons, in the embodiment of the present invention, sodium tetrachloropalladate and chloride are used as metal ions. Platinum acid was used and ethylene glycol was used as a reducing agent.
エチレングリコールは加熱されると還元力をもつようになり、化学式では、
エチレングリコール → e- + エチレングリコール酸化産物+水素イオン・・・(2)
と表現される。
マイクロ波で金属原料塩を含んだエチレングリコールを急速に加熱することで、エチレングリコールから急速に電子が多量に供給され、原料金属塩が急速に還元されることによって粒子径の小さい微粒子が合成できる。一方、ゆるやかな加熱では金属粒子の核形成と結晶成長が穏やかになり、粒子径の大きいナノまたはミクロン粒子が生成される傾向がある。
Ethylene glycol has a reducing power when heated, and in the chemical formula
Ethylene glycol → e - + ethylene glycol oxidation products + hydrogen ions (2)
It is expressed as
By rapidly heating ethylene glycol containing a metal source salt by microwaves, a large amount of electrons can be rapidly supplied from ethylene glycol, and microparticles of small particle size can be synthesized by rapid reduction of the source metal salt. . On the other hand, moderate heating tends to moderate the nucleation and crystal growth of metal particles and to produce nano or micron particles having a large particle size.
上記の式(2)では、エチレングリコールからの電子の供給とともに水素イオンが放出されるが、これが蓄積すると反応速度が減少し、粒子径の小さなナノ粒子が形成されづらくなる。しかし、水酸化物イオンを分散媒中に生成する機能を有する化合物を添加しておくことで水素イオン濃度の増大を抑制することができ、高い反応速度を維持することが可能となり、結果として粒子径の小さな微粒子を製造することができる。 In the above formula (2), hydrogen ions are released along with the supply of electrons from ethylene glycol, but their accumulation reduces the reaction rate, making it difficult to form nanoparticles with a small particle size. However, by adding a compound having a function of generating hydroxide ions in the dispersion medium, it is possible to suppress an increase in hydrogen ion concentration, and it becomes possible to maintain a high reaction rate, resulting in particles Small particles of small diameter can be produced.
水酸化物イオンを分散媒中に生成する機能を有する化合物の一例として、水酸化物を含む水酸化塩類である、水酸化アルミニウム、水酸化アンモニウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、水酸化マグネシウム、水酸化鉄、水酸化銅、水酸化マンガン、水酸化亜鉛、水酸化ランタンなどを挙げることができるが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、分散媒中で解離することで水酸化物イオンを生成する物質として、炭酸塩類などが挙げられるが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Aluminum hydroxide, ammonium hydroxide, calcium hydroxide, sodium hydroxide, magnesium hydroxide, which is a hydroxide salt containing a hydroxide, as an example of a compound having a function of generating hydroxide ions in a dispersion medium Although iron hydroxide, copper hydroxide, manganese hydroxide, zinc hydroxide, lanthanum hydroxide etc. can be mentioned, this invention is not limited to these. Moreover, although carbonate etc. are mentioned as a substance which produces | generates a hydroxide ion by dissociating in a dispersion medium, This invention is not limited to these.
本発明の実施の形態例では、コアについてはマイクロ波加熱を用いて小さな粒子径のパラジウムコア粒子を合成し、白金のシェルについては、塩化白金酸を常温でゆっくりと反応させることで、白金単独の微粒子の生成を抑制し、均一な厚みのシェルを形成させている。これらの場合においては、水酸化ナトリウムを還元反応の促進剤として用いることを特徴としている。ここでは、水酸化カリウムを除く水酸化物イオンを分散媒中に生成する機能を有する添加剤として水酸化ナトリウムを添加することにより、高温での還元反応はより速くなるとともに、常温でもゆるやかに反応が進行するようになる。このため、均一な厚みのシェルを形成させることができるが、特に水酸化ナトリウムを用いることにより、シェルをより高品質に形成することが可能となる。 In the embodiment of the present invention, palladium core particles having a small particle diameter are synthesized using microwave heating for the core, and platinum shells are reacted slowly at room temperature by using platinum platinum alone. The formation of shells of uniform thickness is formed. In these cases, it is characterized by using sodium hydroxide as an accelerator for the reduction reaction. Here, the addition of sodium hydroxide as an additive having the function of generating hydroxide ions other than potassium hydroxide in the dispersion medium makes the reduction reaction at high temperature faster and makes the reaction mild even at room temperature. Will proceed. For this reason, although the shell of uniform thickness can be formed, it becomes possible to form a shell with higher quality by using sodium hydroxide especially.
なお、水素イオン濃度の増大を抑制する化合物としてアミン類も考えられるが、アミン類がパラジウム原料や白金原料と錯体を形成したり、生成した微粒子表面に吸着する傾向が強いため、これら原料の反応性や粒子成長の様子が複雑に変化してしまう。金属の水酸化物も水酸化物イオンの供給源として考えられるが、エチレングリコール中で十分に溶解するものでなければならない。以降において詳述するように、本発明の発明者らは多くの実験の結果、カーボン担持パラジウムコア白金シェルのコアシェル型触媒微粒子におけるパラジウムコア粒子の合成に水酸化物としての水酸化ナトリウムを用いることが特に好ましく、その条件を見出した。 In addition, although amines are also considered as a compound which suppresses increase of hydrogen ion concentration, since amines tend to form a complex with a palladium raw material or a platinum raw material or to be adsorbed on the surface of the produced fine particles, the reaction of these raw materials The appearance of sex and particle growth changes in a complex way. Metal hydroxides are also considered as a source of hydroxide ions, but must be sufficiently soluble in ethylene glycol. As described in detail below, the inventors of the present invention have used sodium hydroxide as a hydroxide for synthesis of palladium core particles in core-shell type catalyst fine particles of carbon-supported palladium core platinum shell as a result of many experiments. Is particularly preferable, and the condition was found.
本発明の実施の形態例では、上記の反応をカーボン担体の共存下で行っている。この場合、パラジウム微粒子はカーボンにくっついた状態で生成し、白金シェルもカーボン上のパラジウム微粒子の表面で成長し、カーボン担体上でコアシェル構造が形成される。 In the embodiment of the present invention, the above reaction is carried out in the coexistence of a carbon support. In this case, palladium particles are formed in a state of being attached to carbon, a platinum shell also grows on the surface of palladium particles on carbon, and a core-shell structure is formed on the carbon support.
特許文献5では、カーボン担体が共存しない環境でパラジウムコア粒子と白金シェル粒子の合成を行っているが、カーボン担体共存下では、カーボンの凝集、カーボンの反応管における閉塞、パラジウムコア粒子の担体上への不均一分布、カーボン上での白金単独粒子の生成というような触媒にとって好ましくない反応経路が生じ得ることとなる。そのため、コア粒子の合成とそのカーボンへの担持を同時に連続反応系で行い、次いで、カーボンに担持されたコア粒子に均一なシェル層の形成を行うことができる本発明の製造方法は知られていなかった。 In Patent Document 5, synthesis of palladium core particles and platinum shell particles is performed in an environment in which the carbon support does not coexist, but in the presence of the carbon support, carbon aggregation, clogging of the carbon reaction tube, support on the palladium core particles Unfavorable reaction pathways can result for catalysts such as uneven distribution, formation of platinum single particles on carbon. Therefore, the production method of the present invention is known which is capable of simultaneously performing synthesis of core particles and its loading on carbon in a continuous reaction system and then forming a uniform shell layer on the core particles loaded on carbon. It was not.
本発明の発明者らは、反応における水酸化物イオンの濃度がパラジウムコア粒子の形成において極めて重要であることを見出した。そして、多大な試行錯誤の結果、上記の望ましくない反応経路を抑制し、反応液を流通させながらマイクロ波を反応液に照射する連続合成法を用いて、性能の高いカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒を得る工程を完成させることができた。 The inventors of the present invention have found that the concentration of hydroxide ions in the reaction is very important in the formation of palladium core particles. And, as a result of extensive trial and error, carbon-supported palladium-cored platinum shell fine particles having high performance by using the continuous synthesis method in which the reaction solution is irradiated with microwaves while suppressing the above-mentioned undesirable reaction path The process of obtaining the catalyst could be completed.
以上を踏まえた本発明の実施の形態例を以下に具体的に説明する。 The embodiment of the present invention based on the above will be specifically described below.
図1は、本発明の実施の形態例としてのカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子の製造装置の構成を概略的に示した図である。図1において、符号1は、パラジウムコア粒子の原料塩、アイオノマー、カーボン担体、水酸化ナトリウム原料を溶媒に溶解、分散させた反応原料液および反応原料液を送液するポンプを示している。具体的には、テトラクロロパラジウム(2)酸ナトリウム(Na2PdCl4)と、Nafion(登録商標)と、Vulcan(登録商標)XC72と、水酸化ナトリウム水溶液と、EG(エチレングリコール)とを混合した反応原料液を次工程に送液する送液ポンプを示している。 FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a carbon-supported palladium-cored platinum shell fine particle as an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the code | symbol 1 has shown the pump which sends the reaction raw material liquid which melt | dissolved and disperse | distributed the raw material salt of palladium core particle, an ionomer, a carbon support, the sodium hydroxide raw material in the solvent, and the reaction raw material liquid. Specifically, the reaction raw material which mixed tetrachloro palladium (2) acid sodium (Na2PdCl4), Nafion (registered trademark), Vulcan (registered trademark) XC 72, sodium hydroxide aqueous solution, and EG (ethylene glycol) The feed pump which sends a liquid to the following process is shown.
符号2は、マイクロ波の電場を閉じ込めて反応管内の液体に照射して加熱するためのキャビティである。具体的には、上記の反応原料液作製工程で作製され送液されてくる反応液を、マイクロ波キャビティ内を通る反応管に流通させ、反応管内を流通する反応原料液にマイクロ波を照射するキャビティであり、マイクロ波照射系を構成している。 Reference numeral 2 is a cavity for confining the electric field of microwaves, irradiating the liquid in the reaction tube and heating it. Specifically, the reaction liquid produced and sent in the above-mentioned reaction raw material preparation process is made to flow through the reaction tube passing through the inside of the microwave cavity, and the reaction raw material liquid flowing inside the reaction pipe is irradiated with microwaves It is a cavity and constitutes a microwave irradiation system.
符号3は、水酸化ナトリウム水溶液およびそれを送液するポンプから構成された、白金シェル層形成液及びその送液ポンプ系を示しており、符号5aは、送液ポンプ系3により送液された水酸化ナトリウム水溶液と、符号2で示すマイクロ波キャビティ反応系により生成されたカーボン担持パラジウムナノ粒子分散液とをミキサーにより混合する工程を示す。 Reference numeral 3 indicates a platinum shell layer forming solution and its feed pump system, which is composed of a sodium hydroxide aqueous solution and a pump for feeding the same, and symbol 5a is sent by the feed pump system 3 The process of mixing the sodium hydroxide aqueous solution and the carbon support palladium nanoparticle dispersion liquid produced | generated by the microwave cavity reaction system shown with code | symbol 2 with a mixer is shown.
符号4は、白金シェル層形成の原料塩を溶解させた溶液およびそれを送液するポンプであり、符号5bは、ポンプ4により送液された白金原料溶液と、符号5aで示す工程により混合された分散液とをミキサーにより混合する工程を示す。符号6は、カーボン担持パラジウムコア粒子分散液と白金シェル形成のための原料の混合物を回収し、白金シェル形成反応を行うためのタンクを示している。 Reference numeral 4 is a solution in which a raw material salt for forming a platinum shell layer is dissolved and a pump for feeding the solution. Reference numeral 5b is mixed with the platinum source solution sent by the pump 4 according to the process shown by reference numeral 5a. The process of mixing with the dispersion liquid by a mixer is shown. The code | symbol 6 has shown the tank for collect | recovering the mixture of the raw material for carbon support palladium core particle dispersion liquid and platinum shell formation, and performing platinum shell formation reaction.
図1の構成において、具体的には、キャビティ2でマイクロ波照射工程におけるマイクロ波照射により反応原料液を100℃まで上昇させる。これを冷却してから、その後の工程に進み、符号5aの工程において水酸化ナトリウム水溶液と、さらに、符号5bの工程において塩化白金酸エチレングリコール溶液と混合し、約72時間、室温に放置して還元反応を進行させ、カーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子コロイドを作製する。 In the configuration of FIG. 1, specifically, the reaction raw material liquid is raised to 100 ° C. by the microwave irradiation in the microwave irradiation step in the cavity 2. After cooling, it proceeds to the subsequent steps and is mixed with an aqueous solution of sodium hydroxide in step 5a and further with an ethylene glycol chloroplatinate solution in step 5b, and left at room temperature for about 72 hours. The reduction reaction is allowed to proceed to prepare a carbon-supported palladium-cored platinum shell microparticle colloid.
以下、実施例および比較例を参照しながら本発明を詳細に説明するが、本発明はこれに狭く限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not narrowly limited thereto.
<実施例>
Vulcan(登録商標)XC72が0.1重量パーセント、テトラクロロパラジウム(2)酸ナトリウムが2mMになるようにエチレングリコールに混合し、テトラクロロパラジウム(2)酸ナトリウムを完全に溶解させる。また、超音波をかけてVulcan(登録商標)XC72が均一な分散液になるようにする。さらに、5MNaOH水溶液をテトラクロロパラジウム(2)酸ナトリウムの物質量の4〜7倍になるように加えてよく混合し、これを反応原料液とした。この反応原料液をカーボン分散液を扱うことができるポンプで送液する。
<Example>
The mixture is mixed with ethylene glycol so that Vulcan (registered trademark) XC72 is 0.1% by weight and sodium tetrachloropalladium (2) is 2 mM, and sodium tetrachloropalladate (2) is completely dissolved. Also, ultrasonic waves are applied to make Vulcan® XC 72 a uniform dispersion. Furthermore, 5 M NaOH aqueous solution is added so that it may become 4 to 7 times the substance mass of sodium tetrachloro palladium (2) acid, it mixes well, and this is made into the reaction raw material liquid. The reaction raw material liquid is sent by a pump capable of handling a carbon dispersion liquid.
本発明の発明者らが詳細な実験を繰り返し検討を重ねた結果、添加するテトラクロロパラジウム(2)酸ナトリウムの物質量の4〜7倍の水酸化ナトリウムを反応原料液に添加することが望ましいということを明らかにした。水酸化物イオン濃度が低いと核形成が遅くなり粒子径が大きくなってしまい、また、未反応のパラジウムイオンが残存することもある。一方、水酸化物イオン濃度が高いと還元速度が速すぎ、担持されない遊離粒子やパラジウムナノ粒子の凝集体が生じてしまう。 As a result of the inventors of the present invention repeating detailed experiments repeatedly, it is desirable to add sodium hydroxide 4 to 7 times the substance mass of sodium tetrachloropalladium (2) to be added to the reaction raw material liquid I clarified that. When the hydroxide ion concentration is low, nucleation is delayed, the particle size is increased, and unreacted palladium ions may remain. On the other hand, when the hydroxide ion concentration is high, the reduction rate is too fast, and an unsupported particle or aggregate of palladium nanoparticles is formed.
反応原料液を内径2mmのPFA(Perfluoroalkoxy alkane)反応管で流速6ml/分で送液し、100℃で加熱した。反応管は、内径90mm、高さ10cmの円筒状の空間を有するマイクロ波キャビティの円筒中心軸に沿って配置した。TM010モードの定在波が形成される周波数のマイクロ波をキャビティに照射することで加熱を行い、反応原料液の温度は、放射温度計により反応管中央の位置にて計測した。また、TM010モードの定在波が形成される周波数は反応原料液の温度により変化するが、その周波数に常に一致するよう、照射するマイクロ波の周波数を調整した。このときの周波数範囲は、2.45GHzであった。 The reaction raw material liquid was fed at a flow rate of 6 ml / min in a PFA (Perfluoroalkoxy) reaction tube with an inner diameter of 2 mm, and heated at 100 ° C. The reaction tube was placed along the central axis of the microwave cavity having a cylindrical space with an inner diameter of 90 mm and a height of 10 cm. Heating was performed by irradiating the cavity with microwaves of a frequency at which a standing wave of TM 010 mode is formed, and the temperature of the reaction raw material liquid was measured at a central position of the reaction tube by a radiation thermometer. The frequency at which the TM 010 mode standing wave is formed changes depending on the temperature of the reaction raw material liquid, but the frequency of the microwave to be irradiated is adjusted so as to always coincide with the frequency. The frequency range at this time was 2.45 GHz.
上記方法により合成されたカーボン担持パラジウムコア粒子分散液には、ミキサー(配管合流路における混合器)により、白金シェル形成反応に必要な水酸化ナトリウム水溶液を、濃度を微調整して添加した。本実施例においては、シェル形成反応に関与する水酸化物イオンがヘキサクロロ白金(4)酸イオンの物質量の2〜6倍程度になるように0.5M水酸化ナトリウム水溶液を加えた。 An aqueous solution of sodium hydroxide necessary for the platinum shell formation reaction was finely adjusted and added to the carbon-supported palladium core particle dispersion synthesized by the above method, using a mixer (mixer in a piping joint flow path). In the present example, a 0.5 M aqueous solution of sodium hydroxide was added so that the amount of hydroxide ions involved in the shell formation reaction was about 2 to 6 times the mass of the hexachloroplatinum (4) acid ion.
上記の方法により合成されたカーボン担持パラジウムコア粒子分散液は、水酸化ナトリウム水溶液を添加された後、ミキサーにより、混合後の液のパラジウムと白金のモル比が1:1になるように100mM塩化白金酸(4)エチレングリコール溶液と混合した。混合液は回収容器に集められ、完全反応させるため72時間、室温で放置した。 An aqueous solution of sodium hydroxide is added to the carbon-supported palladium core particle dispersion synthesized by the above method, and then the mixture is mixed with 100 mM chloride so that the molar ratio of palladium to platinum of the liquid after mixing is 1: 1. It was mixed with a platinum acid (4) ethylene glycol solution. The mixture was collected in a collection vessel and left at room temperature for 72 hours for complete reaction.
図1において符号3で示す工程(送液ポンプ系)で添加される水酸化物イオンは、符号4で示す工程(送液ポンプ系)で添加される白金原料から生じる水素イオンと速やかに中和反応するので、添加した水酸化物イオンの量がすべてシェル形成反応に関与するわけではない。しかし、中和反応後になお残存する遊離の水酸化物イオン、白金イオンと錯体を形成している水酸化物イオン、パラジウム粒子表面に吸着している水酸化物イオンはシェル形成反応に関与すると考えられる。発明者らは、詳細な実験を繰り返し検討を重ねた結果、これらの水酸化物イオン濃度が原料である白金シェル形成の前駆体であるヘキサクロロ白金(4)酸イオンの物質量の2〜6倍程度になることが望ましいということを明らかにした。シェル形成反応における水酸化物濃度が低いと反応速度が遅くなり白金原料が未反応となってしまい、水酸化物濃度が高すぎると白金がシェルでなく粒子としてカーボン担体やパラジウムコア表面で生成したり、白金の遊離粒子が副生しやすくなってしまう。白金原料塩が塩化白金酸を中和した塩である場合や、パラジウムコア粒子を別の方法で形成した場合、パラジウムコア粒子をシェル形成反応の前に精製した場合は、水酸化物イオンが前記の範囲内に入るように添加する水酸化ナトリウム濃度を調整する必要がある。 The hydroxide ions added in the step (liquid feed pump system) indicated by symbol 3 in FIG. 1 are rapidly neutralized with the hydrogen ions generated from the platinum source added in the step (liquid feed pump system) indicated by symbol 4 As it reacts, not all amounts of added hydroxide ions participate in the shell formation reaction. However, it is believed that free hydroxide ion still remaining after neutralization reaction, hydroxide ion forming a complex with platinum ion, and hydroxide ion adsorbed on the surface of palladium particle participate in the shell forming reaction. Be The inventors repeated detailed experiments repeatedly, and as a result, these hydroxide ion concentrations are 2 to 6 times the substance mass of hexachloroplatinum (4) acid ion which is a precursor of platinum shell formation which is a raw material It became clear that it would be desirable to be a degree. If the hydroxide concentration in the shell formation reaction is low, the reaction rate will be slow and the platinum source will be non-reacted, and if the hydroxide concentration is too high, platinum will be formed on the carbon support or palladium core surface as particles instead of shells. In addition, free particles of platinum are likely to be by-produced. When the platinum raw material salt is a salt obtained by neutralizing chloroplatinic acid, or when the palladium core particles are formed by another method, when the palladium core particles are purified before the shell formation reaction, the hydroxide ion It is necessary to adjust the concentration of sodium hydroxide added so as to fall within the range of
なお、白金シェル形成反応においては、上記の方法で合成し、回収されたカーボン担持パラジウムコア粒子分散液に、白金シェル原料液と水酸化ナトリウム水溶液を添加して混合する方法でもカーボン担持パラジウムコア白金シェル粒子が合成できる。 In addition, in the platinum shell formation reaction, carbon supported palladium core platinum is also a method of adding a platinum shell raw material liquid and a sodium hydroxide aqueous solution to the carbon supported palladium core particle dispersion synthesized and recovered by the above method. Shell particles can be synthesized.
上記の方法によるカーボン担持パラジウムコア粒子分散液のマイクロ波連続合成法において、高分子電解質の一種である燃料電池用アイオノマーを適切な濃度において共存させることもできる。燃料電池用アイオノマーの濃度がカーボンに対し過剰でなければ、パラジウムコア粒子合成およびそれに続く白金シェル形成に悪影響を与えることなく、カーボンの分散性を良好にし、連続反応における反応管の閉塞などのリスクを低減することができる。アイオノマーとしてはパーフルオロフッ化スルホニルビニルエーテルとテトラフルオロエチレンの共重合体が広く使用されており、上記の方法においても適切な量のアイオノマーを添加することでカーボンの分散性を改善することができる。本実施例では、燃料電池用アイオノマーの一例としてNafion(登録商標)(DE520 CSタイプ)を用いており、Nafion(登録商標)の濃度が0.03%になるように原料液(図1において符号1で示す)に加えた。 In the microwave continuous synthesis method of the carbon-supported palladium core particle dispersion liquid according to the above-mentioned method, an ionomer for a fuel cell, which is a kind of polymer electrolyte, can be coexisted at an appropriate concentration. If the concentration of the fuel cell ionomer is not excessive with respect to carbon, the carbon dispersibility is improved without adversely affecting the synthesis of palladium core particles and the subsequent formation of platinum shell, and risks such as clogging of reaction tubes in continuous reaction Can be reduced. As the ionomer, a copolymer of perfluorofluorinated sulfonyl vinyl ether and tetrafluoroethylene is widely used, and the dispersibility of carbon can be improved by adding an appropriate amount of ionomer also in the above method. In this embodiment, Nafion (registered trademark) (DE 520 CS type) is used as an example of the ionomer for a fuel cell, and the raw material liquid (symbol in FIG. 1) is adjusted so that the concentration of Nafion (registered trademark) becomes 0.03%. 1).
実験室レベルでの少量の実験では、カーボンの均一な分散液を作製するのは容易であるが、数十リットル以上のスケールでは、凝集、沈降、超音波処理のムラなどの影響で、分散液の均一性を保つのが難しくなってくる。また、連続反応系において流路が閉塞すると圧力の高まりによる反応管の破裂などが起こるおそれもあり、また、連続反応系の頻繁な停止と復旧はプロセスも高コスト化の要因になる。そのため、製品の製造においてはカーボンの分散性と流路の閉塞が起きないことは、連続反応系においては安全性、経済性の観点から非常に重要である。 It is easy to make a uniform dispersion of carbon in a small amount of experiment at the laboratory level, but on a scale of several tens of liters or more, the dispersion is due to the influence of aggregation, sedimentation, unevenness of sonication, etc. It becomes difficult to maintain the uniformity of the In addition, if the flow path is blocked in the continuous reaction system, there is a possibility that the reaction tube may be ruptured due to an increase in pressure, and frequent stop and recovery of the continuous reaction system also cause the cost increase of the process. Therefore, it is very important from the viewpoints of safety and economy in continuous reaction systems that the dispersibility of carbon and the blocking of flow paths do not occur in the production of products.
燃料電池用アイオノマーをカーボンの分散剤として使用した場合、精製、焼成などにより完全除去する必要がないことも重要である。ポリビニルピロリドンなどの高分子分散剤は、金属微粒子の合成に広く使用されているが、これらの分散剤は金属微粒子とカーボンの分散性を良好にする一方で、微粒子表面に強く吸着するので完全に除去することは難しいことがわかっており、触媒表面に残存した高分子分散剤は触媒性能を著しく害するということもわかっている。燃料電池用アイオノマーは触媒表面へのプロトンの移送のために電池作製工程で添加される電池の構成成分のひとつであるので、少量が残存しても燃料電池性能には殆ど影響しない。 When a fuel cell ionomer is used as a dispersant for carbon, it is also important that it does not need to be completely removed by purification, calcination or the like. Polymeric dispersants such as polyvinyl pyrrolidone are widely used in the synthesis of metal particles, but while these dispersants improve the dispersibility of metal particles and carbon, they are strongly adsorbed on the particle surface, so they are completely eliminated. It has been found difficult to remove, and it is also known that the polymer dispersant remaining on the catalyst surface significantly impairs the catalyst performance. Since a fuel cell ionomer is one of the components of a cell added in the cell preparation process for transfer of protons to the catalyst surface, even if a small amount remains, it has almost no effect on fuel cell performance.
形成されたコアシェル粒子は遠心分離により精製し、電子顕微鏡(日本電子製JEM−2200FS)を用いてTEM(透過電子顕微鏡法)による観察とEDS(エネルギー分散型X線分析)による分析を行った。 The formed core-shell particles were purified by centrifugation, and were observed by TEM (transmission electron microscopy) and analyzed by EDS (energy dispersive X-ray analysis) using an electron microscope (JEM-2200FS manufactured by JEOL Ltd.).
<比較例1>
比較例1として、市販の、カーボン担持白金触媒を用意し、酸素還元反応の触媒活性を比較した。
Comparative Example 1
As Comparative Example 1, a commercially available carbon-supported platinum catalyst was prepared, and the catalytic activities of the oxygen reduction reaction were compared.
<比較例2>
比較例2として、マイクロ波連続法でカーボン担持白金触媒を合成し、酸素還元反応の触媒活性を比較した。その作製法を以下に述べる。カーボン担体としてVulcan(登録商標)XC72、分散剤としてNafion(登録商標)(DE520CS)をエチレングリコールに混合し、超音波を十分に照射してカーボンをよく分散させた。その分散液にヘキサクロロ白金(4)酸エチレングリコール溶液と水酸化カリウムエチレングリコール溶液を加え、最終的にカーボンが0.1g/L、Nafion(登録商標)が0.03g/L、ヘキサクロロ白金(2)酸が2mM、水酸化カリウムが20mMの濃度になるようにして原料液とした。原料液は、実施例と同様に、マイクロ波キャビティの円筒中心軸に配置された内径2mmのPFA反応管を流速2ml/minで流し、原料液の温度が85℃になるように加熱した。
Comparative Example 2
As Comparative Example 2, a carbon-supported platinum catalyst was synthesized by a microwave continuous method, and the catalytic activity of the oxygen reduction reaction was compared. The preparation method is described below. Vulcan (registered trademark) XC72 as a carbon carrier and Nafion (registered trademark) (DE 520 CS) as a dispersing agent were mixed with ethylene glycol, and sufficiently irradiated with ultrasonic waves to disperse carbon well. To the dispersion are added ethylene glycol solution of hexachloroplatinum (4) and potassium hydroxide ethylene glycol solution, and finally 0.1 g / L of carbon, 0.03 g / L of Nafion (registered trademark), hexachloroplatinum (2 The raw material solution was prepared such that the concentration of the acid was 2 mM and the concentration of potassium hydroxide was 20 mM. The raw material liquid was heated so that the temperature of the raw material liquid was 85 ° C., by flowing a PFA reaction tube with an inner diameter of 2 mm disposed on the cylindrical central axis of the microwave cavity at a flow rate of 2 ml / min.
FCCJ(燃料電池実用化推進協議会)の提案する標準法(「固体高分形燃料電池の目標・研究開発課題と評価方法の提案」に記載の方法)を参考に酸素還元触媒活性の測定および負荷応答電位サイクル耐久試験を行った。詳細な方法を以下に述べる。 Measurement and load of oxygen reduction catalyst activity with reference to the standard method proposed by FCCJ (Fuel Cell Commercialization Promotion Council) (The method described in "Target of solid decentralized fuel cell, proposal of research and development issues and evaluation method") A response potential cycle endurance test was conducted. The detailed method is described below.
上記の実施例および比較例で得られた触媒微粒子を、遠心分離による精製をくり返すことでエチレングリコールと水溶性の塩などを除去し、最終的にカーボン濃度0.0125重量%、Nafion(登録商標)濃度0.0125重量%の触媒インクを作製した。触媒インクの溶媒は、水とIPA(イソプロパノール)の混合溶媒(重量比3:1)を用いた。この触媒インク20μLを、研磨した直径5mmのグラッシーカーボン回転電極に塗布し、乾燥させ、電気化学測定に用いた。電解液は0.1Mの過塩素酸を用い、参照電極として可逆水素電極を用いた。窒素をバブリングして酸素を追い出した電解槽において0.05〜1.2V(以下、可逆水素電極を基準として電位の値を表現する)の範囲の電位走査により触媒表面のクリーニングを行い、水素の吸脱着ピークの形より電気化学的活性表面積の測定を行った。続いて、バブリングにより酸素を電解液に飽和するまで溶存させ、回転電極を1600rpmで回転させて対流ボルタンメトリーを行い、酸素還元活性を測定した。走査速度は低電位側から高電位側に向けて20mV/秒の速度で行い、0.9Vにおける酸素還元電流の値を記録し、Koutechy-Levich式より触媒の酸素還元活性を算出した。活性測定時の電解液の温度は25°Cとした。酸素還元活性は、原料として使用した白金の重量(g)当たりの酸素還元電流(A)(質量活性)の形で算出した。質量活性の単位はアンペア毎グラム[A/g]を用いる。 The catalyst fine particles obtained in the above Examples and Comparative Examples are subjected to repeated purification by centrifugation to remove ethylene glycol and water-soluble salts and the like, and finally to a carbon concentration of 0.0125% by weight, Nafion (registered A catalyst ink having a concentration of 0.0125% by weight was produced. The solvent of the catalyst ink was a mixed solvent of water and IPA (isopropanol) (3: 1 by weight). 20 μL of this catalyst ink was applied to a polished glassy carbon rotating electrode with a diameter of 5 mm, dried, and used for electrochemical measurement. The electrolyte used was 0.1 M perchloric acid, and a reversible hydrogen electrode was used as a reference electrode. In the electrolytic cell which bubbled nitrogen and expelled oxygen, the catalyst surface was cleaned by a potential scan in the range of 0.05 to 1.2 V (hereinafter, the value of potential is expressed with reference to a reversible hydrogen electrode). The electrochemically active surface area was measured from the form of adsorption and desorption peaks. Subsequently, oxygen was dissolved in the electrolytic solution by bubbling to saturate, and the rotary electrode was rotated at 1600 rpm to perform convective voltammetry to measure the oxygen reduction activity. The scanning speed was 20 mV / sec from low potential to high potential, the value of oxygen reduction current at 0.9 V was recorded, and the oxygen reduction activity of the catalyst was calculated from the Koutechy-Levich equation. The temperature of the electrolyte at the time of activity measurement was 25.degree. The oxygen reduction activity was calculated in the form of an oxygen reduction current (A) (mass activity) per weight (g) of platinum used as a raw material. The unit of mass activity is ampere per gram [A / g].
負荷応答耐久性試験における電位サイクルは、上記の電解液と回転電極を用いて0.6Vを3秒、1.0Vを3秒の方形波を1サイクルとし、電解液に窒素をバブリングして飽和させた条件で25℃において5000サイクル、10000サイクルの電位を印加し、電位サイクルの前後で上記と同様の方法で表面積と酸素還元活性を測定した。 The potential cycle in the load response durability test is saturated by bubbling nitrogen into the electrolyte solution by using 0.66V for 3 seconds and 1.0V for 3 seconds square wave using the above electrolyte and rotating electrode. A potential of 10000 cycles was applied at 25 ° C. for 5000 cycles under the above conditions, and the surface area and the oxygen reduction activity were measured by the same method as described above before and after the potential cycle.
図2は、透過型電子顕微鏡で観察したカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の像である。カーボン担体7aと、そこに担持されているパラジウムコア白金シェル触媒微粒子7bが、実施例で合成されたカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒を構成している。符号7bで例示されているように、3〜4nmの粒子がカーボン担体上にほぼ均一に担持されている。また、EDSの結果により、広い範囲にわたってパラジウムと白金の分布は均一で、かつ一致しており、その比も合成時の仕込み量の比とほぼ一致した。このことより、本発明の発明者らの提案する合成法は、貴金属を無駄無く使用しており、なおかつ酸素還元触媒に必要な高い表面積も達成できている。 FIG. 2 is an image of a carbon-supported palladium-cored platinum shell fine particle catalyst observed by a transmission electron microscope. The carbon support 7a and the palladium core platinum shell catalyst fine particle 7b supported thereon constitute the carbon-supported palladium core platinum shell fine particle catalyst synthesized in the example. As exemplified by reference numeral 7b, particles of 3 to 4 nm are substantially uniformly supported on the carbon support. In addition, according to the EDS results, the distribution of palladium and platinum was uniform and consistent over a wide range, and the ratio was almost the same as the ratio of the preparation amount at the time of synthesis. From this, the synthesis method proposed by the inventors of the present invention uses precious metals without waste, and can also achieve the high surface area required for the oxygen reduction catalyst.
図3は、上記実施例と比較例の耐久性試験前後の酸素還元触媒の質量活性を比較したグラフである。図3で示されている結果は、耐久性試験前の初期質量活性と、5000サイクルの負荷応答耐久性試験後の質量活性である。実施例では、耐久性試験前後の質量活性がそれぞれ394[A/g]、385[A/g]、比較例1では74[A/g]、33[A/g]、比較例2では241[A/g]、164[A/g]であった。実施例は市販の白金触媒の数倍の活性を有しており、また、マイクロ波を用いて合成した白金触媒よりも高価で希少な白金を触媒として有効利用できていることがわかる。また、負荷応答耐久性試験の結果、実施例では活性の低下がわずかであり、触媒活性と耐久性の増大の両方を達成することができた。それに対して比較例は、電位サイクルにより白金の溶出が進んだと考えられ、質量活性の低下が著しい。 FIG. 3 is a graph comparing the mass activity of the oxygen reduction catalyst before and after the durability test of the above-mentioned example and the comparative example. The results shown in FIG. 3 are the initial mass activity prior to the durability test and the mass activity after the 5000 cycle load response durability test. In Examples, the mass activity before and after the durability test is 394 [A / g], 385 [A / g], in Comparative Example 1 74 [A / g], 33 [A / g], Comparative Example 2 241 It was [A / g] and 164 [A / g]. The examples have activity several times that of commercial platinum catalysts, and it can be seen that platinum which is more expensive and rare than platinum catalysts synthesized using microwaves can be used effectively as catalysts. In addition, as a result of the load response durability test, in the examples, the decrease in activity was slight, and both of the catalyst activity and the increase in durability could be achieved. On the other hand, in the comparative example, it is considered that the elution of platinum proceeds by the potential cycle, and the decrease in mass activity is remarkable.
図4は、実施例のカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の耐久性試験における電位サイクル回数に対する質量活性の維持率の推移を示している。ここで維持率とは、初期活性に対する耐久性試験後の活性を100分率で表したものであり、初期活性を100%として、電位サイクル回数の増加による活性の維持割合を示す指標である。初期活性(符号8aで示す)を100%とすると、5000サイクル後の活性(符号8bで示す)は98%であり、10000サイクル後の活性(符号8cで示す)は97%であった。このことより、実施例のカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒は、10000サイクルの電位サイクル後においてもほぼ初期活性に近い活性を維持していることがわかり、燃料電池の実用化における重要な特性である耐久性において、非常に優れていることが明らかとなった。図3の比較例2の場合、5000サイクル後の活性は初期値の68%であった。 FIG. 4 shows the transition of the mass activity maintenance ratio with respect to the number of potential cycles in the durability test of the carbon-supported palladium core platinum shell fine particle catalyst of the example. Here, the maintenance rate is the activity after the durability test with respect to the initial activity expressed in percentage, and is an index showing the maintenance ratio of the activity due to the increase in the number of potential cycles, where the initial activity is 100%. Assuming that the initial activity (indicated by 8a) is 100%, the activity after 5000 cycles (indicated by 8b) is 98% and the activity after 10000 cycles (indicated by 8c) is 97%. From this, it can be understood that the carbon-supported palladium-cored platinum-shell particulate catalyst of the example maintains the activity almost close to the initial activity even after 10,000 cycles of potential cycle, which is an important characteristic in practical use of fuel cells. It became clear that it was very excellent in certain durability. In the case of Comparative Example 2 in FIG. 3, the activity after 5000 cycles was 68% of the initial value.
例えば、実施例のカーボン担持パラジウムコア白金シェル微粒子触媒の耐久性試験において、0.1M過塩素酸水溶液を、幅14.5cm、高さ12.5cm、300ml以上の容量を有する対流ボルタンメトリー測定用ガラス製5つ口フラスコに加え、3L/分の窒素を30分間バブリングして酸素を追い出したものを電解液として、白金が0.96μg含まれるように触媒インクを塗布したグラッシーカーボン部分の直径5mmのグラッシーカーボン回転電極に、温度25℃において、可逆水素電極を参照電極とした電位0.6Vを3秒間、1.0Vを3秒間の方形波を1サイクルとして電位サイクルを印加する耐久性試験を行ったとき、0.1M過塩素酸水溶液を前記フラスコに加え、3L/分の酸素を30分間バブリングして窒素を追い出したものを電解液として使用し、上記グラッシーカーボン回転電極の回転速度が1600[回転/分]、温度が25℃で、20[mV/秒]の高電位側への走査速度、という条件において、可逆水素電極を参照電極とした電位0.9Vにおける酸素還元電流値をKoutecky−Levich式より導き、溶液抵抗を補償して算出する質量活性算出法を使用して、電位サイクルとして10000サイクル後の酸素還元触媒としての白金質量活性、すなわち、上記質量活性算出法における電流値を塗布した白金量0.96μgで除した値が耐久性試験前の質量活性の95%以上を維持できていることを確認できた。 For example, in the durability test of the carbon-supported palladium core platinum shell fine particle catalyst of the example, a glass for convective voltammetry measurement having a capacity of 14.5 cm, height 12.5 cm, 300 ml or more of 0.1 M perchloric acid aqueous solution In addition to the five-necked flask made by bubbling nitrogen for 30 minutes by bubbling 3 L / min for 30 minutes and using oxygen as electrolyte, the diameter of 5 mm of glassy carbon part coated with catalyst ink so that 0.96 μg of platinum is contained A durability test was carried out by applying a potential cycle to a glassy carbon rotary electrode at a temperature of 25 ° C., using a reversible hydrogen electrode as a reference electrode for 3 seconds at 0.6 V and a square wave at 1.0 V for 3 seconds. Add 0.1 M aqueous solution of perchloric acid to the flask and bubble 3 liters / minute of oxygen for 30 minutes to Used as the electrolyte, and the scanning speed to the high potential side of 20 [mV / s] at a rotational speed of 1600 [rotation / min], a temperature of 25 ° C., and a rotational speed of the above-mentioned glassy carbon rotary electrode Using a mass activity calculation method in which the oxygen reduction current value at an electric potential of 0.9 V with the reversible hydrogen electrode as the reference electrode is derived from the Koutecky-Levich equation, and after 10,000 cycles as an electric potential cycle The platinum mass activity as an oxygen reduction catalyst, that is, the value obtained by dividing the current value in the above mass activity calculation method by the coated platinum amount of 0.96 μg can maintain 95% or more of the mass activity before the durability test. Was confirmed.
本発明の実施の形態例における耐久性試験用に作成した試料は、作成する環境など、資料の作成条件によって異なるが、例えば、上記5000サイクルの試験に用いた試料の一例は、初期値が388[A/g]の試料が試験後382[A/g]に、前記10000サイクルの試験に用いた試料の一例は、初期値が314[A/g]の試料が試験後306[A/g]に下がっている。この活性低下量は従来の活性低下量より充分に小さい量である。初期値を基準にした上記減少率は、5000サイクルの試験の場合は1.5%、10000サイクルの試験の場合は2.5%である。これに対して図3の比較例1は、5000サイクルの試験の場合、初期値が241[A/g]、試験後が164[A/g](減少率:32%)であった。 The sample prepared for the durability test in the embodiment of the present invention varies depending on the preparation conditions of the material, such as the environment to be prepared. For example, an example of the sample used for the 5000 cycle test has an initial value of 388 A sample of [A / g] was tested at 382 [A / g] after the test, and an example of the sample used for the test of 10000 cycles was a sample having an initial value of 314 [A / g] after the test of 306 [A / g]. It has fallen to]. This activity reduction amount is an amount sufficiently smaller than the conventional activity reduction amount. The reduction rate based on the initial value is 1.5% in the case of the test of 5000 cycles and 2.5% in the case of the tests of 10000 cycles. On the other hand, in Comparative Example 1 of FIG. 3, the initial value was 241 [A / g] and after the test was 164 [A / g] (reduction rate: 32%) in the case of the test of 5000 cycles.
以上のように、本発明のカーボン担持パラジウムコア白金シェルのコアシェル型触媒微粒子におけるカーボン担持パラジウムコア粒子の合成に水酸化物としての水酸化ナトリウムを用いることにより、触媒性能が高く、耐久性試験における性能劣化が小さいカーボン担持パラジウムコア白金シェルのコアシェル型触媒微粒子を得ることができる。 As described above, by using sodium hydroxide as a hydroxide in the synthesis of carbon-supported palladium core particles in the core-shell type catalyst fine particles of carbon-supported palladium core platinum shell of the present invention, the catalyst performance is high, and the durability test is performed. It is possible to obtain a core-shell type catalyst fine particle of a carbon-supported palladium core platinum shell with less performance deterioration.
上記において、図を参照しながら、実施例、比較例を加えて本発明を説明したが、本発明はこれに狭く限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づき多くのバリエーションを可能とするものであることは明白である。 Although the present invention has been described above by adding examples and comparative examples with reference to the drawings, the present invention is not narrowly limited to this, and many variations are possible based on the technical concept of the present invention. It is obvious that
本発明のカーボン担持パラジウムコア白金シェルのコアシェル型微粒子のパラジウムコアの合成にマイクロ波照射の下に水酸化ナトリウムを用い、さらに、水酸化ナトリウムを添加して白金原料溶液を含めて所定時間放置して形成して製造したパラジウムコア白金シェル触媒微粒子は、触媒効率が高く、耐久性が優れており、化学反応や燃料電池の触媒に利用できる。 In the synthesis of the palladium core of the core-shell type fine particles of the carbon-supported palladium core platinum shell of the present invention, sodium hydroxide is used under microwave irradiation, and further sodium hydroxide is added and left for a predetermined time including the platinum source solution. The palladium core platinum shell catalyst fine particles formed and manufactured have high catalytic efficiency and excellent durability, and can be used as a catalyst for a chemical reaction or a fuel cell.
Claims (14)
温度25℃において、可逆水素電極を参照電極とした電位0.6Vを3秒間、1.0Vを3秒間の方形波を1サイクルとして電位サイクルを印加する耐久性試験を行ったとき、
0.1M過塩素酸水溶液を前記フラスコに加え、3L/分の酸素を30分間バブリングして窒素を追い出したものを電解液として使用し、
前記電極の回転速度1600[回転/分]、温度25℃、20[mV/秒]の高電位側への走査速度、の条件において、
可逆水素電極を参照電極とした電位0.9Vにおける酸素還元電流値をKoutecky−Levich式より導き、溶液抵抗を補償して算出する質量活性算出法を使用して、
10000電位サイクル後の酸素還元触媒としての白金質量活性、すなわち前記質量活性算出法における電流値を塗布した白金量0.96μgで除した値が耐久性試験前の質量活性の95%以上を維持できていることを特徴とするパラジウムコア白金シェル微粒子触媒。 Add an aqueous solution of 0.1 M perchloric acid to a glass 5-neck flask for convective voltammetric measurement with a width of 14.5 cm, a height of 12.5 cm, and a volume of 300 ml or more, and boil 3 L / min of nitrogen for 30 minutes. A glassy carbon rotary electrode of 5 mm in diameter having a glassy carbon portion coated with a catalyst ink so that 0.96 μg of platinum is contained as an electrolyte by using oxygen expelled as an electrolytic solution,
When a durability test is performed at a temperature of 25 ° C., using a reversible hydrogen electrode as a reference electrode and applying a potential cycle of 0.6 V for 3 seconds and 1.0 V for 3 seconds with a square wave as one cycle,
An aqueous solution of 0.1 M perchloric acid is added to the flask, and 3 L / min of oxygen is bubbled for 30 minutes to use nitrogen as an electrolyte.
Under the conditions of a rotational speed of 1600 [rotation / min] of the electrode, a temperature of 25 ° C., and a scanning speed to the high potential side of 20 [mV / sec],
Using a mass activity calculation method to calculate the oxygen reduction current value at a potential of 0.9 V with the reversible hydrogen electrode as the reference electrode by using the Koutecky-Levich equation and compensating for the solution resistance,
The platinum mass activity as an oxygen reduction catalyst after 10000 potential cycles, that is, the value obtained by dividing the current value in the mass activity calculation method by the coated platinum amount of 0.96 μg can maintain 95% or more of the mass activity before the durability test A palladium core platinum shell particulate catalyst characterized by having.
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