JP2021093270A - Alloy catalyst for solid polymer type fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

Alloy catalyst for solid polymer type fuel cell and manufacturing method thereof Download PDF

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Abstract

To provide a novel and improved alloy catalyst capable of improving durability of the alloy catalyst while maintaining high initial activity that the alloy catalyst has originally, and a manufacturing method thereof.MEANS FOR SOLVING THE PROBLEM: An alloy catalyst for a solid polymer type fuel cell comprises: compound metal particles including a noble metal element and a transition metal element; and a catalyst carrier carrying the compound metal particles. The compound metal particles contain the noble metal element and the transition metal element in a molar ratio of noble metal element:transition metal element=1:0.2 or more to 1:1 or less. In the case that X-ray diffraction analysis is performed on the compound metal particles, a diffraction peak is observed at 2θ=37° or larger to 42° or smaller. An alloying rate is 60% or more to 100% or less, and a crystallite diameter of the compound metal particle is 2 to 8 nm. In the case where a temperature rising desorption method is performed for temperature rising desorption of oxygen molecules adsorbed to the compound metal particles at 85K, an integration value of a desorption amount of the oxygen molecules is 1.0×10-6 mol or more per surface area 1 m2 of a noble metal portion exposed on a surface of the compound metal particle.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用合金触媒及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an alloy catalyst for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.

燃料電池の一種として、固体高分子形燃料電池が知られている。固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に配置される一対の触媒層と、各触媒層の外側に配置されるガス拡散層と、各ガス拡散層の外側に配置されるセパレータとを備える。一対の触媒層のうち、一方の触媒層は固体高分子形燃料電池のアノードとなり、他方の触媒層は固体高分子形燃料電池のカソードとなる。なお、通常の固体高分子形燃料電池では、所望の出力を得るために、上記構成要素を有する単位セルが複数個スタックされている。 As a kind of fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell is known. The polymer electrolyte fuel cell has a pair of catalyst layers arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer arranged outside each catalyst layer, and a separator arranged outside each gas diffusion layer. And. Of the pair of catalyst layers, one catalyst layer serves as the anode of the polymer electrolyte fuel cell, and the other catalyst layer serves as the cathode of the polymer electrolyte fuel cell. In a normal polymer electrolyte fuel cell, a plurality of unit cells having the above components are stacked in order to obtain a desired output.

触媒層に使用される触媒としては、触媒粒子である白金を触媒担体に担持させた触媒が広く使用されている。しかし、固体高分子形燃料電池にはさらなる低コスト化、高性能化が求められており、このような観点から、触媒粒子として複合金属粒子を使用した合金触媒が着目されている。複合金属粒子は、白金等の貴金属元素に遷移金属元素が合金化した粒子である。なお、本明細書において、「合金触媒」等の「触媒」は、触媒担体に触媒能を有する触媒粒子を担持させたものを指し、「触媒粒子」は、触媒担体に担持された個々の粒子、すなわち触媒能を有する粒子を指すものとする。 As the catalyst used in the catalyst layer, a catalyst in which platinum, which is a catalyst particle, is supported on a catalyst carrier is widely used. However, polymer electrolyte fuel cells are required to have further cost reduction and higher performance, and from such a viewpoint, alloy catalysts using composite metal particles as catalyst particles are attracting attention. Composite metal particles are particles in which a transition metal element is alloyed with a noble metal element such as platinum. In the present specification, the "catalyst" such as "alloy catalyst" refers to a catalyst carrier on which catalyst particles having catalytic ability are supported, and the "catalyst particles" are individual particles supported on the catalyst carrier. That is, it refers to particles having catalytic ability.

このような合金触媒は、初期活性が高いものの、耐久性が低いという問題を有している。合金触媒の耐久性を高める方法としては、例えば特許文献1〜3及び非特許文献1に開示されているリーチングが知られている。リーチングは、概略的には、合金触媒を酸性水溶液に接触させる処理である。合金触媒を酸性水溶液に接触させる際に、酸性水溶液が加熱される場合もある。 Although such an alloy catalyst has high initial activity, it has a problem of low durability. As a method for increasing the durability of the alloy catalyst, for example, leaching disclosed in Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1 is known. Reaching is generally a process of bringing an alloy catalyst into contact with an acidic aqueous solution. When the alloy catalyst is brought into contact with the acidic aqueous solution, the acidic aqueous solution may be heated.

合金触媒の耐久性を低くする要因の一つとして、複合金属粒子の表面に露出した遷移金属元素が固体高分子形燃料電池の使用中に固体高分子電解質膜に溶出することが挙げられる。リーチングの目的は、複合金属粒子の表面から遷移金属元素を酸性水溶液中に溶出させることである。複合金属粒子の表面から遷移金属元素を酸性水溶液中に溶出させることができれば、複合触媒粒子の表面にほぼ貴金属元素のみで構成されるスキン層を形成することができる。このようなスキン層によってスキン層より内側の遷移金属元素が固体高分子形燃料電池の使用中に溶出しにくくなる。したがって、合金触媒の耐久性が向上することが期待される。 One of the factors that lower the durability of the alloy catalyst is that the transition metal element exposed on the surface of the composite metal particles elutes into the polymer electrolyte membrane during use of the polymer electrolyte fuel cell. The purpose of leaching is to elute the transition metal element from the surface of the composite metal particles into an acidic aqueous solution. If the transition metal element can be eluted from the surface of the composite metal particles into the acidic aqueous solution, a skin layer composed of almost only the noble metal element can be formed on the surface of the composite catalyst particles. Such a skin layer makes it difficult for the transition metal element inside the skin layer to elute during use of the polymer electrolyte fuel cell. Therefore, it is expected that the durability of the alloy catalyst will be improved.

特開2010−027364号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-0273664 特開2016−054065号公報JP-A-2016-054065 特開2001−052718号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-052718

ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 9809−9817ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 9809-9817

しかし、本発明者が従来のリーチングについて検討したところ、従来のリーチングでは耐久性を高めることができないのみならず、初期活性がかえって低下する場合があることが判明した。 However, when the present inventor examined the conventional leaching, it was found that not only the durability cannot be increased by the conventional leaching, but also the initial activity may be rather decreased.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、合金触媒が本来的に有している高い初期活性を維持しつつ、合金触媒の耐久性を高めることが可能な、新規かつ改良された合金触媒及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to maintain the durability of the alloy catalyst while maintaining the high initial activity inherent in the alloy catalyst. It is an object of the present invention to provide a new and improved alloy catalyst and a method for producing the same, which can be enhanced.

本発明者は、従来のリーチングによって合金触媒の初期活性が低下する原因及び耐久性が改善されない原因を検討した。この結果、本発明者は、従来のリーチングの強度(酸濃度、加熱温度、または酸性水溶液との接触時間)が強すぎて(例えば、酸濃度が高すぎる、加熱温度が高すぎる、酸性水溶液との接触時間が長すぎる等)、複合触媒粒子の表面のみならず内部からも遷移金属元素を溶出させてしまうのではないかと考えた。すなわち、従来のリーチングでは、多量の遷移金属元素を溶出させてしまう結果、リーチング後の複合金属粒子の組成が仕込みの組成(当初狙っていた組成)から大きくずれてしまう(所謂「組成ずれ」)。この結果、合金触媒の初期活性が低下すると考えられる。また、リーチングによって複合金属粒子の表面に激しい凹凸が形成され、このような凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出すると考えられる。このような遷移金属元素は、固体高分子形燃料電池の使用中に固体高分子電解質膜に溶出する。このため、耐久性が改善しないと考えられる。 The present inventor investigated the cause of the decrease in the initial activity of the alloy catalyst and the cause of the durability not being improved by the conventional leaching. As a result, the present inventor found that the conventional leaching intensity (acid concentration, heating temperature, or contact time with an acidic aqueous solution) was too strong (for example, the acid concentration was too high, the heating temperature was too high, or the acidic aqueous solution). The contact time is too long, etc.), and I thought that the transition metal element might be eluted not only from the surface of the composite catalyst particles but also from the inside. That is, in the conventional leaching, as a result of eluting a large amount of transition metal elements, the composition of the composite metal particles after leaching deviates greatly from the prepared composition (the composition initially aimed at) (so-called “composition deviation”). .. As a result, it is considered that the initial activity of the alloy catalyst decreases. Further, it is considered that severe irregularities are formed on the surface of the composite metal particles by leaching, and the transition metal elements existing in the back of the composite metal particles are exposed on the surface due to such irregularities. Such transition metal elements elute into the polymer electrolyte membrane during use of the polymer electrolyte fuel cell. Therefore, it is considered that the durability is not improved.

そこで、本発明者は、リーチングの強度を弱めて(すなわち、酸濃度を低く、加熱温度を低く、あるいは酸性水溶液との接触時間を短くして)合金触媒をリーチングした。この結果、合金触媒の初期活性は維持できるものの、耐久性が改善しなかった。リーチングの強度が弱い場合、複合触媒粒子の表面から遷移金属元素が十分に溶出しなかったために、耐久性が改善しなかったと考えられる。 Therefore, the present inventor leached the alloy catalyst by weakening the leaching strength (that is, lowering the acid concentration, lowering the heating temperature, or shortening the contact time with the acidic aqueous solution). As a result, although the initial activity of the alloy catalyst could be maintained, the durability was not improved. When the leaching strength was weak, it is considered that the durability was not improved because the transition metal element was not sufficiently eluted from the surface of the composite catalyst particles.

そこで、本発明者は、複合金属粒子の組成ずれを抑制しつつ、合金触媒の耐久性を高めることが可能なリーチングの条件について検討した。ところで、上述したように、リーチングの目的は、複合金属粒子の表面にスキン層を形成することである。このようなスキン層によってスキン層より内側の遷移金属元素が固体高分子形燃料電池の使用中に溶出しにくくなる。したがって、合金触媒の耐久性が向上する。ただし、複合金属粒子の表面に(すなわちスキン層に)遷移金属元素が残留していると合金触媒の耐久性が低下する。したがって、スキン層に占める貴金属元素の存在割合(概念的には、複合金属粒子の表面に存在する総原子数に対する貴金属元素の原子数の割合。すなわち貴金属元素による被覆率)が大きいほど、スキン層が強固であり、合金触媒の耐久性が向上すると言える。したがって、リーチングの条件を検討するにあたっては、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価する評価方法を確立しておく必要がある。 Therefore, the present inventor has investigated the leaching conditions capable of increasing the durability of the alloy catalyst while suppressing the composition deviation of the composite metal particles. By the way, as described above, the purpose of leaching is to form a skin layer on the surface of the composite metal particles. Such a skin layer makes it difficult for the transition metal element inside the skin layer to elute during use of the polymer electrolyte fuel cell. Therefore, the durability of the alloy catalyst is improved. However, if the transition metal element remains on the surface of the composite metal particles (that is, on the skin layer), the durability of the alloy catalyst is reduced. Therefore, the larger the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer (conceptually, the ratio of the number of atoms of the noble metal element to the total number of atoms present on the surface of the composite metal particles, that is, the coverage ratio by the noble metal element), the more the skin layer It can be said that the durability of the alloy catalyst is improved. Therefore, when examining the leaching conditions, it is necessary to establish an evaluation method for quantitatively evaluating the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer.

従来では、複合金属粒子の観測には、SEM−EDS(走査型電子顕微鏡−エネルギー分散形X線分析装置)等の電子顕微鏡またはXPS(X線光電子分光法)等が用いられていた。しかし、SEM−EDS等の電子顕微鏡では局所情報しか得られない。つまり、着目している複合金属粒子しか観測できない。したがって、ある一定数(N数)の複合金属粒子を観測する必要があるが、複数の複合金属粒子の観察は非常に手間がかかる。また、そもそもSEM−EDS等の電子顕微鏡では、スキン層が形成される領域を選択的に観測できるわけではなく、さらに定量的な評価もできない。また、XPSの分析深さは数nm程度であるが、複合金属粒子の粒子径も概ね数nmである。したがって、XPSでは複合金属粒子の全体を観測することになり、スキン層が形成される領域を選択的に観測することができない。 Conventionally, an electron microscope such as SEM-EDS (scanning electron microscope-energy dispersive X-ray analyzer) or XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) has been used for observing composite metal particles. However, only local information can be obtained with an electron microscope such as SEM-EDS. In other words, only the composite metal particles of interest can be observed. Therefore, it is necessary to observe a certain number (N number) of composite metal particles, but it is very troublesome to observe a plurality of composite metal particles. Further, in the first place, with an electron microscope such as SEM-EDS, the region where the skin layer is formed cannot be selectively observed, and further quantitative evaluation cannot be performed. The analysis depth of XPS is about several nm, but the particle size of the composite metal particles is also about several nm. Therefore, XPS observes the entire composite metal particles, and cannot selectively observe the region where the skin layer is formed.

したがって、従来の観測方法では、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価することができなかった。そこで、本発明者は、まず、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価する方法について鋭意検討した。 Therefore, the conventional observation method cannot quantitatively evaluate the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer. Therefore, the present inventor first diligently studied a method for quantitatively evaluating the abundance ratio of noble metal elements in the skin layer.

具体的には、本発明者は、昇温脱離法に着目した。リーチング前の複合金属粒子の表面には貴金属元素及び遷移金属元素が存在する。リーチングを行うことで、複合金属粒子の表面における貴金属元素の存在割合が増加する。ここで、複合金属粒子の表面の貴金属元素には、通常の昇温脱離法で使用される温度域(室温から数百℃程度)では酸素分子が吸着しない。しかし、ごく低温(85K程度)であれば酸素分子が物理吸着する。一方、複合金属粒子の表面の遷移金属元素は酸化物として存在するので、酸素分子は遷移金属元素には吸着しない。また、遷移金属元素に化学結合した酸素原子が遷移金属元素の周囲に存在する貴金属元素への酸素分子の吸着を妨害すると考えられる。これらのことから、本発明者は、85Kで複合金属粒子の表面に吸着させた酸素分子を昇温によって脱離させ、この時の酸素分子の脱離量を評価すれば、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価することができるのではないかと考えた。以下、このような評価方法を「低温酸素TPD測定法」とも称する。 Specifically, the present inventor has focused on the thermal desorption method. Precious metal elements and transition metal elements are present on the surface of the composite metal particles before leaching. Reaching increases the proportion of noble metal elements present on the surface of the composite metal particles. Here, oxygen molecules are not adsorbed on the noble metal element on the surface of the composite metal particles in the temperature range (about room temperature to several hundred ° C.) used in the usual temperature-temperature desorption method. However, if the temperature is very low (about 85K), oxygen molecules are physically adsorbed. On the other hand, since the transition metal element on the surface of the composite metal particles exists as an oxide, the oxygen molecule is not adsorbed on the transition metal element. Further, it is considered that the oxygen atom chemically bonded to the transition metal element interferes with the adsorption of the oxygen molecule to the noble metal element existing around the transition metal element. From these facts, the present inventor desorbs oxygen molecules adsorbed on the surface of composite metal particles at 85 K by raising the temperature, and if the amount of oxygen molecules desorbed at this time is evaluated, the noble metal occupying the skin layer. I thought that the abundance ratio of elements could be evaluated quantitatively. Hereinafter, such an evaluation method is also referred to as a "low temperature oxygen TPD measurement method".

つまり、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が大きいほど多くの酸素分子が複合金属粒子の表面に物理吸着する。複合金属粒子の表面に物理吸着した酸素分子は昇温に伴って脱離するので、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が大きいほど、酸素分子の脱離量が多くなる。また、低温酸素TPD測定法によれば、測定対象のすべての複合金属粒子を評価することができる。 That is, the larger the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer, the more oxygen molecules are physically adsorbed on the surface of the composite metal particles. Since the oxygen molecules physically adsorbed on the surface of the composite metal particles are desorbed as the temperature rises, the larger the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer, the larger the desorption amount of the oxygen molecules. Further, according to the low temperature oxygen TPD measurement method, all the composite metal particles to be measured can be evaluated.

つぎに、本発明者は、複合金属粒子の組成ずれを抑制しつつ、合金触媒の耐久性を高めることが可能なリーチング条件について検討した。単にリーチング強度を強くしただけでは、複合金属粒子の組成ずれが生じ、合金触媒の初期活性が低下する。さらに、複合金属粒子の表面に激しい凹凸が形成され、この凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。したがって、耐久性が改善されない。一方で、リーチング強度が弱い場合、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が十分に高まらず、耐久性が改善されない。 Next, the present inventor investigated leaching conditions capable of increasing the durability of the alloy catalyst while suppressing the composition deviation of the composite metal particles. Simply increasing the leaching strength causes a composition shift of the composite metal particles and lowers the initial activity of the alloy catalyst. Further, severe irregularities are formed on the surface of the composite metal particles, and the irregularities expose the transition metal elements existing in the back of the composite metal particles to the surface. Therefore, the durability is not improved. On the other hand, when the leaching strength is weak, the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer is not sufficiently high, and the durability is not improved.

このため、本発明者は、従来では行わないような弱いリーチング強度で複数回リーチングを行うことを検討した。さらに、本発明者は、単に複数回リーチングを行うだけでなく、リーチング回数の増加に伴ってリーチング強度を段階的に弱めることとした。そして、作製された合金触媒を上述した低温酸素TPD測定法で評価したところ、ある特定のリーチング条件下で作製された合金触媒の酸素分子の脱離量が飛躍的に上昇することを見出した。具体的には、酸素分子の脱離量の積算値が複合金属粒子の表面に露出した貴金属部分の表面積1m当たり1.0×10−6mol以上となった。そして、このような脱離量が得られる合金触媒の耐久性を評価したところ、合金触媒が十分な耐久性を有することが判明した。これは、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が非常に大きくなったことを示している。したがって、酸素分子の脱離量の積算値によってスキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価できることが確認できた。さらに、本発明者は、この製造方法で作製された合金触媒の初期活性も問題ないことを確認できた。したがって、組成ずれも抑制できていることが確認できた。 Therefore, the present inventor has considered performing leaching a plurality of times with a weak leaching strength that is not conventionally performed. Furthermore, the present inventor has decided not only to perform leaching a plurality of times, but also to gradually weaken the leaching strength as the number of leachings increases. Then, when the produced alloy catalyst was evaluated by the above-mentioned low-temperature oxygen TPD measurement method, it was found that the desorption amount of oxygen molecules of the alloy catalyst produced under a specific leaching condition dramatically increased. Specifically, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules was 1.0 × 10-6 mol or more per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion exposed on the surface of the composite metal particles. Then, when the durability of the alloy catalyst obtained by obtaining such a desorption amount was evaluated, it was found that the alloy catalyst had sufficient durability. This indicates that the proportion of precious metal elements in the skin layer has increased significantly. Therefore, it was confirmed that the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer can be quantitatively evaluated by the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules. Furthermore, the present inventor has confirmed that there is no problem with the initial activity of the alloy catalyst produced by this production method. Therefore, it was confirmed that the composition deviation could be suppressed.

なお、本発明者が従来のリーチング方法で作製された合金触媒を低温酸素TPD測定法で評価したところ、いずれも酸素分子の脱離量が不足した。まず、リーチング強度が弱い場合、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素が残留するため、酸素分子の脱離量が少なくなる。したがって、リーチング強度を高めていけば、いずれ複合金属粒子の表面に遷移金属元素が存在しなくなり、酸素分子の脱離量が多くなると考えられる。しかし、リーチング強度を単に高めただけでは、酸素分子の脱離量の積算値が上述した値(複合金属粒子の表面に露出した貴金属部分の表面積1m当たり1.0×10−6mol以上)に到達しなかった。リーチング強度を高めた場合、複合金属粒子の表面は酸性水溶液で浸食されて激しい凹凸が形成される。このため、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素にも酸素分子が到達可能となり、このような遷移金属元素には酸素分子が吸着しない。したがって、酸素分子の脱離量が少なくなると考えられる。また、このような遷移金属元素は燃料電池の使用中に容易に溶出する。さらに、複合金属粒子の表面に激しい凹凸が形成された結果、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。これらの理由により、合金触媒の耐久性が悪くなる。このような問題を解決するために複合金属粒子をアニールして複合金属粒子の表面を平滑化することも考えられる。しかし、激しい凹凸を平滑化するために強いアニール(高温でのアニール)を行った場合、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に移動し、露出する。このため、リーチングの効果が相殺され、やはり酸素分子の脱離量が少なくなる。アニール強度が不足した場合、表面の凹凸が十分に平滑化されず、やはり酸素分子の脱離量が少なくなる。 When the present inventor evaluated the alloy catalyst produced by the conventional leaching method by the low-temperature oxygen TPD measurement method, the amount of oxygen molecules desorbed was insufficient in each case. First, when the leaching strength is weak, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles, so that the amount of oxygen molecules desorbed decreases. Therefore, if the leaching strength is increased, the transition metal element will eventually disappear from the surface of the composite metal particles, and the amount of oxygen molecules desorbed will increase. However, if the leaching strength is simply increased, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules is the above-mentioned value (1.0 × 10-6 mol or more per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion exposed on the surface of the composite metal particles). Did not reach. When the leaching strength is increased, the surface of the composite metal particles is eroded by the acidic aqueous solution to form severe irregularities. Therefore, oxygen molecules can reach the transition metal elements existing in the back of the composite metal particles, and the oxygen molecules are not adsorbed on such transition metal elements. Therefore, it is considered that the amount of oxygen molecules desorbed is reduced. In addition, such transition metal elements are easily eluted during use of the fuel cell. Furthermore, as a result of the severe irregularities formed on the surface of the composite metal particles, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. For these reasons, the durability of the alloy catalyst deteriorates. In order to solve such a problem, it is conceivable to anneal the composite metal particles to smooth the surface of the composite metal particles. However, when strong annealing (annealing at a high temperature) is performed to smooth the severe unevenness, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles moves to the surface and is exposed. Therefore, the effect of leaching is offset, and the amount of oxygen molecules desorbed is also reduced. When the annealing strength is insufficient, the unevenness of the surface is not sufficiently smoothed, and the amount of oxygen molecules desorbed is also reduced.

なお、リーチング強度を高めた場合、組成ずれの問題も生じる。この問題を解決する手法として、予め遷移金属元素を複合金属粒子に多めに仕込んでおくことが考えられる。しかし、リーチング強度が高い場合、リーチングによってどの程度遷移金属元素が溶出するか予測することは非常に困難である。このため、どの程度遷移金属元素を仕込んでおくべきかを判断することは非常に困難である。また、仮にリーチング後の組成が狙いの組成にたまたま一致したとしても、上述した問題(表面に激しい凹凸が形成されることにより耐久性が低下する等の問題)は依然として残る。 When the leaching strength is increased, the problem of composition deviation also occurs. As a method for solving this problem, it is conceivable to prepare a large amount of transition metal elements in the composite metal particles in advance. However, when the leaching intensity is high, it is very difficult to predict how much the transition metal element is eluted by leaching. Therefore, it is very difficult to determine how much the transition metal element should be charged. Further, even if the composition after leaching happens to match the target composition, the above-mentioned problems (problems such as deterioration of durability due to the formation of severe irregularities on the surface) still remain.

以上の結果から、本発明者は以下の知見を得た。すなわち、低温酸素TPD測定法によってスキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価することができる。さらに、従来では行わないような弱いリーチング強度で複数回リーチングを行うとともに、リーチング回数の増加に伴ってリーチング強度を段階的に弱めることによって、耐久性及び初期活性に優れた合金触媒を作製することができる。本発明は、これらの知見によってなされたものである。 From the above results, the present inventor has obtained the following findings. That is, the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer can be quantitatively evaluated by the low temperature oxygen TPD measurement method. Furthermore, an alloy catalyst having excellent durability and initial activity can be produced by performing leaching multiple times with a weak leaching strength, which is not conventionally performed, and gradually reducing the leaching strength as the number of leachings increases. Can be done. The present invention has been made based on these findings.

すなわち、本発明のある観点によれば、貴金属元素及び遷移金属元素を含む複合金属粒子と、複合金属粒子を担持する触媒担体と、を備え、貴金属元素は、Pt、Au、及びPdからなる群から選択される何れか1種以上であり、遷移金属元素は、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群から選択される何れか1種類以上であり、複合金属粒子は、貴金属元素及び遷移金属元素を貴金属元素:遷移金属元素=1:0.2以上1:1以下のモル比で含み、複合金属粒子をX線回折分析した場合に、2θ=37°以上42°以下で回折ピークが観測され、当該回折ピークに基づいて算出される格子定数と、以下の式(1)とに基づいて算出される合金化率が60%以上100%以下であり、
合金化率[%]={(バルク貴金属の格子定数)−(複合金属粒子の格子定数)}/{(バルク貴金属の格子定数)−(バルク複合金属の最大ピークの格子定数)}×100 (1)
回折ピークに基づいて算出される複合金属粒子の結晶子径が2〜8nmであり、85Kで複合金属粒子に吸着させた酸素分子を昇温脱離させる昇温脱離法を行った場合に、酸素分子に相当するm/z=32の昇温脱離曲線が130K以上190K以下の範囲に脱離ピークトップを有し、脱離ピークの面積に基づいて算出される酸素分子の脱離量の積算値が、複合金属粒子の表面に露出した貴金属部分の表面積1m当たり1.0×10−6mol以上であることを特徴とする、固体高分子形燃料電池用合金触媒が提供される。
That is, according to a certain viewpoint of the present invention, a composite metal particle containing a noble metal element and a transition metal element, and a catalyst carrier for supporting the composite metal particle are provided, and the noble metal element is a group consisting of Pt, Au, and Pd. Any one or more selected from the group, and the transition metal element is any one or more selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni, and the composite metal. The particles contain a noble metal element and a transition metal element in a molar ratio of noble metal element: transition metal element = 1: 0.2 or more and 1: 1 or less, and when the composite metal particles are subjected to X-ray diffraction analysis, 2θ = 37 ° or more. A diffraction peak is observed at 42 ° or less, and the lattice constant calculated based on the diffraction peak and the alloying ratio calculated based on the following equation (1) are 60% or more and 100% or less.
Alloying rate [%] = {(lattice constant of bulk noble metal)-(lattice constant of composite metal particles)} / {(lattice constant of bulk noble metal)-(lattice constant of maximum peak of bulk composite metal)} x 100 ( 1)
When the crystallite diameter of the composite metal particles calculated based on the diffraction peak is 2 to 8 nm and the temperature-temperature desorption method for heating and desorbing the oxygen molecules adsorbed on the composite metal particles at 85 K is performed, The temperature desorption curve of m / z = 32 corresponding to oxygen molecules has a desorption peak top in the range of 130K or more and 190K or less, and the desorption amount of oxygen molecules calculated based on the area of the desorption peak. Provided is an alloy catalyst for a solid polymer fuel cell, wherein the integrated value is 1.0 × 10-6 mol or more per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion exposed on the surface of the composite metal particles.

ここで、酸素分子の脱離量の積算値が、貴金属元素の表面積1m当たり3.0×10−6mol以上であってもよい。 Here, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules may be 3.0 × 10-6 mol or more per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element.

また、85Kで複合金属粒子に吸着させた酸素分子を昇温脱離させる昇温脱離法を行った場合に、二酸化炭素分子に相当するm/z=44の昇温脱離曲線が300K以上900K以下の範囲に脱離ピークトップを有し、脱離ピークの面積に基づいて算出される二酸化炭素分子の脱離量の積算値が、複合金属粒子の表面に露出した貴金属部分の表面積1m当たり3.0×10−7mol以下であってもよい。 Further, when the temperature-temperature desorption method is performed in which oxygen molecules adsorbed on composite metal particles are desorbed by temperature-temperature at 85 K, the temperature-temperature desorption curve of m / z = 44 corresponding to carbon dioxide molecules is 300 K or more. It has a desorption peak top in the range of 900K or less, and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules calculated based on the area of the desorption peak is 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion exposed on the surface of the composite metal particles. It may be 3.0 × 10-7 mol or less per hit.

また、二酸化炭素分子の脱離量の積算値が、複合金属粒子の表面に露出した貴金属部分の表面積1m当たり2.5×10−7mol以下であってもよい。 Further, the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules may be 2.5 × 10-7 mol or less per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion exposed on the surface of the composite metal particles.

また、貴金属元素はPtであり、遷移金属元素は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択される何れか1種類以上であってもよい。 Further, the noble metal element is Pt, and the transition metal element may be any one or more selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.

本発明の他の観点によれば、上記の固体高分子形燃料電池用合金触媒の製造方法であって、以下の第0工程〜第10工程を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用合金触媒の製造方法が提供される。
(第0工程)
貴金属元素及び遷移金属元素を含む未処理複合金属粒子と、未処理複合金属粒子を担持する触媒担体と、を備える未処理合金触媒を準備する。
ここで、貴金属元素は、Pt、Au、及びPdからなる群から選択される何れか1種以上であり、遷移金属元素は、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群から選択される何れか1種類以上である。
(第1工程)
未処理合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガスと、不活性ガスの流量に対して50体積%以下の水素ガスとを含む雰囲気中、500℃以上900℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間熱処理する。
(第2工程)
第1工程により得られた合金触媒を、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、及び過塩素酸からなる群から選択される何れか1種以上の酸を1.0×10−3mol/L以上5.0×10−3mol/L以下の濃度で含む酸性水溶液に、30℃以上90℃以下の温度で、30分以上100分以下の時間接触させる。
(第3工程)
第2工程により得られた合金触媒を洗浄した後、乾燥させる。
(第4工程)
第3工程により得られた合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガスと、不活性ガスの流量に対して10体積%以下の水素ガスとを含む雰囲気中、250℃以上550℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間熱処理する。
(第5工程)
第4工程により得られた合金触媒を、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、及び過塩素酸からなる群から選択される何れか1種以上の酸を1.0×10−4mol/L以上5.0×10−4mol/L以下の濃度で含む酸性水溶液に、30℃以上70℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間接触させる。
(第6工程)
第5工程により得られた合金触媒を洗浄した後、乾燥させる。
(第7工程)
第6工程により得られた合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガスと、不活性ガスの流量に対して5体積%以下の水素ガスとを含む雰囲気中、200℃以上500℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間熱処理する。
(第8工程)
第7工程により得られた合金触媒を、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、及び過塩素酸からなる群から選択される何れか1種以上の酸を1.0×10−5mol/L以上5.0×10−5mol/L以下の濃度で含む酸性水溶液に、30℃以上60℃以下の温度で、5分以上30分以下の時間接触させる。
(第9工程)
第8工程により得られた合金触媒を洗浄した後、乾燥させる。
(第10工程)
第9工程により得られた合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガス雰囲気中、200℃以上450℃以下の温度で、5分以上30分以下の時間熱処理する。
According to another aspect of the present invention, the above-mentioned method for producing an alloy catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, which comprises the following steps 0 to 10. A method for producing an alloy catalyst for a battery is provided.
(Step 0)
An untreated alloy catalyst comprising untreated composite metal particles containing a noble metal element and a transition metal element and a catalyst carrier supporting the untreated composite metal particles is prepared.
Here, the noble metal element is at least one selected from the group consisting of Pt, Au, and Pd, and the transition metal element is from Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni. Any one or more selected from the group.
(First step)
The untreated alloy catalyst is an inert gas composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium, and hydrogen gas having a flow rate of 50% by volume or less with respect to the flow rate of the inert gas. In the including atmosphere, heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or higher and 900 ° C. or lower for a time of 10 minutes or longer and 60 minutes or shorter.
(Second step)
The alloy catalyst obtained in the first step is 1.0 × 10 -3 mol / L or more of any one or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and perchloric acid. It is brought into contact with an acidic aqueous solution containing a concentration of 5.0 × 10 -3 mol / L or less at a temperature of 30 ° C. or higher and 90 ° C. or lower for a time of 30 minutes or longer and 100 minutes or shorter.
(Third step)
The alloy catalyst obtained in the second step is washed and then dried.
(4th step)
The alloy catalyst obtained in the third step is an inert gas composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium, and 10% by volume or less with respect to the flow rate of the inert gas. In an atmosphere containing the hydrogen gas of the above, heat treatment is performed at a temperature of 250 ° C. or higher and 550 ° C. or lower for a time of 10 minutes or longer and 60 minutes or lower.
(Fifth step)
The alloy catalyst obtained in the fourth step contains 1.0 × 10 -4 mol / L or more of any one or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and perchloric acid. It is brought into contact with an acidic aqueous solution containing a concentration of 5.0 × 10 -4 mol / L or less at a temperature of 30 ° C. or higher and 70 ° C. or lower for a time of 10 minutes or longer and 60 minutes or shorter.
(6th step)
The alloy catalyst obtained in the fifth step is washed and then dried.
(7th step)
The alloy catalyst obtained in the sixth step is an inert gas composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium, and 5% by volume or less with respect to the flow rate of the inert gas. In an atmosphere containing the hydrogen gas of the above, heat treatment is performed at a temperature of 200 ° C. or higher and 500 ° C. or lower for a time of 10 minutes or longer and 60 minutes or shorter.
(8th step)
The alloy catalyst obtained in the 7th step contains 1.0 × 10-5 mol / L or more of any one or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and perchloric acid. It is brought into contact with an acidic aqueous solution containing a concentration of 5.0 × 10-5 mol / L or less at a temperature of 30 ° C. or higher and 60 ° C. or lower for a time of 5 minutes or longer and 30 minutes or shorter.
(9th step)
The alloy catalyst obtained in the eighth step is washed and then dried.
(10th step)
The alloy catalyst obtained in the ninth step is used at a temperature of 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower in an inert gas atmosphere composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium. Heat treatment is performed for a time of minutes or more and 30 minutes or less.

以上説明した通り、本発明によれば、合金触媒が本来的に有している高い初期活性を維持しつつ、合金触媒の耐久性を高めることが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to improve the durability of the alloy catalyst while maintaining the high initial activity inherent in the alloy catalyst.

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The numerical range represented by using "~" means a range including the numerical values before and after "~" as the lower limit value and the upper limit value.

<1.低温酸素TPD測定法について>
本実施形態では、低温酸素TPD測定法を行うことで、複合金属粒子の表面に形成されたスキン層を定量的に評価する。以下、低温酸素TPD測定法の具体的な手順の一例を説明する。もちろん、本実施形態に係る低温酸素TPD測定法は以下の手順に限定されない。
<1. About low temperature oxygen TPD measurement method>
In the present embodiment, the skin layer formed on the surface of the composite metal particles is quantitatively evaluated by performing the low temperature oxygen TPD measurement method. Hereinafter, an example of a specific procedure of the low temperature oxygen TPD measurement method will be described. Of course, the low temperature oxygen TPD measurement method according to the present embodiment is not limited to the following procedure.

本実施形態に係る低温酸素TPD測定法は、例えばターボ分子ポンプで排気された四重極質量分析器と、油拡散ポンプを備えた試料管ガス導入系を持つ真空装置とを用いて行うことができる。試料温度は石英ガラス製の試料管に取り付けた熱電対温度計によって測定される。 The low temperature oxygen TPD measurement method according to the present embodiment can be performed using, for example, a quadrupole mass analyzer exhausted by a turbo molecular pump and a vacuum apparatus having a sample tube gas introduction system equipped with an oil diffusion pump. it can. The sample temperature is measured by a thermocouple thermometer attached to a quartz glass sample tube.

まず、所定量(例えば0.05g程度)の合金触媒の試料を試料管に入れ、前処理として500℃の水素還元を5分間行い、同温度で排気する。水素還元は複数回(例えば2回程度)行うことが好ましい。ついで、試料を液体窒素で85K(−185℃)まで冷却する。その後、試料管内に酸素を1kPa導入して15分間静置する。この工程により、試料に酸素分子を吸着させる。 First, a predetermined amount (for example, about 0.05 g) of a sample of an alloy catalyst is placed in a sample tube, hydrogen reduction at 500 ° C. is performed for 5 minutes as a pretreatment, and the sample is exhausted at the same temperature. Hydrogen reduction is preferably performed a plurality of times (for example, about twice). The sample is then cooled to 85 K (-185 ° C.) with liquid nitrogen. Then, 1 kPa of oxygen is introduced into the sample tube and allowed to stand for 15 minutes. By this step, oxygen molecules are adsorbed on the sample.

ついで、試料管を排気する。その後、試料管を四重極分析装置に接続する。試料管内の酸素分圧が下がるまで20分間静置した後、試料管内の試料を例えば10K/minの昇温速度で昇温する。この際、四重極質量分析装置でm/z=32、好ましくはさらにm/z=44の信号をそれぞれ記録する。ここで、m/z=32の信号は酸素分子に、m/z=44の信号は二酸化炭素分子に相当する。各信号は規定量の酸素、二酸化炭素に対してキャリブレーションする。ついで、横軸を温度、縦軸をmol/(s・g)としたxy平面に測定値をプロットすることで、酸素分子に相当するm/z=32のTPDスペクトル(昇温脱離曲線)、好ましくはさらに二酸化炭素分子に相当するm/z=44のTPDスペクトルを得る。C元素を含む触媒担体、例えば多孔質炭素材料を使用した場合に、m/z=44のTPDスペクトルが得られる場合がある。m/z=32のTPDスペクトルは、130K以上190K以下の範囲に脱離ピークトップを有する。m/z=44のTPDスペクトルは、300K以上900K以下の範囲に脱離ピークトップを有する場合がある。なお、m/z=44のTPDスペクトルを取得することで、合金触媒の耐久性をより正確に評価することができる。詳細は後述する。 Then, the sample tube is exhausted. After that, the sample tube is connected to the quadrupole analyzer. After allowing to stand for 20 minutes until the partial pressure of oxygen in the sample tube decreases, the temperature of the sample in the sample tube is raised at a heating rate of, for example, 10 K / min. At this time, a quadrupole mass spectrometer records a signal of m / z = 32, preferably further m / z = 44. Here, the signal of m / z = 32 corresponds to the oxygen molecule, and the signal of m / z = 44 corresponds to the carbon dioxide molecule. Each signal is calibrated for the specified amount of oxygen and carbon dioxide. Then, by plotting the measured values on the xy plane with the horizontal axis as the temperature and the vertical axis as mol / (s · g), the TPD spectrum of m / z = 32 corresponding to the oxygen molecule (temperature-rising elimination curve). , Preferably further obtain a TPD spectrum of m / z = 44 corresponding to the carbon dioxide molecule. When a catalyst carrier containing element C, for example, a porous carbon material, is used, a TPD spectrum of m / z = 44 may be obtained. The TPD spectrum of m / z = 32 has a desorption peak top in the range of 130K or more and 190K or less. The TPD spectrum of m / z = 44 may have a desorption peak top in the range of 300K or more and 900K or less. By acquiring the TPD spectrum of m / z = 44, the durability of the alloy catalyst can be evaluated more accurately. Details will be described later.

ついで、各TPDスペクトルから脱離ピークを分離し、脱離ピークの面積を算出する。脱離ピークの分離は、例えば、OriginPro 2018(ライトストーン社製)のピークフィット機能を用いて行うことができる。TPDスペクトルの横軸は温度であるが、昇温速度(例えば10K/min)に基づいて横軸を時間に換算する。具体的には、脱離ピークの横軸の値を昇温速度で除することで横軸の値を時間に換算する。さらに、横軸の時間の単位を縦軸の時間の単位(上記の例ではs、すなわち秒)に合わせる。このような換算を行った後に、脱離ピークの面積を算出する。脱離ピークの面積の単位はmol/(s・g)×s=mol/gとなる。これにより、単位がmol/gである脱離ピークの面積を算出する。脱離ピークの面積は、試料1g当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値を意味する。 Then, the desorption peak is separated from each TPD spectrum, and the area of the desorption peak is calculated. Separation of the desorption peak can be performed, for example, by using the peak fit function of OriginPro 2018 (manufactured by Lightstone). The horizontal axis of the TPD spectrum is temperature, but the horizontal axis is converted to time based on the rate of temperature rise (for example, 10 K / min). Specifically, the value on the horizontal axis is converted into time by dividing the value on the horizontal axis of the desorption peak by the rate of temperature rise. Further, the unit of time on the horizontal axis is adjusted to the unit of time on the vertical axis (s, that is, seconds in the above example). After performing such conversion, the area of the desorption peak is calculated. The unit of the area of the desorption peak is mol / (s · g) × s = mol / g. Thereby, the area of the desorption peak having the unit of mol / g is calculated. The area of the desorption peak means the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules or carbon dioxide molecules per 1 g of the sample.

上述したように、酸素分子の脱離量の積算値は、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価する指標となる。二酸化炭素分子の脱離量の積算値も同様に、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価する指標となる。後述する実施例で示される通り、酸素分子の脱離量の積算値が大きくなる程(すなわち、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が大きくなる程)、二酸化炭素分子の脱離量の積算値は減少する傾向にある。したがって、二酸化炭素分子の脱離量の積算値が小さいほど、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が大きいと言える。この原因は明らかではないが、本発明者は、二酸化炭素分子が複合金属粒子の表面に存在する遷移金属元素の酸化物に由来するものであると考えている。つまり、触媒担体中のC元素が遷移金属元素に化学結合した酸素と何らかの原因で結合し、二酸化炭素分子となって合金触媒から脱離すると考えられる。スキン層に占める貴金属元素の存在割合が大きいほど、複合金属粒子の表面(すなわちスキン層)に存在する遷移金属元素が少なくなるので、二酸化炭素分子の脱離量の積算値も小さくなる。 As described above, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules is an index for quantitatively evaluating the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer. Similarly, the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules is also an index for quantitatively evaluating the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer. As shown in Examples described later, the larger the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules (that is, the larger the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer), the larger the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules. Tends to decrease. Therefore, it can be said that the smaller the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules, the larger the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer. Although the cause of this is not clear, the present inventor believes that the carbon dioxide molecule is derived from the oxide of the transition metal element present on the surface of the composite metal particles. That is, it is considered that the C element in the catalyst carrier is bonded to oxygen chemically bonded to the transition metal element for some reason to become a carbon dioxide molecule and is desorbed from the alloy catalyst. As the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer increases, the transition metal element present on the surface of the composite metal particles (that is, the skin layer) decreases, so that the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules also decreases.

ただし、試料1g当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値は、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を正確に反映していない場合がある。低温酸素TPD測定法の測定対象は合金触媒であり、複合金属粒子の他触媒担体を構成要素として含む。また、詳細は後述するが、リーチングの対象となる合金触媒の製造方法は特に問われない。したがって、合金触媒における複合金属粒子の担持率(合金触媒の総質量に対する複合金属粒子の質量%)が合金触媒毎に変動しうる。この場合、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が同程度であっても担持率によっては脱離ピークの面積が変動する可能性がある。 However, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules or carbon dioxide molecules per 1 g of the sample may not accurately reflect the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer. The measurement target of the low-temperature oxygen TPD measurement method is an alloy catalyst, which includes a catalyst carrier in addition to the composite metal particles as a constituent element. Further, although the details will be described later, the method for producing the alloy catalyst to be reached is not particularly limited. Therefore, the carrying ratio of the composite metal particles in the alloy catalyst (mass% of the composite metal particles with respect to the total mass of the alloy catalyst) can vary from alloy catalyst to alloy catalyst. In this case, even if the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer is about the same, the area of the desorption peak may fluctuate depending on the loading ratio.

そこで、試料1g当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値を、複合金属粒子の表面に露出した貴金属部分の表面積(以下、単に「貴金属部分の表面積」とも称する)1m当たりの値に換算する。具体的には、試料1g当たりの貴金属部分の表面積(m/g)をCOパルスインジェクション化学吸着量測定法により求める。ここで、COパルスインジェクション化学吸着量測定は、例えば金属分散度測定装置(BEL−METAL−3、マイクロトラック・ベル社製)を用いて行うことができる。具体的には、所定量(例えば0.05g)の試料を試料管に入れる。ついで、前処理として、Heガス流通下で試料を500℃まで昇温し、5分間保持する。ついで、Heガスを水素ガスに切り替え、水素ガスの流通下で試料を500℃で10分間保持する。ついで、水素ガスをArガスに切り替え、Arガスの流通下で試料を40℃まで冷却する。ついで、この温度を維持しながら、CO吸着が見られなくなるまで試料管内に1分毎に10体積%COガスパルスを注入する。ついで、試料のCO吸着量を算出する。得られたCOガスの吸着量と、以下の式(2)に基づいて、試料1g当たりの貴金属部分の表面積(m/g)を算出する。なお、式(2)においてNAはアボガドロ定数である。
貴金属部分の表面積[m/g]=(CO吸着量[L]×NA×COの分子占有面積[m/1分子])/(22.4「L/mol」×試料質量[g]) (2)
Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules or carbon dioxide molecules per 1 g of the sample is per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion exposed on the surface of the composite metal particles (hereinafter, also simply referred to as “the surface area of the noble metal portion”). Convert to a value. Specifically, the surface area (m 2 / g) of the noble metal portion per 1 g of the sample is determined by the CO pulse injection chemisorption amount measurement method. Here, the CO pulse injection chemisorption amount measurement can be performed using, for example, a metal dispersion measuring device (BEL-METAL-3, manufactured by Microtrac Bell). Specifically, a predetermined amount (for example, 0.05 g) of a sample is placed in a sample tube. Then, as a pretreatment, the sample is heated to 500 ° C. under He gas flow and held for 5 minutes. Then, the He gas is switched to hydrogen gas, and the sample is held at 500 ° C. for 10 minutes under the flow of hydrogen gas. Then, the hydrogen gas is switched to Ar gas, and the sample is cooled to 40 ° C. under the flow of Ar gas. Then, while maintaining this temperature, 10% by volume CO gas pulse is injected into the sample tube every minute until CO adsorption is no longer observed. Then, the CO adsorption amount of the sample is calculated. The surface area (m 2 / g) of the noble metal portion per 1 g of the sample is calculated based on the adsorbed amount of the obtained CO gas and the following formula (2). In equation (2), NA is Avogadro's constant.
The surface area of the noble metal portion [m 2 / g] = ( CO adsorption amount [L] molecular area of × NA × CO [m 2/ 1 molecule]) / (22.4 "L / mol" × sample weight [g] ) (2)

ついで、試料1g当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値を試料1g当たりの貴金属部分の表面積(m/g)で除することで、貴金属部分の表面積1m当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値を求める。上述したように、貴金属部分の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値は、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価するための指標となる。すなわち、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が大きいほど(言い換えれば、複合金属粒子の全表面積に占める貴金属部分の表面積が広いほど)、多くの酸素分子が複合金属粒子の表面に物理吸着する。詳細は後述するが、本実施形態では、貴金属部分の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が1.0×10−6mol以上となる場合に、スキン層が強固に形成された、すなわち合金触媒の耐久性が十分に高いと判断される。貴金属部分の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値も、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価するための指標となる。すなわち、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が大きいほど、二酸化炭素分子の脱離量の積算値が小さくなる。 Then, by dividing the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules or carbon dioxide molecules per 1 g of the sample by the surface area (m 2 / g) of the noble metal portion per 1 g of the sample, the oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion. Alternatively, the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules is obtained. As described above, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion is an index for quantitatively evaluating the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer. That is, the larger the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer (in other words, the larger the surface area of the noble metal portion in the total surface area of the composite metal particles), the more oxygen molecules are physically adsorbed on the surface of the composite metal particles. Although details will be described later, in the present embodiment, the skin layer is firmly formed when the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion is 1.0 × 10-6 mol or more. That is, it is judged that the durability of the alloy catalyst is sufficiently high. The integrated value of the amount of carbon dioxide molecules desorbed per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion is also an index for quantitatively evaluating the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer. That is, the larger the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer, the smaller the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules.

<2.合金触媒の構成>
つぎに、合金触媒の構成について説明する。本実施形態に係る合金触媒は、貴金属元素及び遷移金属元素を含む多数の複合金属粒子と、これらの複合金属粒子を担持する触媒担体と、を備える。触媒担体は多孔質体となっており、触媒担体の表面(内部の気孔部分の壁面含む)に複合金属粒子が分散して担持されている。
<2. Alloy catalyst composition>
Next, the configuration of the alloy catalyst will be described. The alloy catalyst according to the present embodiment includes a large number of composite metal particles containing a noble metal element and a transition metal element, and a catalyst carrier supporting these composite metal particles. The catalyst carrier is a porous body, and composite metal particles are dispersed and supported on the surface of the catalyst carrier (including the wall surface of the inner pore portion).

(2−1.複合金属粒子)
複合金属粒子は、貴金属元素及び遷移金属元素を含む。貴金属元素は、Pt、Au、及びPdからなる群から選択される何れか1種以上である。これにより、合金触媒の初期活性が向上する。貴金属元素は、好ましくはPtである。この場合、固体高分子形燃料電池の初期活性が特に向上しうる。遷移金属元素は、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群から選択される何れか1種類以上である。これにより、合金触媒の初期活性が向上する。遷移金属元素は、好ましくはFe、Co、及びNiからなる群から選択される何れか1種類以上である。この場合、合金触媒の初期活性が特に向上しうる。
(2-1. Composite metal particles)
Composite metal particles include noble metal elements and transition metal elements. The noble metal element is at least one selected from the group consisting of Pt, Au, and Pd. This improves the initial activity of the alloy catalyst. The noble metal element is preferably Pt. In this case, the initial activity of the polymer electrolyte fuel cell can be particularly improved. The transition metal element is at least one selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni. This improves the initial activity of the alloy catalyst. The transition metal element is preferably any one or more selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. In this case, the initial activity of the alloy catalyst can be particularly improved.

さらに、複合金属粒子は、貴金属元素及び遷移金属元素を貴金属元素:遷移金属元素=1:0.2以上1:1以下のモル比で含む。より具体的には、複合金属粒子は、貴金属元素1mol当たり遷移金属元素を0.2mol以上1.0mol以下の比率で含む。これにより、合金触媒の初期活性が向上する。なお、詳細は後述するが、本実施形態に係る合金触媒の製造方法によれば、複合金属粒子の組成ずれを抑制することができ、ひいては、複合金属粒子の組成を上記範囲内の値とすることができる。ここで、貴金属元素及び遷移金属元素のモル比は、例えば誘導結合プラズマ発光分光分析法により求められる。具体的には、誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES: Inductively Coupled Plasma − Atomic Emission Spectrometry)により合金触媒における貴金属元素の担持率(合金触媒の総質量に対する貴金属元素の質量%)及び遷移金属元素の担持率(合金触媒の総質量に対する遷移金属元素の質量%)を求める。そして、貴金属元素及び遷移金属元素それぞれの担持率に基づいて、貴金属元素及び遷移金属元素のモル比を求める。なお、誘導結合プラズマ発光分光分析法による測定は例えば島津製作所社製ICPE−9800により行うことができる。 Further, the composite metal particles contain a noble metal element and a transition metal element in a molar ratio of noble metal element: transition metal element = 1: 0.2 or more and 1: 1 or less. More specifically, the composite metal particles contain a transition metal element per 1 mol of the noble metal element at a ratio of 0.2 mol or more and 1.0 mol or less. This improves the initial activity of the alloy catalyst. Although the details will be described later, according to the method for producing an alloy catalyst according to the present embodiment, the composition deviation of the composite metal particles can be suppressed, and the composition of the composite metal particles is set to a value within the above range. be able to. Here, the molar ratio of the noble metal element and the transition metal element can be obtained by, for example, inductively coupled plasma emission spectroscopic analysis. Specifically, by inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP-AES: Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrum), the carrying ratio of noble metal elements in the alloy catalyst (% by mass of the noble metal elements with respect to the total mass of the alloy catalyst) and the transition metal. The element carrying ratio (mass% of the transition metal element with respect to the total mass of the alloy catalyst) is determined. Then, the molar ratio of the noble metal element and the transition metal element is obtained based on the carrying ratio of each of the noble metal element and the transition metal element. The measurement by inductively coupled plasma emission spectroscopy can be performed by, for example, ICPE-9800 manufactured by Shimadzu Corporation.

さらに、複合金属粒子をX線回折分析した場合に、2θ=37°以上42°以下で回折ピークが観測され、当該回折ピークに基づいて算出される格子定数と、以下の式(1)とに基づいて算出される合金化率が60%以上100%以下である。つまり、貴金属元素及び遷移金属元素は高い合金化率で合金化されている。合金化率は、概念的には複合金属粒子内の遷移金属元素の固溶度合いを示す値であり、合金化率が高いほど遷移金属元素と貴金属元素が複合金属粒子内で均一に固溶している。貴金属元素及び遷移金属元素が合金化されることで、貴金属元素のみからなる触媒粒子に比べて原子間距離が変動し、初期活性が向上する。特に、合金化率を60%以上100%以下の範囲内の値とすることで、遷移金属元素の偏析が抑制され、初期活性がより向上する。合金化率が低い、すなわち複合金属粒子内に遷移金属元素が偏析している場合、リーチングによって多量の遷移金属元素が溶出し、複合金属粒子が組成ずれを起こしている可能性がある。このために初期活性が低下する。
合金化率[%]={(バルク貴金属の格子定数)−(複合金属粒子の格子定数)}/{(バルク貴金属の格子定数)−(バルク複合金属の最大ピークの格子定数)}×100
(1)
Further, when the composite metal particles are subjected to X-ray diffraction analysis, a diffraction peak is observed at 2θ = 37 ° or more and 42 ° or less, and the lattice constant calculated based on the diffraction peak and the following equation (1) are obtained. The alloying ratio calculated based on this is 60% or more and 100% or less. That is, the noble metal element and the transition metal element are alloyed at a high alloying rate. The alloying ratio is a value that conceptually indicates the degree of solid solution of the transition metal element in the composite metal particles, and the higher the alloying ratio, the more uniformly the transition metal element and the noble metal element are solid-solved in the composite metal particles. ing. By alloying the noble metal element and the transition metal element, the interatomic distance fluctuates and the initial activity is improved as compared with the catalyst particles consisting only of the noble metal element. In particular, when the alloying ratio is set to a value within the range of 60% or more and 100% or less, segregation of the transition metal element is suppressed and the initial activity is further improved. When the alloying ratio is low, that is, when the transition metal element is segregated in the composite metal particles, a large amount of the transition metal element may be eluted by leaching, and the composite metal particles may have a composition shift. This reduces the initial activity.
Alloying rate [%] = {(lattice constant of bulk noble metal)-(lattice constant of composite metal particles)} / {(lattice constant of bulk noble metal)-(lattice constant of maximum peak of bulk composite metal)} x 100
(1)

式(1)において、複合金属粒子の格子定数は、X線回折分析により求められた値である。バルク貴金属の格子定数は、貴金属元素の標準試料をX線回折分析することで得られた格子定数であり、データベース(例えば、国際回折データセンター(International Centre for Diffraction Date; ICDDが配布するデータベース)に登録されている。なお、複合金属粒子に貴金属元素が複数種類含まれている場合、バルク貴金属の格子定数は、複合金属粒子中の物質量が最も多い貴金属元素の格子定数を用いることができる。バルク複合金属の最大ピークの格子定数は、複合金属粒子と同一組成の標準試料をX線回折分析することで得られた格子定数であり、データベース(例えば、国際回折データセンター(International Centre for Diffraction Date; ICDDが配布するデータベース)に登録されている。後述する実施例では、国際回折データセンターが配布するデータベースに基づいて、合金化率を算出した。 In the formula (1), the lattice constant of the composite metal particles is a value obtained by X-ray diffraction analysis. The lattice constant of the bulk precious metal is a lattice constant obtained by X-ray diffraction analysis of a standard sample of the noble metal element, and is stored in a database (for example, the International Center for Diffraction Date; a database distributed by ICDD). It is registered. When the composite metal particles contain a plurality of types of noble metal elements, the lattice constant of the noble metal element having the largest amount of substance in the composite metal particles can be used as the lattice constant of the bulk noble metal. The lattice constant of the maximum peak of the bulk composite metal is a lattice constant obtained by X-ray diffraction analysis of a standard sample having the same composition as the composite metal particles, and is a database (for example, International Center for Diffraction Date). It is registered in the database distributed by ICDD). In the examples described later, the alloying rate was calculated based on the database distributed by the International Center for Diffraction and Diffraction.

さらに、当該回折ピークに基づいて算出される複合金属粒子の結晶子径が2〜8nmである。ここでの結晶子径は所謂平均結晶子径である。結晶子径をこの範囲内の値とすることで、初期活性が向上する。例えば、結晶子径が8nmを超える場合、全複合金属粒子の表面積の総和が小さくなる。これは固体高分子形燃料電池を作動させた際の反応場が狭くなることを意味する。したがって、初期活性が小さくなる。結晶子径が2nm未満となる場合、複合金属粒子の表面積の総和は大きいものの、結晶子径が小さく、燃料電池環境下でオストワルド成長による凝集が起こりやすくなる。したがって、結晶子径が2nm未満では複合金属粒子が速やかに凝集してしまうため、初期活性が速やかに低下し、耐久性が低くなる。なお、ここでの結晶子径は、複合金属粒子の粒子径と考えて問題ない。本実施形態における複合金属粒子の粒子径は数nm程度と小さく、単結晶として存在していると考えられるからである。 Further, the crystallite diameter of the composite metal particles calculated based on the diffraction peak is 2 to 8 nm. The crystallite diameter here is the so-called average crystallite diameter. By setting the crystallite diameter to a value within this range, the initial activity is improved. For example, when the crystallite diameter exceeds 8 nm, the total surface area of all composite metal particles becomes small. This means that the reaction field when the polymer electrolyte fuel cell is operated becomes narrow. Therefore, the initial activity becomes small. When the crystallite diameter is less than 2 nm, the total surface area of the composite metal particles is large, but the crystallite diameter is small, and aggregation due to Ostwald ripening is likely to occur in a fuel cell environment. Therefore, if the crystallite diameter is less than 2 nm, the composite metal particles are rapidly aggregated, so that the initial activity is rapidly reduced and the durability is lowered. The crystallite diameter here can be considered as the particle size of the composite metal particles, and there is no problem. This is because the particle size of the composite metal particles in the present embodiment is as small as several nm, and it is considered that the composite metal particles exist as a single crystal.

さらに、合金触媒に対して低温酸素TPD測定を行った場合に、酸素分子に相当するm/z=32のTPDスペクトル(昇温脱離曲線)が得られる。このTPDスペクトルは、130K以上190K以下の範囲に脱離ピークトップを有する。そして、脱離ピークの面積に基づいて算出される酸素分子の脱離量の積算値は、貴金属部分の表面積1m当たり1.0×10−6mol(mol/m)以上となる。上述したように、貴金属部分の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値は、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価するための指標となる。すなわち、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が大きいほど(言い換えれば、複合金属粒子の全表面積に占める貴金属部分の表面積が広いほど)、多くの酸素分子が複合金属粒子の表面に物理吸着する。そして、本実施形態に係る合金触媒では、貴金属部分の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が1.0×10−6mol(mol/m)以上となる。これにより、スキン層が強固に形成され、合金触媒の耐久性が飛躍的に向上する。なお、スキン層にわずかに遷移金属元素が残留している場合も想定されるが、貴金属部分の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が1.0×10−6mol(mol/m)以上であれば、スキン層に占める貴金属元素の存在割合は十分高く、耐久性も十分高いと判断できる。 Further, when the low temperature oxygen TPD measurement is performed on the alloy catalyst, a TPD spectrum (heated desorption curve) of m / z = 32 corresponding to oxygen molecules can be obtained. This TPD spectrum has a desorption peak top in the range of 130K or more and 190K or less. The integrated value of the desorption amount of oxygen molecules calculated based on the area of the desorption peak is 1.0 × 10-6 mol (mol / m 2 ) or more per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion. As described above, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion is an index for quantitatively evaluating the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer. That is, the larger the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer (in other words, the larger the surface area of the noble metal portion in the total surface area of the composite metal particles), the more oxygen molecules are physically adsorbed on the surface of the composite metal particles. Then, in the alloy catalyst according to the present embodiment, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion is 1.0 × 10-6 mol (mol / m 2 ) or more. As a result, the skin layer is firmly formed, and the durability of the alloy catalyst is dramatically improved. Although it is assumed that a small amount of transition metal element remains in the skin layer, the integrated value of the amount of oxygen molecules desorbed per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion is 1.0 × 10-6 mol (mol). If it is / m 2 ) or more, it can be judged that the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer is sufficiently high and the durability is sufficiently high.

ここで、酸素分子の脱離量の積算値は、好ましくは貴金属元素の表面積1m当たり3.0×10−6mol(mol/m)以上である。この場合、合金触媒の耐久性がさらに向上する。上限値は特に制限されないが、複合金属粒子の表面がすべて貴金属元素で覆われていると仮定した場合に測定される酸素分子の脱離量の積算値が実質的な上限値となりうる。 Here, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules is preferably 3.0 × 10-6 mol (mol / m 2 ) or more per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element. In this case, the durability of the alloy catalyst is further improved. The upper limit is not particularly limited, but the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules measured when it is assumed that the surface of the composite metal particles is entirely covered with the noble metal element can be a substantial upper limit.

また、合金触媒に対して低温酸素TPD測定を行った場合に、二酸化炭素に相当するm/z=44のTPDスペクトルをさらに得ることが好ましい。このTPDスペクトルは、300K以上900K以下の範囲に脱離ピークトップを有する場合がある。そして、脱離ピークの面積に基づいて算出される二酸化炭素分子の脱離量の積算値は、好ましくは貴金属部分の表面積1m当たり3.0×10−7mol(mol/m)以下である。上述したように、二酸化炭素分子の脱離量の積算値もスキン層に占める貴金属元素の存在割合を定量的に評価するための指標となる。すなわち、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が大きいほど、二酸化炭素分子の脱離量の積算値が小さくなる。本実施形態に係る合金触媒では、貴金属部分の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が3.0×10−7mol(mol/m)以下となることが好ましい。この場合、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が十分高くなり、合金触媒の耐久性が向上する。貴金属部分の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値は、より好ましくは、2.5×10−7mol(mol/m)以下である。この場合、合金触媒の耐久性がさらに向上する。二酸化炭素分子の脱離量の積算値の下限値は特に制限されず、0mol/mであってもよい。 Further, when low temperature oxygen TPD measurement is performed on the alloy catalyst, it is preferable to further obtain a TPD spectrum of m / z = 44 corresponding to carbon dioxide. This TPD spectrum may have a desorption peak top in the range of 300K or more and 900K or less. The integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules calculated based on the area of the desorption peak is preferably 3.0 × 10-7 mol (mol / m 2 ) or less per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion. is there. As described above, the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules is also an index for quantitatively evaluating the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer. That is, the larger the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer, the smaller the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules. In the alloy catalyst according to the present embodiment, the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion is preferably 3.0 × 10-7 mol (mol / m 2 ) or less. In this case, the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer becomes sufficiently high, and the durability of the alloy catalyst is improved. The integrated value of the amount of carbon dioxide molecules desorbed per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion is more preferably 2.5 × 10 -7 mol (mol / m 2 ) or less. In this case, the durability of the alloy catalyst is further improved. The lower limit of the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules is not particularly limited and may be 0 mol / m 2.

(2−2.触媒担体)
触媒担体の種類は特に問われず、固体高分子形燃料電池の触媒担体として使用可能な多孔質材料であれば特に制限されない。触媒担体の例としては、多孔質炭素材料(例えば活性炭等)、シリカ、シリカアルミナ、シリカカルシア、モレキュラーシーブ、アルミナ、ゼオライト、チタニア、粘土、珪藻土、及び炭化ケイ素等が挙げられる。上述した中でも、多孔質材料としては、細孔容量が比較的大きく、入手、取り扱いが容易な点で、多孔質炭素材料、シリカ、モレキュラーシーブ、アルミナ、ゼオライト、及びチタニア等が好ましい。触媒担体としてC元素を含む担体、例えば多孔質炭素材料を使用した場合に、二酸化炭素分子に相当するm/z=44のTPDスペクトルを取得できる場合がある。
(2-2. Catalyst carrier)
The type of the catalyst carrier is not particularly limited, and is not particularly limited as long as it is a porous material that can be used as a catalyst carrier for the polymer electrolyte fuel cell. Examples of the catalyst carrier include porous carbon materials (for example, activated carbon), silica, silica-alumina, silica-calcia, molecular sieve, alumina, zeolite, titania, clay, diatomaceous earth, silicon carbide and the like. Among the above-mentioned porous materials, porous carbon materials, silica, molecular sieves, alumina, zeolites, titania and the like are preferable because they have a relatively large pore capacity and are easily available and handled. When a carrier containing element C, for example, a porous carbon material, is used as the catalyst carrier, it may be possible to obtain a TPD spectrum of m / z = 44 corresponding to carbon dioxide molecules.

以上述べたように、本実施形態に係る合金触媒によれば、スキン層に占める貴金属元素の存在割合を高めることができるので、複合金属粒子の表面に強固なスキン層を形成することができる。これにより、合金触媒の耐久性が向上する。さらに、本実施形態に係る合金触媒は、複合金属粒子の組成ずれを抑制することができるので、初期活性も向上する。 As described above, according to the alloy catalyst according to the present embodiment, the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer can be increased, so that a strong skin layer can be formed on the surface of the composite metal particles. This improves the durability of the alloy catalyst. Further, the alloy catalyst according to the present embodiment can suppress the composition deviation of the composite metal particles, so that the initial activity is also improved.

<3.合金触媒の製造方法>
つぎに、本実施形態に係る合金触媒の製造方法について説明する。本実施形態に係る合金触媒の製造方法は、概略的には、従来では行わないような弱いリーチング強度で複数回リーチングを行うとともに、リーチング回数の増加に伴ってリーチング強度を段階的に弱める、というものである。具体的には、合金触媒の製造方法は、以下に説明する第0〜第10工程を含む。
<3. Alloy catalyst manufacturing method>
Next, a method for producing an alloy catalyst according to the present embodiment will be described. In the method for producing an alloy catalyst according to the present embodiment, it is generally said that leaching is performed a plurality of times with a weak leaching strength that is not conventionally performed, and the leaching strength is gradually weakened as the number of leachings increases. It is a thing. Specifically, the method for producing an alloy catalyst includes the 0th to 10th steps described below.

(3−0.第0工程)
第0工程では、貴金属元素及び遷移金属元素を含む未処理複合金属粒子と、未処理複合金属粒子を担持する触媒担体と、を備える未処理合金触媒を準備する。つまり、第0工程では、リーチングの対象となる未処理合金触媒を準備する。未処理合金触媒は、例えば以下の第1〜第3の製造方法の何れかに従って作製してもよい。もちろん、未処理合金触媒の製造方法は以下の例に限定されず、未処理合金触媒を製造できる製造方法であればどのような製造方法であってもよい。あるいは、予め製造された未処理合金触媒を入手してもよい。
(3-0. 0th step)
In the 0th step, an untreated alloy catalyst comprising untreated composite metal particles containing a noble metal element and a transition metal element and a catalyst carrier supporting the untreated composite metal particles is prepared. That is, in the 0th step, an untreated alloy catalyst to be reached is prepared. The untreated alloy catalyst may be produced, for example, according to any of the following first to third production methods. Of course, the method for producing the untreated alloy catalyst is not limited to the following examples, and any production method may be used as long as it can produce the untreated alloy catalyst. Alternatively, a pre-made untreated alloy catalyst may be obtained.

(第1の製造方法)
未処理合金触媒の第1の製造方法は、貴金属元素及び遷移金属元素を別々に触媒担体に担持させる方法である。この方法では、まず触媒担体にどちらか一方の金属種を担持させた後、もう一方の金属種をさらに担持させる。ついで、貴金属元素及び遷移金属元素を担持させた触媒担体を熱処理することで、貴金属元素及び遷移金属元素を合金化させる。
(First manufacturing method)
The first method for producing an untreated alloy catalyst is a method in which a noble metal element and a transition metal element are separately supported on a catalyst carrier. In this method, one of the metal species is first supported on the catalyst carrier, and then the other metal species is further supported. Then, the catalyst carrier carrying the noble metal element and the transition metal element is heat-treated to alloy the noble metal element and the transition metal element.

第1の製造方法の具体例は以下の通りである。この例では、触媒担体である多孔質炭素材料にPt−Co複合金属粒子を担持させる。まず、水などの溶媒に触媒担体である多孔質炭素材料を分散させ、ここに目的の担持率となる量の白金溶液(例えば、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液)と還元剤としてエタノールなどのアルコールを加え、オイルバス中で加熱する。加熱後、得られた混合液から固形分をろ過等により回収し、固形分を洗浄する。ついで、回収した固形分に水などの溶媒を注ぎ、ここに目的の担持率となる量のコバルト溶液(例えば、硝酸コバルト水溶液)を加えて撹拌する。撹拌後、ロータリーエバポレーター等を用いて溶媒を除去し、固形分を乾燥させる。ついで、固形分を還元性ガス雰囲気下で熱処理することにより、目的の未処理合金触媒が得られる。 Specific examples of the first manufacturing method are as follows. In this example, Pt—Co composite metal particles are supported on a porous carbon material that is a catalyst carrier. First, a porous carbon material as a catalyst carrier is dispersed in a solvent such as water, and an amount of platinum solution (for example, dinitrodiammine platinum nitrate solution) having a desired loading ratio and alcohol such as ethanol as a reducing agent are added thereto. , Heat in an oil bath. After heating, the solid content is recovered from the obtained mixed solution by filtration or the like, and the solid content is washed. Then, a solvent such as water is poured into the recovered solid content, and a cobalt solution (for example, an aqueous cobalt nitrate solution) having a desired loading ratio is added thereto and stirred. After stirring, the solvent is removed using a rotary evaporator or the like, and the solid content is dried. Then, the solid content is heat-treated in a reducing gas atmosphere to obtain the desired untreated alloy catalyst.

(第2の製造方法)
未処理合金触媒の第2の製造方法は、貴金属元素及び遷移金属元素を同時に触媒担体に担持させる方法である。この方法法では、触媒担体、貴金属元素化合物及び遷移金属元素化合物を含む溶液に還元剤を加えることで、貴金属元素及び遷移金属元素を同時に還元する。
(Second manufacturing method)
The second method for producing an untreated alloy catalyst is a method in which a noble metal element and a transition metal element are simultaneously supported on a catalyst carrier. In this method, the noble metal element and the transition metal element are simultaneously reduced by adding a reducing agent to the solution containing the catalyst carrier, the noble metal element compound and the transition metal element compound.

第2の製造方法の具体例は以下の通りである。この例では、触媒担体である多孔質炭素材料にPt−Co複合金属粒子を担持させる。まず、水などの溶媒に触媒担体である多孔質炭素材料を分散させ、ここに目的の担持率となる量の白金溶液(例えば、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液)およびコバルト溶液(例えば、硝酸コバルト水溶液)を加える。このとき、触媒金属粒子の分散性を向上させる目的で、ポリビニルピロリドンのような有機分子を一緒に加えても良い。混合溶液を撹拌後、この混合液に水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を加え、撹拌する。撹拌後、混合液から固形分をろ過等により回収し、固形分を洗浄する。ついで、回収した固形分を乾燥することにより、目的の合金触媒が得られる。Pt−Co複合金属粒子の合金化率を高める目的で、乾燥後の合金触媒に熱処理を行っても良い。 Specific examples of the second manufacturing method are as follows. In this example, Pt—Co composite metal particles are supported on a porous carbon material that is a catalyst carrier. First, a porous carbon material as a catalyst carrier is dispersed in a solvent such as water, and an amount of a platinum solution (for example, dinitrodiammine platinum nitric acid solution) and a cobalt solution (for example, an aqueous solution of cobalt nitrate) having a desired loading ratio are dispersed therein. Add. At this time, an organic molecule such as polyvinylpyrrolidone may be added together for the purpose of improving the dispersibility of the catalyst metal particles. After stirring the mixed solution, a reducing agent such as sodium borohydride is added to the mixed solution, and the mixture is stirred. After stirring, the solid content is recovered from the mixed solution by filtration or the like, and the solid content is washed. Then, the recovered solid content is dried to obtain the desired alloy catalyst. The alloy catalyst after drying may be heat-treated for the purpose of increasing the alloying ratio of the Pt—Co composite metal particles.

(第3の製造方法)
第3の製造方法は、上述した第1〜第2の製造方法の中間的な方法である。この方法では、触媒担体に貴金属元素化合物及び遷移金属元素化合物を含む溶液を含浸乾固させ、凝固物を水素などの還元性ガスを含む雰囲気下で熱処理する。これにより、貴金属元素及び遷移金属元素を同時に還元する。
(Third manufacturing method)
The third manufacturing method is an intermediate method between the first and second manufacturing methods described above. In this method, the catalyst carrier is impregnated with a solution containing a noble metal element compound and a transition metal element compound, dried, and the coagulated product is heat-treated in an atmosphere containing a reducing gas such as hydrogen. As a result, the noble metal element and the transition metal element are reduced at the same time.

第3の製造方法の具体例は以下の通りである。この例では、触媒担体である多孔質炭素材料にPt−Co複合金属粒子を担持させる。まず、水などの溶媒に触媒担体である多孔質炭素材料を分散させ、ここに目的の担持率となる量の白金溶液(例えば、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液)およびコバルト溶液(例えば、硝酸コバルト水溶液)を加える。混合溶液を撹拌後、ロータリーエバポレーター等を用いて溶媒を除去し、乾燥させた後、還元性ガス雰囲気下で熱処理を行うことにより、目的の合金触媒が得られる。 Specific examples of the third manufacturing method are as follows. In this example, Pt—Co composite metal particles are supported on a porous carbon material that is a catalyst carrier. First, a porous carbon material as a catalyst carrier is dispersed in a solvent such as water, and an amount of a platinum solution (for example, dinitrodiammine platinum nitric acid solution) and a cobalt solution (for example, an aqueous solution of cobalt nitrate) having a desired loading ratio are dispersed therein. Add. The desired alloy catalyst can be obtained by stirring the mixed solution, removing the solvent using a rotary evaporator or the like, drying the mixture, and then performing heat treatment in a reducing gas atmosphere.

第0工程で得られた未処理合金触媒にはリーチングを施していない。このため、未処理複合金属粒子の表面には、貴金属元素の他、遷移金属元素も多数存在しうる。これらの遷移金属元素を以下で説明する複数回のリーチングで除去し、その後のアニール処理によって複合金属粒子の表面を平滑化する。また、未処理複合金属粒子の合金化率も十分でない可能性があり、これを以下で説明する第1工程のアニール処理で高めていく。第1工程のアニール処理もリーチング後のアニール処理と同様、未処理複合金属粒子の表面を平滑化することもできる。 The untreated alloy catalyst obtained in the 0th step is not reached. Therefore, in addition to the noble metal element, a large number of transition metal elements may be present on the surface of the untreated composite metal particles. These transition metal elements are removed by a plurality of leachings described below, and the surface of the composite metal particles is smoothed by a subsequent annealing treatment. In addition, the alloying ratio of the untreated composite metal particles may not be sufficient, and this will be increased by the annealing treatment in the first step described below. Similar to the annealing treatment after leaching, the annealing treatment in the first step can also smooth the surface of the untreated composite metal particles.

(3−1.第1工程)
第1工程では、1回目のアニール処理を行う。具体的には、未処理合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガスと、不活性ガスの流量に対して50体積%以下の水素ガスとを含む雰囲気中、500℃以上900℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間熱処理する。水素ガスの濃度の下限値は0体積%であってもよい。ただし、水素ガスは未処理複合金属粒子の合金化率を高めるという作用を有するので、水素ガスを不活性ガスに含めることが好ましい。
(3-1. First step)
In the first step, the first annealing treatment is performed. Specifically, the untreated alloy catalyst is an inert gas composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium, and 50% by volume or less with respect to the flow rate of the inert gas. Heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or higher and 900 ° C. or lower for 10 minutes or longer and 60 minutes or lower in an atmosphere containing the hydrogen gas. The lower limit of the concentration of hydrogen gas may be 0% by volume. However, since hydrogen gas has an effect of increasing the alloying ratio of untreated composite metal particles, it is preferable to include hydrogen gas in the inert gas.

後述する2回目以降のアニール処理と対比すると明らかな通り、1回目のアニール処理の強度(水素ガス濃度、雰囲気ガス温度、または熱処理時間)は2回目以降のアニール処理の強度よりも強い。これは、後述するリーチング後のアニール処理の主な目的が、リーチングにより生じた複合金属粒子の表面の凹凸を平滑化することであるのに対し、第1工程のアニール処理の主な目的は、未処理合金触媒の合金化率を高めることだからである。平滑化と比較し、合金化率を高めたい場合、アニール処理の強度をより高める必要がある。ただし、アニール処理により合金化および平滑化はいずれも可能であるため、リーチング後のアニール処理でも合金化率は高められ、第1工程のアニール処理でも平滑化も進行する。第10工程後の複合金属粒子の合金化率が低いままだと、合金触媒の初期活性が低下する。また、複合金属粒子の表面に大きな凹凸が残ったままだと、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が露出するからである。 As is clear from the comparison with the second and subsequent annealing treatments described later, the strength of the first annealing treatment (hydrogen gas concentration, atmospheric gas temperature, or heat treatment time) is stronger than the strength of the second and subsequent annealing treatments. This is because the main purpose of the annealing treatment after leaching, which will be described later, is to smooth the surface irregularities of the composite metal particles generated by the leaching, whereas the main purpose of the annealing treatment in the first step is. This is because the alloying rate of the untreated alloy catalyst is increased. If it is desired to increase the alloying ratio as compared with smoothing, it is necessary to increase the strength of the annealing treatment. However, since both alloying and smoothing are possible by the annealing treatment, the alloying rate is increased even in the annealing treatment after leaching, and the smoothing also proceeds in the annealing treatment in the first step. If the alloying ratio of the composite metal particles after the tenth step remains low, the initial activity of the alloy catalyst decreases. Further, if large irregularities remain on the surface of the composite metal particles, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. To do. This is because the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed by the unevenness.

そこで、比較的強度の強い1回目のアニール処理によって未処理複合金属粒子の合金化率を高め、表面の凹凸を平滑化する。1回目のアニール処理の強度が上述した強度よりも弱い場合、すなわち、熱処理温度が500℃未満であり、熱処理時間が10分未満となる場合、第10工程後の複合金属粒子の合金化率、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、初期活性及び耐久性が低下する。より具体的に説明すると、1回目のアニール処理後の複合金属粒子の合金化率は非常に低くなっている。したがって、複合金属粒子内に遷移金属元素が偏析している。このため、第2工程以降のリーチングにおいて遷移金属元素の溶出量を制御することが困難となり、第10工程後の複合金属粒子の組成が第0工程で作製された未処理複合金属粒子の組成と大きくずれてしまう(組成ずれ)。なお、結果物である複合金属粒子の組成は本実施形態の条件を満たしている場合もありえるが、いずれにしても、複合金属粒子は非常に不安定な状態となっている。したがって、初期活性が低くなる。また、遷移金属元素が偏析していることから、第2工程以降のリーチングによって複合金属粒子の表面に激しい凹凸が形成される。このような凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。 Therefore, the alloying ratio of the untreated composite metal particles is increased by the first annealing treatment having a relatively strong strength, and the unevenness of the surface is smoothed. When the strength of the first annealing treatment is weaker than the above-mentioned strength, that is, when the heat treatment temperature is less than 500 ° C. and the heat treatment time is less than 10 minutes, the alloying ratio of the composite metal particles after the 10th step, The integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment, and the initial activity and the initial activity and Durability is reduced. More specifically, the alloying ratio of the composite metal particles after the first annealing treatment is very low. Therefore, the transition metal element is segregated in the composite metal particles. For this reason, it becomes difficult to control the elution amount of the transition metal element in the leaching after the second step, and the composition of the composite metal particles after the tenth step is the same as the composition of the untreated composite metal particles produced in the zeroth step. There is a large deviation (composition deviation). The composition of the resulting composite metal particles may satisfy the conditions of the present embodiment, but in any case, the composite metal particles are in a very unstable state. Therefore, the initial activity is low. Further, since the transition metal element is segregated, severe irregularities are formed on the surface of the composite metal particles by the leaching in the second and subsequent steps. Due to such unevenness, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. The durability of the alloy catalyst is reduced.

一方、1回目のアニール処理の強度が上述した強度よりも強い場合、すなわち、水素ガス濃度が50体積%を超え、熱処理温度が900℃を超え、熱処理時間が60分を超える場合、第10工程後の複合金属粒子の結晶子径が大きくなりすぎて、初期活性が低下する。固体高分子形燃料電池を作動させた際の反応場が狭くなるからである。 On the other hand, when the strength of the first annealing treatment is stronger than the above-mentioned strength, that is, when the hydrogen gas concentration exceeds 50% by volume, the heat treatment temperature exceeds 900 ° C., and the heat treatment time exceeds 60 minutes, the tenth step. The crystallite size of the later composite metal particles becomes too large, and the initial activity decreases. This is because the reaction field when the polymer electrolyte fuel cell is operated becomes narrow.

(3−2.第2工程)
第2工程では、1回目のリーチングを行う。具体的には、第1工程により得られた合金触媒を、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、及び過塩素酸からなる群から選択される何れか1種以上の酸を1.0×10−3mol/L以上5.0×10−3mol/L以下の濃度で含む酸性水溶液に、30℃以上90℃以下の温度で、30分以上100分以下の時間接触させる。
(3-2. Second step)
In the second step, the first leaching is performed. Specifically, the alloy catalyst obtained in the first step is 1.0 × 10 − one or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and perchloric acid. It is brought into contact with an acidic aqueous solution containing 3 mol / L or more and 5.0 × 10 -3 mol / L or less at a temperature of 30 ° C. or higher and 90 ° C. or lower for 30 minutes or longer and 100 minutes or shorter.

後述する2回目以降のリーチングと対比すると明らかな通り、1回目のリーチングの強度(酸濃度、加熱温度、または酸性水溶液との接触時間)は2回目以降のリーチングの強度よりも強い。ただし、従来のリーチングに比べると強度は弱めとなっている。例えば、従来では、酸濃度は低くても0.01mol/Lであるが(特許文献2)、第2工程の酸濃度は高くても5.0×10−3mol/Lである。第1工程により得られた合金触媒では、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素が存在する。このため、本製造方法において最も強度の強いリーチングにより、複合金属粒子の表面及び表面から比較的深い位置に存在する遷移金属元素を除去する。 As is clear from the comparison with the second and subsequent leaching described later, the strength of the first leaching (acid concentration, heating temperature, or contact time with an acidic aqueous solution) is stronger than that of the second and subsequent leaching. However, the strength is weaker than that of the conventional leaching. For example, conventionally, the acid concentration is 0.01 mol / L at the lowest (Patent Document 2), but the acid concentration in the second step is 5.0 × 10 -3 mol / L at the highest. In the alloy catalyst obtained in the first step, many transition metal elements are present on the surface of the composite metal particles. Therefore, the transition metal element existing on the surface of the composite metal particles and at a relatively deep position from the surface is removed by the strongest leaching in this production method.

1回目のリーチングの強度が上述した強度よりも弱い場合、すなわち、酸濃度が1.0×10−3mol/L未満となり、加熱温度が30℃未満となり、接触時間が30分未満となる場合、第10工程後の複合金属粒子の表面に多数の遷移金属元素が残留する。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。1回目のリーチングの強度が上述した強度よりも強い場合、すなわち、酸濃度が5.0×10−3mol/Lを超え、加熱温度が90℃を超え、接触時間が100分を超える場合、第10工程後の複合金属粒子の表面に大きな凹凸が残留する。このため、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。したがって、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去される結果、上述した「組成ずれ」が起こり、複合金属粒子の組成が本実施形態の条件を満たさなくなる。このため、合金触媒の初期活性が低下する。また、生成されるスキン層が過剰に厚くなり、スキン層よりも内側の遷移金属元素による効果が得られにくくなる。この点でも合金触媒の初期活性が低下する。 When the strength of the first leaching is weaker than the above-mentioned strength, that is, when the acid concentration is less than 1.0 × 10 -3 mol / L, the heating temperature is less than 30 ° C., and the contact time is less than 30 minutes. , A large number of transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. When the strength of the first leaching is stronger than the above-mentioned strength, that is, when the acid concentration exceeds 5.0 × 10 -3 mol / L, the heating temperature exceeds 90 ° C., and the contact time exceeds 100 minutes. Large irregularities remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step. Therefore, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment, and the alloy The durability of the catalyst is reduced. Further, as a result of removing a large amount of transition metal elements by leaching, the above-mentioned "composition deviation" occurs, and the composition of the composite metal particles does not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity of the alloy catalyst is lowered. In addition, the generated skin layer becomes excessively thick, and it becomes difficult to obtain the effect of the transition metal element inside the skin layer. In this respect as well, the initial activity of the alloy catalyst decreases.

(3−3.第3工程)
第3工程では、第2工程により得られた合金触媒を洗浄した後、乾燥させる。合金触媒の洗浄は例えば水で行うことができるが、本実施形態の効果を損なわない限り他の媒体で洗浄を行ってもよい。
(3-3. Third step)
In the third step, the alloy catalyst obtained in the second step is washed and then dried. The alloy catalyst can be washed with water, for example, but may be washed with another medium as long as the effects of the present embodiment are not impaired.

(3−4.第4工程)
第4工程では、2回目のアニール処理を行う。具体的には、第3工程により得られた合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガスと、不活性ガスの流量に対して10体積%以下の水素ガスとを含む雰囲気中、250℃以上550℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間熱処理する。水素ガスの濃度の下限値は0体積%であってもよい。ただし、水素ガスは未処理複合金属粒子の合金化率を高めるという作用を有するので、水素ガスを不活性ガスに含めることが好ましい。
(3-4. Fourth step)
In the fourth step, the second annealing treatment is performed. Specifically, the alloy catalyst obtained in the third step is applied to an inert gas composed of at least one selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium, and the flow rate of the inert gas. In an atmosphere containing 10% by volume or less of hydrogen gas, heat treatment is performed at a temperature of 250 ° C. or higher and 550 ° C. or lower for 10 minutes or longer and 60 minutes or shorter. The lower limit of the concentration of hydrogen gas may be 0% by volume. However, since hydrogen gas has an effect of increasing the alloying ratio of untreated composite metal particles, it is preferable to include hydrogen gas in the inert gas.

2回目のアニール処理により、複合金属粒子の表面を平滑化させる。ただし、上述した1回目のアニール処理と対比すると明らかな通り、2回目のアニール処理の強度は1回目のアニール処理の強度よりも弱い。2回目のアニール処理の対象となる合金触媒では、複合金属粒子の合金化率が1回目のアニール処理の対象となる未処理合金触媒よりも高まっており、複合金属粒子の合金化率を積極的に高める必要がないためである。しかしながら、アニール処理によって生じた複合金属粒子表面の凹凸を平滑化する必要があることから、2回目のアニール処理が必要である。 The surface of the composite metal particles is smoothed by the second annealing treatment. However, as is clear from the comparison with the first annealing treatment described above, the strength of the second annealing treatment is weaker than the strength of the first annealing treatment. In the alloy catalyst that is the target of the second annealing treatment, the alloying rate of the composite metal particles is higher than that of the untreated alloy catalyst that is the target of the first annealing treatment, and the alloying rate of the composite metal particles is positively increased. This is because there is no need to increase it. However, since it is necessary to smooth the irregularities on the surface of the composite metal particles generated by the annealing treatment, a second annealing treatment is required.

2回目のアニール処理の強度が上述した強度よりも弱い場合、すなわち、熱処理温度が250℃未満であり、熱処理時間が10分未満となる場合、複合金属粒子の表面の凹凸が十分に平滑化されず、その後のリーチングにより、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。このため、第10工程後の貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。2回目のアニール処理の強度が上述した強度よりも強い場合(例えば1回目のアニール処理の強度と同程度またはより強い場合)、すなわち、水素ガス濃度が10体積%を超え、熱処理温度が550℃を超え、熱処理時間が60分を超える場合、合金化が必要以上に進み、複合金属粒子の奥に存在する多くの遷移金属元素が過度に表面に移動する。このため、後述する2回目以降のリーチングを行っても複合金属粒子の表面の遷移金属元素を十分に除去できない。したがって、第10工程後の合金触媒において、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。なお、2回目のアニール処理の強度が本発明の範囲であれば、複合金属粒子表面の平滑化とともに合金化が進行し、表面およびその近傍に再度遷移金属元素が移動したとしても、後述する2回目以降のリーチングを行うことで表面及びその近傍の遷移金属元素を充分に除去することが可能である。 When the strength of the second annealing treatment is weaker than the above-mentioned strength, that is, when the heat treatment temperature is less than 250 ° C. and the heat treatment time is less than 10 minutes, the surface irregularities of the composite metal particles are sufficiently smoothed. However, by the subsequent leaching, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element after the 10th step are the integrated values of the present embodiment. The conditions are not met and the durability of the alloy catalyst is reduced. When the strength of the second annealing treatment is stronger than the above-mentioned strength (for example, when the strength is equal to or stronger than the strength of the first annealing treatment), that is, the hydrogen gas concentration exceeds 10% by volume and the heat treatment temperature is 550 ° C. If the heat treatment time exceeds 60 minutes, alloying proceeds more than necessary, and many transition metal elements existing in the back of the composite metal particles move excessively to the surface. Therefore, the transition metal element on the surface of the composite metal particles cannot be sufficiently removed even if the second and subsequent leaching described later are performed. Therefore, in the alloy catalyst after the 10th step, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element are present. The conditions of the embodiment are not satisfied, and the durability of the alloy catalyst is reduced. If the strength of the second annealing treatment is within the range of the present invention, even if the alloying proceeds with the smoothing of the surface of the composite metal particles and the transition metal element moves to the surface and its vicinity again, it will be described later. By performing the leaching after the first time, it is possible to sufficiently remove the transition metal element on the surface and its vicinity.

(3−5.第5工程)
第5工程では、2回目のリーチングを行う。具体的には、第4工程により得られた合金触媒を、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、及び過塩素酸からなる群から選択される何れか1種以上の酸を1.0×10−4mol/L以上5.0×10−4mol/L以下の濃度で含む酸性水溶液に、30℃以上70℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間接触させる。
(3-5. 5th step)
In the fifth step, the second leaching is performed. Specifically, the alloy catalyst obtained in the fourth step is 1.0 × 10 − one or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and perchloric acid. It is brought into contact with an acidic aqueous solution containing 4 mol / L or more and 5.0 × 10 -4 mol / L or less at a temperature of 30 ° C. or more and 70 ° C. or less for 10 minutes or more and 60 minutes or less.

第4工程により、複合金属粒子の表面及びその近傍に遷移金属元素が移動してくる。そこで、2回目のリーチングにより、複合金属粒子の表面及びその近傍に存在する遷移金属元素を除去する。ただし、ただし、上述した1回目のリーチングと対比すると明らかな通り、2回目のリーチングの強度は1回目のリーチングの強度よりも弱い。複合金属粒子の表面及びその近傍に存在する遷移金属元素の原子数は1回目のリーチングの対象となる合金触媒よりも少ないからである。つまり、2回目のリーチングでは、複合金属粒子の表面からの深さがより浅い位置から遷移金属元素を除去する。 By the fourth step, the transition metal element moves to the surface of the composite metal particles and its vicinity. Therefore, the transition metal element existing on the surface of the composite metal particles and in the vicinity thereof is removed by the second leaching. However, as is clear from the comparison with the first leaching described above, the strength of the second leaching is weaker than the strength of the first leaching. This is because the number of atoms of the transition metal element existing on the surface of the composite metal particles and in the vicinity thereof is smaller than that of the alloy catalyst targeted for the first leaching. That is, in the second leaching, the transition metal element is removed from a position where the depth from the surface of the composite metal particle is shallower.

2回目のリーチングの強度が上述した強度よりも弱い場合、すなわち、酸濃度が1.0×10−4mol/L未満となり、加熱温度が30℃未満となり、接触時間が10分未満となる場合、第10工程後の複合金属粒子の表面に多数の遷移金属元素が残留する。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。2回目のリーチングの強度が上述した強度よりも強い場合(例えば1回目のリーチングの強度と同程度またはより強い場合)、すなわち、酸濃度が5.0×10−4mol/Lを超え、加熱温度が70℃を超え、接触時間が60分を超える場合、第10工程後の複合金属粒子の表面に大きな凹凸が残留する。このため、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。したがって、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去される結果、上述した「組成ずれ」が起こり、複合金属粒子の組成が本実施形態の条件を満たさなくなる。このため、合金触媒の初期活性も低下する。また、生成されるスキン層が過剰に厚くなり、スキン層よりも内側の遷移金属元素による効果が得られにくくなる。この点でも合金触媒の初期活性が低下する。 When the strength of the second leaching is weaker than the above-mentioned strength, that is, when the acid concentration is less than 1.0 × 10 -4 mol / L, the heating temperature is less than 30 ° C., and the contact time is less than 10 minutes. , A large number of transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. The durability of the alloy catalyst is reduced. When the strength of the second leaching is stronger than the above-mentioned strength (for example, when it is as strong as or stronger than the strength of the first leaching), that is, when the acid concentration exceeds 5.0 × 10 -4 mol / L and the heating is performed. When the temperature exceeds 70 ° C. and the contact time exceeds 60 minutes, large irregularities remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step. Therefore, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment, and the alloy The durability of the catalyst is reduced. Further, as a result of removing a large amount of transition metal elements by leaching, the above-mentioned "composition deviation" occurs, and the composition of the composite metal particles does not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity of the alloy catalyst also decreases. In addition, the generated skin layer becomes excessively thick, and it becomes difficult to obtain the effect of the transition metal element inside the skin layer. In this respect as well, the initial activity of the alloy catalyst decreases.

(3−6.第6工程)
第6工程では、第5工程により得られた合金触媒を洗浄した後、乾燥させる。合金触媒の洗浄は例えば水で行うことができるが、本実施形態の効果を損なわない限り他の媒体で洗浄を行ってもよい。
(3-6. 6th step)
In the sixth step, the alloy catalyst obtained in the fifth step is washed and then dried. The alloy catalyst can be washed with water, for example, but may be washed with another medium as long as the effects of the present embodiment are not impaired.

(3−7.第7工程)
第7工程では、3回目のアニール処理を行う。具体的には、第6工程により得られた合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガスと、不活性ガスの流量に対して5体積%以下の水素ガスとを含む雰囲気中、200℃以上500℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間熱処理する。水素ガスの濃度の下限値は0体積%であってもよい。ただし、水素ガスは未処理複合金属粒子の合金化率を高めるという作用を有するので、水素ガスを不活性ガスに含めることが好ましい。
(3-7. 7th step)
In the seventh step, the third annealing treatment is performed. Specifically, the alloy catalyst obtained in the sixth step is applied to an inert gas composed of at least one selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium, and the flow rate of the inert gas. In an atmosphere containing 5% by volume or less of hydrogen gas, heat treatment is performed at a temperature of 200 ° C. or higher and 500 ° C. or lower for 10 minutes or longer and 60 minutes or shorter. The lower limit of the concentration of hydrogen gas may be 0% by volume. However, since hydrogen gas has an effect of increasing the alloying ratio of untreated composite metal particles, it is preferable to include hydrogen gas in the inert gas.

3回目のアニール処理により、複合金属粒子の表面を平滑化させる。ただし、上述した2回目のアニール処理と対比すると明らかな通り、3回目のアニール処理の強度は2回目のアニール処理の強度よりも弱い。2回目のリーチング強度は1回目のリーチング強度よりも弱いことから、3回目のアニール処理の対象となる複合金属粒子は、2回目のアニール処理の対象となる複合金属粒子と比較して、遷移金属元素が溶出した量が少なく、複合金属粒子表面の凹凸がより小さい。従って3回目のアニール処理の対象となる複合金属粒子は、2回目のアニール処理の対象となる複合金属粒子よりも複合金属粒子表面の平滑化が進行していることから、より弱いアニール処理強度を行う。 The surface of the composite metal particles is smoothed by the third annealing treatment. However, as is clear from the comparison with the second annealing treatment described above, the strength of the third annealing treatment is weaker than the strength of the second annealing treatment. Since the second leaching strength is weaker than the first leaching strength, the composite metal particles to be subjected to the third annealing treatment are transition metals as compared with the composite metal particles to be subjected to the second annealing treatment. The amount of elements eluted is small, and the surface irregularities of the composite metal particles are small. Therefore, since the surface of the composite metal particles to be subjected to the third annealing treatment is smoothed more than the composite metal particles to be subjected to the second annealing treatment, the strength of the annealing treatment is weaker. Do.

3回目のアニール処理の強度が上述した強度よりも弱い場合、すなわち、熱処理温度が200℃未満であり、熱処理時間が10分未満となる場合、複合金属粒子の表面の凹凸が十分に平滑化されず、その後のリーチングにより、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。このため、第10工程後の貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。3回目のアニール処理の強度が上述した強度よりも強い場合(例えば2回目のアニール処理の強度と同程度またはより強い場合)、すなわち、水素ガス濃度が5体積%を超え、熱処理温度が500℃を超え、熱処理時間が60分を超える場合、複合金属粒子の奥に存在する多くの遷移金属元素が表面に移動する。このため、後述する3回目のリーチングを行っても複合金属粒子の表面の遷移金属元素を十分に除去できない。したがって、第10工程後の合金触媒において、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。 When the strength of the third annealing treatment is weaker than the above-mentioned strength, that is, when the heat treatment temperature is less than 200 ° C. and the heat treatment time is less than 10 minutes, the surface irregularities of the composite metal particles are sufficiently smoothed. However, by the subsequent leaching, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element after the 10th step are the integrated values of the present embodiment. The conditions are not met and the durability of the alloy catalyst is reduced. When the strength of the third annealing treatment is stronger than the above-mentioned strength (for example, when the strength is equal to or stronger than the strength of the second annealing treatment), that is, the hydrogen gas concentration exceeds 5% by volume and the heat treatment temperature is 500 ° C. When the heat treatment time exceeds 60 minutes, many transition metal elements existing in the back of the composite metal particles move to the surface. Therefore, the transition metal element on the surface of the composite metal particles cannot be sufficiently removed even if the third leaching described later is performed. Therefore, in the alloy catalyst after the 10th step, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element are present. The conditions of the embodiment are not satisfied, and the durability of the alloy catalyst is reduced.

(3−8.第8工程)
第8工程では、3回目のリーチングを行う。具体的には、第7工程により得られた合金触媒を、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、及び過塩素酸からなる群から選択される何れか1種以上の酸を1.0×10−5mol/L以上5.0×10−5mol/L以下の濃度で含む酸性水溶液に、30℃以上60℃以下の温度で、5分以上30分以下の時間接触させる。
(3-8. 8th step)
In the eighth step, the third leaching is performed. Specifically, the alloy catalyst obtained in the 7th step is 1.0 × 10 − one or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and perchloric acid. It is brought into contact with an acidic aqueous solution containing 5 mol / L or more and 5.0 × 10-5 mol / L or less at a temperature of 30 ° C. or more and 60 ° C. or less for a time of 5 minutes or more and 30 minutes or less.

第7工程により、複合金属粒子の表面及びその近傍に遷移金属元素が移動してくる。そこで、3回目のリーチングにより、複合金属粒子の表面及びその近傍に存在する遷移金属元素を除去する。ただし、上述した2回目のリーチングと対比すると明らかな通り、3回目のリーチングの強度は2回目のリーチングの強度よりも弱い。複合金属粒子の表面及びその近傍に遷移金属元素の原子数は2回目のリーチングの対象となる合金触媒よりも少ないからである。つまり、3回目のリーチングでは、複合金属粒子の表面からの深さがより浅い位置から遷移金属元素を除去する。 By the seventh step, the transition metal element moves to the surface of the composite metal particles and its vicinity. Therefore, the transition metal element existing on the surface of the composite metal particles and in the vicinity thereof is removed by the third leaching. However, as is clear from the comparison with the second leaching described above, the strength of the third leaching is weaker than the strength of the second leaching. This is because the number of atoms of the transition metal element on or near the surface of the composite metal particles is smaller than that of the alloy catalyst targeted for the second leaching. That is, in the third leaching, the transition metal element is removed from a position where the depth from the surface of the composite metal particles is shallower.

3回目のリーチングの強度が上述した強度よりも弱い場合、すなわち、酸濃度が1.0×10−5mol/L未満となり、加熱温度が30℃未満となり、接触時間が5分未満となる場合、第10工程後の複合金属粒子の表面に多数の遷移金属元素が残留する。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。3回目のリーチングの強度が上述した強度よりも強い場合(例えば2回目のリーチングの強度と同程度またはより強い場合)、すなわち、酸濃度が5.0×10−5mol/Lを超え、加熱温度が60℃を超え、接触時間が30分を超える場合、第10工程後の複合金属粒子の表面に大きな凹凸が残留する。このため、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。したがって、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去される結果、上述した「組成ずれ」が起こり、複合金属粒子の組成が本実施形態の条件を満たさなくなる。このため、合金触媒の初期活性も低下する。また、生成されるスキン層が過剰に厚くなり、スキン層よりも内側の遷移金属元素による効果が得られにくくなる。この点でも合金触媒の初期活性が低下する。 When the strength of the third leaching is weaker than the above-mentioned strength, that is, when the acid concentration is less than 1.0 × 10-5 mol / L, the heating temperature is less than 30 ° C., and the contact time is less than 5 minutes. , A large number of transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. The durability of the alloy catalyst is reduced. When the strength of the third leaching is stronger than the above-mentioned strength (for example, when the strength of the second leaching is equal to or stronger than that of the second leaching), that is, the acid concentration exceeds 5.0 × 10-5 mol / L and heating When the temperature exceeds 60 ° C. and the contact time exceeds 30 minutes, large irregularities remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step. Therefore, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment, and the alloy The durability of the catalyst is reduced. Further, as a result of removing a large amount of transition metal elements by leaching, the above-mentioned "composition deviation" occurs, and the composition of the composite metal particles does not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity of the alloy catalyst also decreases. In addition, the generated skin layer becomes excessively thick, and it becomes difficult to obtain the effect of the transition metal element inside the skin layer. In this respect as well, the initial activity of the alloy catalyst decreases.

(3−9.第9工程)
第9工程では、第8工程により得られた合金触媒を洗浄した後、乾燥させる。合金触媒の洗浄は例えば水で行うことができるが、本実施形態の効果を損なわない限り他の媒体で洗浄を行ってもよい。
(3-9. 9th step)
In the ninth step, the alloy catalyst obtained in the eighth step is washed and then dried. The alloy catalyst can be washed with water, for example, but may be washed with another medium as long as the effects of the present embodiment are not impaired.

(3−10.第10工程)
第10工程では、4回目のアニール処理を行う。具体的には、第9工程により得られた合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガス雰囲気中、200℃以上450℃以下の温度で、5分以上30分以下の時間熱処理する。
(3-10. 10th step)
In the tenth step, the fourth annealing treatment is performed. Specifically, the alloy catalyst obtained in the ninth step is 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower in an inert gas atmosphere composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium. Heat treatment is carried out at the same temperature for 5 minutes or more and 30 minutes or less.

複合金属粒子の合金化率は3回目のアニール処理までで十分に高まっており、複合金属粒子の表面状態はわずかな凹凸が残っている程度である。このため、4回目のアニール処理は、複合金属粒子の表面にわずかに残った凹凸を平滑化させればよい。このため、上述した3回目のアニール処理と対比すると明らかな通り、4回目のアニール処理の強度は3回目のアニール処理の強度よりも弱い。さらに、4回目のアニール処理では、合金化率を高める必要がないだけでなく、合金化率が高まってしまった場合、複合金属粒子表面に遷移金属元素が再び移動してきてしまう。したがって、合金化率を高めないようにするために、水素ガスを使用しない。 The alloying ratio of the composite metal particles has been sufficiently increased up to the third annealing treatment, and the surface state of the composite metal particles is such that slight irregularities remain. Therefore, the fourth annealing treatment may smooth the unevenness slightly remaining on the surface of the composite metal particles. Therefore, as is clear from the comparison with the above-mentioned third annealing treatment, the strength of the fourth annealing treatment is weaker than the strength of the third annealing treatment. Further, in the fourth annealing treatment, not only is it not necessary to increase the alloying ratio, but if the alloying ratio is increased, the transition metal element moves again to the surface of the composite metal particles. Therefore, hydrogen gas is not used so as not to increase the alloying ratio.

4回目のアニール処理の強度が上述した強度よりも弱い場合、すなわち、熱処理温度が200℃未満であり、熱処理時間が5分未満となる場合、第10工程後の複合金属粒子の表面の凹凸が十分に平滑化されず、酸素分子が複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素に表面から到達可能な状態となってしまう。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。4回目のアニール処理の強度が上述した強度よりも強い場合(例えば3回目のアニール処理の強度と同程度またはより強い場合)、すなわち、熱処理温度が450℃を超え、熱処理時間が30分を超える場合(あるいは、これらに加え、雰囲気ガスに水素ガスが含まれる場合)、複合金属粒子の奥に存在する多くの遷移金属元素が表面に移動する。このため、第10工程後の合金触媒において、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。 When the strength of the fourth annealing treatment is weaker than the above-mentioned strength, that is, when the heat treatment temperature is less than 200 ° C. and the heat treatment time is less than 5 minutes, the surface irregularities of the composite metal particles after the 10th step become uneven. It is not sufficiently smoothed, and oxygen molecules are in a state where they can reach the transition metal element existing in the back of the composite metal particles from the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. The durability of the alloy catalyst is reduced. When the strength of the fourth annealing treatment is stronger than the above-mentioned strength (for example, when the strength is equal to or stronger than the strength of the third annealing treatment), that is, the heat treatment temperature exceeds 450 ° C. and the heat treatment time exceeds 30 minutes. In some cases (or in addition to these, when the atmospheric gas contains hydrogen gas), many transition metal elements present in the back of the composite metal particles move to the surface. Therefore, in the alloy catalyst after the 10th step, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element are calculated. The conditions of the present embodiment are not satisfied, and the durability of the alloy catalyst is lowered.

以上の工程により、本実施形態に係る合金触媒を作製することができる。つまり、複合金属粒子の組成ずれを抑制しつつ、合金触媒の耐久性を高めることが可能な合金触媒を作製することができる。なお、各工程は互いに複雑に関連しあうので一概には言えないが、各工程におけるリーチングまたはアニール処理の強度を上記範囲内で高めることで、酸素分子の脱離量の積算値が高まる(これに応じて二酸化炭素分子の脱離量の積算値が小さくなる)傾向がある。ただし、リーチングまたはアニール処理の強度が上記範囲の上限値に近づいていくと、酸素分子の脱離量の積算値が減少に転じる(これに応じて二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなる)傾向がある。リーチング及びアニール処理のいずれにおいても、処理の進行に応じて強度を段階的に弱めることが好ましい。すなわち、各回のリーチングは、前回のリーチングよりも強度を弱めて行うことが好ましく、各回のアニール処理は、前回のアニール処理よりも強度を弱めて行うことが好ましい。 By the above steps, the alloy catalyst according to the present embodiment can be produced. That is, it is possible to produce an alloy catalyst capable of increasing the durability of the alloy catalyst while suppressing the composition deviation of the composite metal particles. It cannot be said unconditionally because each step is complicatedly related to each other, but by increasing the strength of the leaching or annealing treatment in each step within the above range, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules increases (this). The integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules becomes smaller accordingly). However, as the intensity of the leaching or annealing treatment approaches the upper limit of the above range, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules starts to decrease (the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules increases accordingly). Will) tend to. In both the leaching and annealing treatments, it is preferable to gradually reduce the strength as the treatment progresses. That is, each leaching is preferably performed with a weaker strength than the previous leaching, and each annealing treatment is preferably performed with a weaker strength than the previous annealing treatment.

つぎに、本実施形態の実施例について説明する。実施例では、本実施形態の効果を確認するための実験を行った。以下、実験の詳細を説明する。 Next, an embodiment of the present embodiment will be described. In the examples, an experiment was conducted to confirm the effect of this embodiment. The details of the experiment will be described below.

<1.測定方法>
(1−1.低温酸素TPD測定法)
まず、本実施例で使用した各測定方法について説明する。低温酸素TPD測定法は以下のように行った。まず、0.05gの合金触媒の試料を試料管に入れ、前処理として500℃の水素還元を5分間行い、同温度で排気した。水素還元は2回行った。ついで、試料を液体窒素で85K(−185℃)まで冷却した。その後、試料管内に酸素を1kPa導入して15分間静置した。この工程により、試料に酸素分子を吸着させた。
<1. Measurement method>
(1-1. Low temperature oxygen TPD measurement method)
First, each measurement method used in this embodiment will be described. The low temperature oxygen TPD measurement method was performed as follows. First, a 0.05 g alloy catalyst sample was placed in a sample tube, hydrogen reduction at 500 ° C. was performed for 5 minutes as a pretreatment, and the sample was exhausted at the same temperature. Hydrogen reduction was performed twice. The sample was then cooled to 85 K (-185 ° C.) with liquid nitrogen. Then, 1 kPa of oxygen was introduced into the sample tube and allowed to stand for 15 minutes. By this step, oxygen molecules were adsorbed on the sample.

ついで、試料管を排気した。その後、試料管を四重極分析装置に接続した。試料管内の酸素分圧が下がるまで20分間静置した後、試料管内の試料を10K/minの昇温速度で直線的に昇温した。この際、四重極質量分析装置でm/z=32、m/z=44の信号をそれぞれ記録した。上述したように、m/z=32の信号は酸素分子に、m/z=44の信号は二酸化炭素分子に相当する。各信号は規定量の酸素、二酸化炭素に対してキャリブレーションした。ついで、横軸を温度、縦軸をmol/(s・g)としたxy平面に測定値をプロットすることで、酸素分子に相当するm/z=32のTPDスペクトル(昇温脱離曲線)、二酸化炭素分子に相当するm/z=44のTPDスペクトルを得た。 Then, the sample tube was exhausted. After that, the sample tube was connected to the quadrupole analyzer. After allowing to stand for 20 minutes until the partial pressure of oxygen in the sample tube decreased, the sample in the sample tube was linearly heated at a heating rate of 10 K / min. At this time, the signals of m / z = 32 and m / z = 44 were recorded by the quadrupole mass spectrometer, respectively. As described above, the signal of m / z = 32 corresponds to the oxygen molecule, and the signal of m / z = 44 corresponds to the carbon dioxide molecule. Each signal was calibrated for the specified amount of oxygen and carbon dioxide. Then, by plotting the measured values on the xy plane with the horizontal axis as the temperature and the vertical axis as mol / (s · g), the TPD spectrum of m / z = 32 corresponding to the oxygen molecule (temperature-rising elimination curve). , A TPD spectrum of m / z = 44 corresponding to a carbon dioxide molecule was obtained.

ついで、各TPDスペクトルから脱離ピークを分離し、脱離ピークの面積を算出した。脱離ピークの分離は、OriginPro 2018(ライトストーン社製)のピークフィット機能を用いて行った。TPDスペクトルの横軸は温度であるが、昇温速度(10K/min)に基づいて横軸を時間に換算した。これにより、単位がmol/gである脱離ピークの面積を算出した。脱離ピークの面積は、試料1g当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値を意味する。 Then, the desorption peak was separated from each TPD spectrum, and the area of the desorption peak was calculated. Separation of the desorption peak was performed using the peak fit function of OriginPro 2018 (manufactured by Lightstone). The horizontal axis of the TPD spectrum is temperature, but the horizontal axis was converted to time based on the rate of temperature rise (10 K / min). As a result, the area of the desorption peak having the unit of mol / g was calculated. The area of the desorption peak means the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules or carbon dioxide molecules per 1 g of the sample.

ついで、試料1g当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値を、貴金属部分の表面積1m当たりの値に換算した。具体的には、試料1g当たりの貴金属部分の表面積(m/g)をCOパルスインジェクション化学吸着量測定法により求めた。ここで、COパルスインジェクション化学吸着量測定は、金属分散度測定装置(BEL−METAL−3、マイクロトラック・ベル社製)を用いて行った。具体的には、0.05gの試料を試料管に入れた。ついで、前処理として、Heガス流通下で試料を500℃まで昇温し、5分間保持した。ついで、Heガスを水素ガスに切り替え、水素ガスの流通下で試料を500℃で10分間保持した。ついで、水素ガスをArガスに切り替え、Arガスの流通下で試料を40℃まで冷却した。ついで、この温度を維持しながら、CO吸着が見られなくなるまで試料管内に1分毎に10体積%COガスパルスを注入した。ついで、試料のCO吸着量を算出した。得られたCOガスの吸着量と、上述した式(2)に基づいて、試料1g当たりの貴金属部分の表面積(m/g)を算出した。 Then, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecule or carbon dioxide molecule per 1 g of the sample was converted into the value per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion. Specifically, the surface area (m 2 / g) of the noble metal portion per 1 g of the sample was determined by the CO pulse injection chemisorption amount measurement method. Here, the CO pulse injection chemisorption amount was measured using a metal dispersion measuring device (BEL-METAL-3, manufactured by Microtrac Bell). Specifically, 0.05 g of a sample was placed in a sample tube. Then, as a pretreatment, the sample was heated to 500 ° C. under He gas flow and held for 5 minutes. Then, the He gas was switched to hydrogen gas, and the sample was held at 500 ° C. for 10 minutes under the flow of hydrogen gas. Then, the hydrogen gas was switched to Ar gas, and the sample was cooled to 40 ° C. under the flow of Ar gas. Then, while maintaining this temperature, a 10% by volume CO gas pulse was injected into the sample tube every minute until CO adsorption was no longer observed. Then, the CO adsorption amount of the sample was calculated. The surface area (m 2 / g) of the noble metal portion per 1 g of the sample was calculated based on the adsorbed amount of the obtained CO gas and the above-mentioned formula (2).

ついで、試料1g当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値を試料1g当たりの貴金属部分の表面積(m/g)で除することで、貴金属部分の表面積1m当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値(mol/m)を求めた。 Then, by dividing the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules or carbon dioxide molecules per 1 g of the sample by the surface area (m 2 / g) of the noble metal portion per 1 g of the sample, the oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion. Alternatively, the integrated value (mol / m 2 ) of the desorption amount of carbon dioxide molecules was determined.

(1−2.合金化率、結晶子径の測定方法)
複合金属粒子の合金化率は、X線回折装置(X−Ray Diffraction;XRD、リガク社製、Smart Lab)により測定した。具体的には、合金触媒の試料をX線回折装置によりX線回折分析した。ついで、2θ=37°以上42°以下で観測された回折ピークに基づいて複合金属粒子の格子定数を算出した。ついで、算出された複合金属粒子の格子定数と、上述した式(1)に基づいて、複合金属粒子の合金化率を算出した。
(1-2. Method for measuring alloying ratio and crystallite diameter)
The alloying ratio of the composite metal particles was measured by an X-ray diffraction device (XRD, manufactured by Rigaku Corporation, Smart Lab). Specifically, a sample of the alloy catalyst was subjected to X-ray diffraction analysis by an X-ray diffractometer. Then, the lattice constant of the composite metal particles was calculated based on the diffraction peak observed at 2θ = 37 ° or more and 42 ° or less. Then, the alloying ratio of the composite metal particles was calculated based on the calculated lattice constant of the composite metal particles and the above-mentioned formula (1).

さらに、上述した回折ピークと、以下の式(3)(シェラーの式)に基づいて、複合金属粒子の結晶子径を算出した。
シェラーの式:D=Kλ/βcosθ (3)
D:結晶子径[nm]、K:シェラー定数(0.94)、λ:CuKαのX線波長[nm]、β:半値幅[rad]、θ:Bragg角[rad]
Further, the crystallite diameter of the composite metal particles was calculated based on the above-mentioned diffraction peak and the following equation (3) (Scherrer's equation).
Scherrer's equation: D = Kλ / βcosθ (3)
D: Crystallet diameter [nm], K: Scheller constant (0.94), λ: X-ray wavelength of CuKα [nm], β: Half width [rad], θ: Bragg angle [rad]

(1−3.複合金属粒子の組成の測定方法)
複合金属粒子の組成(より詳細には、第1〜第10工程を行った後の複合金属粒子の組成)は、誘導結合プラズマ発光分光分析法により求めた。具体的には、島津製作所社製ICPE−9800により合金触媒における貴金属元素の担持率(合金触媒の総質量に対する貴金属元素の質量%)及び遷移金属元素の担持率(合金触媒の総質量に対する遷移金属元素の質量%)を求めた。ついで、貴金属元素及び遷移金属元素それぞれの担持率に基づいて、複合金属粒子の組成、より具体的には貴金属元素及び遷移金属元素のモル比を求めた。
(1-3. Method for measuring the composition of composite metal particles)
The composition of the composite metal particles (more specifically, the composition of the composite metal particles after performing the first to tenth steps) was determined by inductively coupled plasma emission spectroscopy. Specifically, the ICPE-9800 manufactured by Shimadzu Corporation was used to support the noble metal element in the alloy catalyst (mass% of the noble metal element with respect to the total mass of the alloy catalyst) and the transition metal element (transition metal with respect to the total mass of the alloy catalyst). The mass% of the element) was calculated. Then, the composition of the composite metal particles, more specifically, the molar ratio of the noble metal element and the transition metal element was determined based on the carrying ratios of the noble metal element and the transition metal element.

<2.合金触媒の作製>
(2−1.第1工程グループ)
合金触媒の作製はいくつかのグループ分けをして行った。第1工程グループでは、第1工程の条件を本実施形態の条件の範囲内、外のそれぞれに設定し、第2〜第10工程の条件は本実施形態の条件を満たすように設定して合金触媒を作成した(比較例1−1、実施例1−2〜1−7、比較例1−8)。
<2. Fabrication of alloy catalyst>
(2-1. 1st process group)
The alloy catalysts were prepared in several groups. In the first process group, the conditions of the first process are set within and outside the range of the conditions of the present embodiment, and the conditions of the second to tenth steps are set so as to satisfy the conditions of the present embodiment. A catalyst was prepared (Comparative Example 1-1, Examples 1-2-1-7, Comparative Example 1-8).

(2−1−1.比較例1−1)
まず、比較例1−1について説明する。比較例1−1の第0工程では、以下の工程により未処理合金触媒の試料を作製した。まず、水120mLに触媒担体となるデンカブラック粉状品(デンカ社製)1.0gを加えて、超音波ホモジナイザーによってデンカブラック粉状品を2分間水中に分散させた。作製された分散液に白金濃度4.5質量%のジニトロジアンミン白金硝酸溶液2.01g、エタノール30mLを加え、混合液を110℃に設定したオイルバス中で12時間撹拌した。得られた混合液をろ過して固形分を洗浄した後、固形分を回収した。回収した固形分に水を100mL注ぎ、ここに塩化チタンを0.054g加え、30分間撹拌した。撹拌後、ロータリーエバポレーターを用いて混合液から溶媒を除去した。以上の工程により、未処理合金触媒の試料を得た。ついで、未処理合金触媒の試料を真空乾燥した。
(2-1-1. Comparative Example 1-1)
First, Comparative Example 1-1 will be described. In the 0th step of Comparative Example 1-1, a sample of the untreated alloy catalyst was prepared by the following steps. First, 1.0 g of Denka Black powder (manufactured by Denka) as a catalyst carrier was added to 120 mL of water, and Denka Black powder was dispersed in water for 2 minutes by an ultrasonic homogenizer. 2.01 g of a dinitrodiammine platinum nitric acid solution having a platinum concentration of 4.5% by mass and 30 mL of ethanol were added to the prepared dispersion, and the mixture was stirred in an oil bath set at 110 ° C. for 12 hours. The obtained mixed solution was filtered to wash the solid content, and then the solid content was recovered. 100 mL of water was poured into the recovered solid content, 0.054 g of titanium chloride was added thereto, and the mixture was stirred for 30 minutes. After stirring, the solvent was removed from the mixture using a rotary evaporator. Through the above steps, a sample of an untreated alloy catalyst was obtained. Then, the sample of the untreated alloy catalyst was vacuum dried.

ついで、未処理合金触媒の試料に対して上述した第1〜第10工程を行った。第1工程では、第0工程により得られた試料に対して表1A〜1B(以下、表1と略称する)に示す条件(雰囲気ガスの組成、雰囲気ガス温度、及び熱処理時間)で1回目のアニール処理を行った。なお、表1及び後述する表3A〜3B(以下、表3と略称する)、5A〜5B(以下、表5と略称する)、7A〜7B(以下、表7と略称する)、9における「雰囲気」の項目の「%」は「体積%」を示し、「室温」は25℃を示す。 Then, the above-mentioned first to tenth steps were performed on the sample of the untreated alloy catalyst. In the first step, the sample obtained in the 0th step was subjected to the first time under the conditions (atmospheric gas composition, atmospheric gas temperature, and heat treatment time) shown in Tables 1A to 1B (hereinafter abbreviated as Table 1). Annealing treatment was performed. In addition, in Table 1 and Tables 3A to 3B (hereinafter, abbreviated as Table 3), 5A to 5B (hereinafter, abbreviated as Table 5), 7A to 7B (hereinafter, abbreviated as Table 7), 9 which will be described later, " "%" In the item of "atmosphere" indicates "volume%", and "room temperature" indicates 25 ° C.

第2工程では、第1工程後の試料1.0gをナスフラスコに測りとり、さらに、当該ナスフラスコに表1に示す種類及び酸濃度の酸性水溶液100mLを加えた。ついで、試料及び酸性水溶液が入ったナスフラスコをオイルバスに入れ、表1に記載の加熱温度及び接触時間で1回目のリーチングを行った。リーチング中は試料及び酸性水溶液の混合液を攪拌した。第3工程では、第2工程後の混合液から試料をろ過により回収し、回収した試料を水で洗浄した。ついで、試料を真空乾燥した。ついで、第4〜第10工程を上述した第1〜第3工程と同様にして行った。第4〜第10工程の条件は表1に示す通りである。以上の工程により、合金触媒の試料を作製した。ついで、<1.測定方法>で示した測定方法により、貴金属部分の表面積1m当たりの酸素分子または二酸化炭素分子の脱離量の積算値、複合金属粒子の合金化率、複合金属粒子の結晶子径、及び複合金属粒子の組成を測定した。結果を表2に示す。なお、組成は仕込みの組成(未処理複合金属粒子の組成)及びリーチング後の組成(第1〜第10工程後の組成)の両方を示す。 In the second step, 1.0 g of the sample after the first step was measured in an eggplant flask, and 100 mL of an acidic aqueous solution of the type and acid concentration shown in Table 1 was further added to the eggplant flask. Then, the eggplant flask containing the sample and the acidic aqueous solution was placed in an oil bath, and the first leaching was performed at the heating temperature and contact time shown in Table 1. During the leaching, the mixture of the sample and the acidic aqueous solution was stirred. In the third step, a sample was recovered from the mixed solution after the second step by filtration, and the recovered sample was washed with water. The sample was then vacuum dried. Then, the 4th to 10th steps were carried out in the same manner as the 1st to 3rd steps described above. The conditions of the 4th to 10th steps are as shown in Table 1. A sample of the alloy catalyst was prepared by the above steps. Then, <1. Measurement method> According to the measurement method shown in>, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules or carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion, the alloying rate of the composite metal particles, the crystallite diameter of the composite metal particles, and the composite. The composition of the metal particles was measured. The results are shown in Table 2. The composition shows both the charged composition (composition of untreated composite metal particles) and the composition after leaching (composition after the first to tenth steps).

Figure 2021093270
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(2−1−2.実施例1−2)
塩化チタンに代えて塩化マンガン四水和物0.056gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表1に示す条件としたこと以外は、比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表2に示す。
(2-1-2. Example 1-2)
The same treatment as in Comparative Example 1-1 is carried out except that 0.056 g of manganese chloride tetrahydrate is used instead of titanium chloride and the conditions of the first to tenth steps are the conditions shown in Table 1. Then, a sample of an untreated alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 2.

(2−1−3.実施例1−3)
塩化チタンに代えて塩化スカンジウム六水和物0.074gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表1に示す条件としたこと以外は、比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表2に示す。
(2-1-3. Example 1-3)
Perform the same treatment as in Comparative Example 1-1 except that 0.074 g of scandium chloride hexahydrate was used instead of titanium chloride and the conditions of the first to tenth steps were set as the conditions shown in Table 1. Then, a sample of an untreated alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 2.

(2−1−4.実施例1−4)
塩化チタンに代えて塩化バナジウム0.045gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表1に示す条件としたこと以外は、比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表2に示す。
(2-1-4. Example 1-4)
Untreated by performing the same treatment as in Comparative Example 1-1 except that 0.045 g of vanadium chloride was used instead of titanium chloride and the conditions of the first to tenth steps were the conditions shown in Table 1. A sample of the alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 2.

(2−1−5.実施例1−5)
塩化チタンに代えて塩化鉄六水和物0.077gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表1に示す条件としたこと以外は、比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表2に示す。
(2-1-5. Example 1-5)
The same treatment as in Comparative Example 1-1 is carried out except that 0.077 g of iron chloride hexahydrate is used instead of titanium chloride and the conditions of the first to tenth steps are the conditions shown in Table 1. Then, a sample of an untreated alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 2.

(2−1−6.実施例1−6)
塩化チタンに代えて塩化クロム六水和物0.076gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表1に示す条件としたこと以外は、比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表2に示す。
(2-1-6. Example 1-6)
The same treatment as in Comparative Example 1-1 is carried out except that 0.076 g of chromium hexahydrate chloride is used instead of titanium chloride and the conditions of the first to tenth steps are the conditions shown in Table 1. Then, a sample of an untreated alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 2.

(2−1−7.実施例1−7)
第1〜第10工程の条件を表1に示す条件としたこと以外は、比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表2に示す。
(2-1-7. Example 1-7)
A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 1-1 except that the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 1. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 2.

(2−1−8.比較例1−8)
塩化チタンに代えて塩化クロム六水和物0.076gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表1に示す条件としたこと以外は、比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表2に示す。
(2-1-8. Comparative Example 1-8)
The same treatment as in Comparative Example 1-1 is carried out except that 0.076 g of chromium hexahydrate chloride is used instead of titanium chloride and the conditions of the first to tenth steps are the conditions shown in Table 1. Then, a sample of an untreated alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 2.

(2−2.第2〜第4工程グループ)
第2〜第4工程グループでは、第2〜第4工程の条件を本実施形態の条件の範囲内、外のそれぞれに設定し、第1、第5〜第10工程の条件は本実施形態の条件を満たすように設定して合金触媒を作製した(比較例2−1、実施例2−2〜2−4、比較例2−5)。
(2-2. 2nd to 4th process groups)
In the 2nd to 4th process groups, the conditions of the 2nd to 4th steps are set within the range of the conditions of the present embodiment and outside, respectively, and the conditions of the 1st and 5th to 10th steps are the conditions of the present embodiment. An alloy catalyst was prepared so as to satisfy the conditions (Comparative Example 2-1 and Examples 2-2-2-4, Comparative Example 2-5).

(2−2−1.比較例2−1)
ジニトロジアンミン白金硝酸溶液に代えて硝酸パラジウム0.160g、塩化チタンに代えて塩化鉄六水和物0.094gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表3に示す条件としたこと以外は比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表4に示す。
(2-2-1. Comparative Example 2-1)
Except that 0.160 g of palladium nitrate was used instead of the dinitrodiammine platinum nitric acid solution, 0.094 g of iron chloride hexahydrate was used instead of titanium chloride, and the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 3. Prepared a sample of an untreated alloy catalyst by performing the same treatment as in Comparative Example 1-1. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 4.

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(2−2−2.実施例2−2)
塩化鉄六水和物に代えて塩化ニッケル0.045gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表3に示す条件としたこと以外は、比較例2−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表4に示す。
(2-2-2. Example 2-2)
The same treatment as in Comparative Example 2-1 is carried out except that 0.045 g of nickel chloride is used instead of iron chloride hexahydrate and the conditions of the first to tenth steps are the conditions shown in Table 3. Then, a sample of an untreated alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 4.

(2−2−3.実施例2−3)
塩化鉄六水和物に代えて塩化コバルト六水和物0.083gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表3に示す条件としたこと以外は、比較例2−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表4に示す。
(2-2-3. Example 2-3)
Similar to Comparative Example 2-1 except that 0.083 g of cobalt chloride hexahydrate was used instead of iron chloride hexahydrate and the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 3. By performing the treatment, a sample of an untreated alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 4.

(2−2−4.実施例2−4)
ジニトロジアンミン白金硝酸溶液に代えて塩化金酸四水和物0.155g、塩化チタンに代えて塩化ニッケル0.024gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表3に示す条件としたこと以外は、比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表4に示す。
(2-2-4. Example 2-4)
0.155 g of chloroauric acid tetrahydrate was used instead of the dinitrodiammine platinum nitric acid solution, 0.024 g of nickel chloride was used instead of titanium chloride, and the conditions of the first to tenth steps were set as the conditions shown in Table 3. A sample of an untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 1-1 except for the above. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 4.

(2−2−5.比較例2−5)
塩化ニッケルの代わりに塩化鉄六水和物0.051gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表3に示す条件としたこと以外は、実施例2−4と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表4に示す。
(2-2-5. Comparative Example 2-5)
The same treatment as in Example 2-4 is carried out except that 0.051 g of iron chloride hexahydrate is used instead of nickel chloride and the conditions of the first to tenth steps are as shown in Table 3. Then, a sample of an untreated alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 4.

(2−3.第5〜第7工程グループ)
第5〜第7工程グループでは、第5〜第7工程の条件を本実施形態の条件の範囲内、外のそれぞれに設定し、第1〜第4、第8〜第10工程の条件は本実施形態の条件を満たすように設定して合金触媒を作製した(比較例3−1、実施例3−2〜3−4、比較例3−5)。
(2-3. 5th to 7th process groups)
In the 5th to 7th process groups, the conditions of the 5th to 7th steps are set within the range of the conditions of the present embodiment and outside, respectively, and the conditions of the 1st to 4th and 8th to 10th steps are the present. An alloy catalyst was prepared by setting so as to satisfy the conditions of the embodiment (Comparative Example 3-1 and Examples 3-2-3-4, Comparative Example 3-5).

(2−3−1.比較例3−1)
ジニトロジアンミン白金硝酸溶液の使用量を2.01gから3.01gとし、塩化チタンに代えて塩化コバルト六水和物0.034gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表5に示す条件としたこと以外は比較例1−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表6に示す。
(2-3-1. Comparative Example 3-1)
The amount of the dinitrodiammine platinum nitric acid solution used was changed from 2.01 g to 3.01 g, 0.034 g of cobalt chloride hexahydrate was used instead of titanium chloride, and the conditions of the first to tenth steps are shown in Table 5. A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 1-1 except for the above. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 6.

Figure 2021093270
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(2−3−2.実施例3−2)
第1〜第10工程の条件を表5に示す条件とした他は比較例3−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表6に示す。
(2-3-2. Example 3-2)
A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 3-1 except that the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 5. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 6.

(2−3−3.実施例3−3)
第1〜第10工程の条件を表5に示す条件とした他は比較例3−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表6に示す。
(2-3-3. Example 3-3)
A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 3-1 except that the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 5. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 6.

(2−3−4.実施例3−4)
第1〜第10工程の条件を表5に示す条件とした他は比較例3−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表6に示す。
(2-3-4. Example 3-4)
A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 3-1 except that the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 5. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 6.

(2−3−5.比較例3−5)
第1〜第10工程の条件を表5に示す条件とした他は比較例3−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表6に示す。
(2-3-5. Comparative Example 3-5)
A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 3-1 except that the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 5. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 6.

(2−4.第8〜第10工程グループ)
第8〜第10工程グループでは、第8〜第10工程の条件を本実施形態の条件の範囲内、外のそれぞれに設定し、第1〜第7工程の条件は本実施形態の条件を満たすように設定して合金触媒を作製した(比較例4−1、実施例4−2〜4−4、比較例4−5)。
(2-4. 8th to 10th process groups)
In the 8th to 10th process groups, the conditions of the 8th to 10th steps are set within and outside the range of the conditions of the present embodiment, and the conditions of the 1st to 7th steps satisfy the conditions of the present embodiment. To prepare an alloy catalyst (Comparative Example 4-1 and Examples 4-2 to 4-4, Comparative Example 4-5).

(2−4−1.比較例4−1)
塩化コバルト六水和物0.034gに代えて塩化ニッケル0.018gを用い、かつ第1〜第10工程の条件を表7に示す条件としたこと以外は比較例3−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表8に示す。
(2-4-1. Comparative Example 4-1)
The same treatment as in Comparative Example 3-1 was carried out except that 0.018 g of nickel chloride was used instead of 0.034 g of cobalt chloride hexahydrate and the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 7. By doing so, a sample of an untreated alloy catalyst was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 8.

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(2−4−2.実施例4−2)
第1〜第10工程の条件を表7に示す条件とした他は比較例4−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表8に示す。
(2-4-2. Example 4-2)
A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 4-1 except that the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 7. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 8.

(2−4−3.実施例4−3)
第1〜第10工程の条件を表7に示す条件とした他は比較例4−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表8に示す。
(2-4-3. Example 4-3)
A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 4-1 except that the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 7. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 8.

(2−4−4.実施例4−4)
第1〜第10工程の条件を表7に示す条件とした他は比較例4−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表8に示す。
(2-4-4. Example 4-4)
A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 4-1 except that the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 7. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 8.

(2−4−5.比較例4−5)
第1〜第10工程の条件を表7に示す条件とした他は比較例4−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表8に示す。
(2-4-5. Comparative Example 4-5)
A sample of the untreated alloy catalyst was prepared by performing the same treatment as in Comparative Example 4-1 except that the conditions of the first to tenth steps were set to the conditions shown in Table 7. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 8.

(2−5.他のグループ)
(2−5−1.比較例5−1)
比較例5−1は、従来から行われている一般的なリーチング及びアニール処理を行った例である。具体的には、比較例5−1では、第1〜第4工程の条件を表9に示す条件とした他は比較例3−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。比較例5−1では、第5工程以降を行わなかった。また、第1〜第4工程の条件は非特許文献1を参照した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表10に示す。
(2-5. Other groups)
(2-5-1. Comparative Example 5-1)
Comparative Example 5-1 is an example in which general leaching and annealing treatments that have been conventionally performed are performed. Specifically, in Comparative Example 5-1, the untreated alloy catalyst sample was subjected to the same treatment as in Comparative Example 3-1 except that the conditions of the first to fourth steps were set to the conditions shown in Table 9. Was produced. In Comparative Example 5-1, the fifth and subsequent steps were not performed. Further, as for the conditions of the first to fourth steps, Non-Patent Document 1 was referred to. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 10.

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(2−5−2.比較例5−2)
比較例5−2では、比較例5−1の第4工程の条件(2回目のアニール処理の強度)を強くした他は比較例5−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表10に示す。
(2-5-2. Comparative Example 5-2)
In Comparative Example 5-2, the untreated alloy catalyst was subjected to the same treatment as in Comparative Example 5-1 except that the conditions of the fourth step of Comparative Example 5-1 (strength of the second annealing treatment) were strengthened. Samples were prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 10.

(2−5−3.比較例5−3)
比較例5−3は、「組成ずれ」を見越して予め未処理複合金属粒子に遷移金属元素を多めに仕込んだ例である。具体的には、比較例5−3では、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液3.01gに代えてジニトロジアンミン白金硝酸溶液2.19g(濃度は同じ)、塩化コバルト六水和物0.034gに代えて塩化コバルト六水和物0.062gを用い、かつ第1〜第4工程の条件を表9に示す条件とした他は比較例3−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。比較例5−3では、第5工程以降を行わなかった。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表10に示す。
(2-5-3. Comparative Example 5-3)
Comparative Example 5-3 is an example in which a large amount of transition metal elements are charged into the untreated composite metal particles in advance in anticipation of “composition deviation”. Specifically, in Comparative Example 5-3, 2.19 g of dinitrodiammine platinum nitric acid solution (same concentration) was used instead of 3.01 g of dinitrodiammine platinum nitric acid solution, and 0.034 g of cobalt chloride hexahydrate was replaced with chloride. A sample of an untreated alloy catalyst was subjected to the same treatment as in Comparative Example 3-1 except that 0.062 g of cobalt hexahydrate was used and the conditions of the first to fourth steps were set to the conditions shown in Table 9. Was produced. In Comparative Example 5-3, the fifth and subsequent steps were not performed. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 10.

(2−5−4.比較例5−4)
比較例5−4では、比較例5−1の第2工程の条件(1回目のリーチングの強度)を非常に弱くした他は比較例5−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表10に示す。
(2-5-4. Comparative Example 5-4)
In Comparative Example 5-4, the untreated alloy was subjected to the same treatment as in Comparative Example 5-1 except that the conditions (strength of the first leaching) of the second step of Comparative Example 5-1 were made very weak. A catalyst sample was prepared. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 10.

(2−5−5.比較例5−5)
比較例5−5は、特許文献1の実施例を再現した例である。具体的には、比較例5−5では、第1〜第3工程の条件を表9に示す条件とした他は比較例3−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。比較例5−5では、第4工程以降を行わなかった。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表10に示す。
(2-5-5. Comparative Example 5-5)
Comparative Example 5-5 is an example in which the example of Patent Document 1 is reproduced. Specifically, in Comparative Example 5-5, the untreated alloy catalyst sample was subjected to the same treatment as in Comparative Example 3-1 except that the conditions of the first to third steps were set to the conditions shown in Table 9. Was produced. In Comparative Example 5-5, the fourth and subsequent steps were not performed. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 10.

(2−5−6.比較例5−6)
比較例5−6は、特許文献2の実施例を再現した例である。具体的には、比較例5−6では、第1〜第4工程の条件を表9に示す条件とした他は比較例3−1と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。比較例5−6では、第5工程以降を行わなかった。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表10に示す。
(2-5-6. Comparative Example 5-6)
Comparative Example 5-6 is an example of reproducing the example of Patent Document 2. Specifically, in Comparative Example 5-6, the untreated alloy catalyst sample was subjected to the same treatment as in Comparative Example 3-1 except that the conditions of the first to fourth steps were set to the conditions shown in Table 9. Was produced. In Comparative Example 5-6, the fifth and subsequent steps were not performed. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 10.

(2−5−7.比較例5−7)
比較例5−7は、特許文献3の実施例を再現した例である。具体的には、比較例5−7では、第1〜第4工程の条件を表9に示す条件とした他は実施例1−4と同様の処理を行うことで、未処理合金触媒の試料を作製した。比較例5−7では、第5工程以降を行わなかった。さらに、<1.測定方法>で示した測定方法により、各パラメータの値を測定した。結果を表10に示す。
(2-5-7. Comparative Example 5-7)
Comparative Example 5-7 is an example in which the example of Patent Document 3 is reproduced. Specifically, in Comparative Example 5-7, the untreated alloy catalyst sample was subjected to the same treatment as in Example 1-4 except that the conditions of the first to fourth steps were set to the conditions shown in Table 9. Was produced. In Comparative Example 5-7, the fifth and subsequent steps were not performed. Furthermore, <1. The value of each parameter was measured by the measurement method shown in Measurement method>. The results are shown in Table 10.

<3.試験用セルの作製>
つぎに、作製された各グループの合金触媒を用いて試験用セルを作製した。具体的な工程は以下の通りである。
<3. Preparation of test cell>
Next, test cells were prepared using the alloy catalysts of each group produced. The specific process is as follows.

(3−1.塗布インクの作製)
電解質樹脂となるナフィオン(Dupont社製ナフィオン、登録商標:Nafion、パースルホン酸系イオン交換樹脂)が溶解したナフィオン溶液を用意した。ついで、アルゴン雰囲気下で合金触媒及びナフィオン溶液を混合した。ここで、電解質樹脂の固形分の質量比は、合金触媒に対して1.0倍とした。ついで、混合溶液を軽く撹拌した後、超音波で混合溶液中の合金触媒を解砕した。ついで、混合溶液に更にエタノールを加えることで、合金触媒及び電解質樹脂の合計の固形分濃度が混合溶液の総質量に対して1.0質量%となるように調整した。これにより、合金触媒及び電解質樹脂を含む塗布インクを作製した。
(3-1. Preparation of coating ink)
A Nafion solution in which Nafion (Nafion manufactured by DuPont, registered trademark: Nafion, persulfonic acid-based ion exchange resin) to be an electrolyte resin was dissolved was prepared. Then, the alloy catalyst and the Nafion solution were mixed under an argon atmosphere. Here, the mass ratio of the solid content of the electrolyte resin was set to 1.0 times that of the alloy catalyst. Then, after lightly stirring the mixed solution, the alloy catalyst in the mixed solution was crushed by ultrasonic waves. Then, ethanol was further added to the mixed solution to adjust the total solid content concentration of the alloy catalyst and the electrolyte resin to 1.0% by mass with respect to the total mass of the mixed solution. As a result, a coating ink containing an alloy catalyst and an electrolyte resin was produced.

(3−2.触媒層の作製)
塗布インクにさらにエタノールを加えることで、塗布インク中の合金触媒濃度を塗布インクの総質量に対して1.0質量%とした。ここで、合金触媒の濃度は、合金触媒を構成する金属元素(ここでは貴金属元素及び遷移金属元素)の全成分の合計濃度を意味する。後述の目付量も同様である。ついで、合金触媒の触媒層単位面積当たりの質量(以下、「触媒目付量」という。)が0.2mg/cmとなるようにスプレー条件を調節し、上記塗布インクをテフロン(登録商標)シート上にスプレーした。ついで、アルゴン雰囲気中120℃で60分間の乾燥処理を行うことで、触媒層を作製した。同じ触媒層を2つ作製し、一方をカソード、他方をアノードとした。
(3-2. Preparation of catalyst layer)
By further adding ethanol to the coating ink, the alloy catalyst concentration in the coating ink was set to 1.0% by mass with respect to the total mass of the coating ink. Here, the concentration of the alloy catalyst means the total concentration of all the components of the metal elements (here, the noble metal element and the transition metal element) constituting the alloy catalyst. The same applies to the basis weight amount described later. Then, the spray conditions were adjusted so that the mass per unit area of the catalyst layer of the alloy catalyst (hereinafter referred to as "catalyst basis weight") was 0.2 mg / cm 2, and the coating ink was applied to a Teflon (registered trademark) sheet. Sprayed on top. Then, a catalyst layer was prepared by performing a drying treatment at 120 ° C. for 60 minutes in an argon atmosphere. Two of the same catalyst layers were prepared, one as a cathode and the other as an anode.

(3−3.膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)の作製
ナフィオン膜(Dupont社製NR211)から一辺6cmの正方形状の電解質膜を切り出した。また、テフロン(登録商標)シート上に塗布されたアノード及びカソードの各触媒層をそれぞれカッターナイフで一辺2.5cmの正方形状に切り出した。このようにして切り出されたアノード及びカソードの各触媒層の間に、各触媒層が電解質膜の中心部を挟んでそれぞれ接すると共に互いにずれが無いように、この電解質膜を挟み込み、120℃、100kg/cmで10分間プレスした。次いで、この積層体を室温まで冷却した。次いで、アノード及びカソード共にテフロン(登録商標)シートのみを注意深く剥ぎ取った。以上の工程により、アノード及びカソードの各触媒層を電解質膜に定着させた。
(3-3. Preparation of Membrane Electrode Assembly (MEA) A square electrolyte membrane having a side of 6 cm was cut out from a Nafion membrane (NR211 manufactured by DuPont), and on a Teflon (registered trademark) sheet. Each of the coated anode and cathode catalyst layers was cut out into a square shape with a side of 2.5 cm with a cutter knife. Between the anode and cathode catalyst layers cut out in this way, each catalyst layer was an electrolyte membrane. The electrolyte membranes were sandwiched and pressed at 120 ° C. and 100 kg / cm 2 for 10 minutes so that they would be in contact with each other and not displaced from each other, and then the laminate was cooled to room temperature. Then, the anode and the anode and Only the Teflon (registered trademark) sheet was carefully peeled off for both the cathodes. By the above steps, the catalyst layers of the anode and the cathode were fixed to the electrolyte membrane.

次に、ガス拡散層となるカーボンペーパー(SGLカーボン社製35BC)から一辺2.5cmの正方形状のカーボンペーパーを2つ切り出した。ついで、これらのカーボンペーパーをアノードとカソードにずれが無いように積層することで、積層体を作製した。ついで、積層体を120℃、50kg/cmで10分間プレスすることで、MEAを作製した。なお、プレス前の触媒層付テフロン(登録商標)シートの質量とプレス後にはがしたテフロン(登録商標)シートの質量との差からナフィオン膜に定着した触媒層の質量を求め、触媒層の組成の質量比より触媒目付量、合金触媒の目付量、及び電解質樹脂の目付量を算出した。この方法により、触媒目付量が0.2mg/cmであることを確認した。ついで、作製されたMEAをセルに組み込むことで、試験用セルを作製した。 Next, two square carbon papers having a side of 2.5 cm were cut out from the carbon paper (35BC manufactured by SGL Carbon Co., Ltd.) as the gas diffusion layer. Then, these carbon papers were laminated so that the anode and the cathode did not deviate from each other to prepare a laminated body. Then, the laminate was pressed at 120 ° C. and 50 kg / cm 2 for 10 minutes to prepare MEA. The mass of the catalyst layer fixed on the Nafion film was obtained from the difference between the mass of the Teflon (registered trademark) sheet with a catalyst layer before pressing and the mass of the Teflon (registered trademark) sheet peeled off after pressing, and the composition of the catalyst layer was obtained. The amount of catalyst, the amount of alloy catalyst, and the amount of electrolyte resin were calculated from the mass ratio of. By this method, it was confirmed that the catalyst basis weight was 0.2 mg / cm 2. Then, the prepared MEA was incorporated into the cell to prepare a test cell.

<4.初期活性及び耐久性の評価>
(4−1.初期活性の評価)
試験用セルを燃料電池測定装置(東陽テクニカ社製AutoPEM)にセットし、以下の手順で合金触媒の初期活性を評価した。
<4. Evaluation of initial activity and durability>
(4-1. Evaluation of initial activity)
The test cell was set in a fuel cell measuring device (AutoPEM manufactured by Toyo Corporation), and the initial activity of the alloy catalyst was evaluated by the following procedure.

カソードに供給ガスとして空気を、また、アノードに供給ガスとして純水素をそれぞれ利用率が40%と70%となるように、大気圧下で供給した。また、セル温度は80℃に設定した。また、カソード側及びアノード側共に、供給ガス(すなわち空気または純水素)を加湿器中で65℃に保温された蒸留水にそれぞれ通す(すなわち、バブリングを行う)ことで、供給ガスに加湿機中の水温に相当する飽和水蒸気を付与した。その後、供給ガスをカソードまたはアノードに供給した。 Air was supplied to the cathode as a supply gas, and pure hydrogen was supplied to the anode as a supply gas under atmospheric pressure so that the utilization rates were 40% and 70%, respectively. The cell temperature was set to 80 ° C. In addition, both the cathode side and the anode side pass the supplied gas (that is, air or pure hydrogen) through the distilled water kept at 65 ° C. in the humidifier (that is, bubbling), so that the supplied gas is in the humidifier. Saturated water vapor corresponding to the water temperature of was applied. Then, the supply gas was supplied to the cathode or the anode.

このような設定の下に試験用セルに供給ガスを供給しつつ、負荷を徐々に増やして、初期の発電特性(すなわち合金触媒の初期活性)を評価した。具体的には、電流密度0.2A/cmにおけるセル端子間電圧(以下、セル電圧という)を記録し、このセル電圧の値を合金触媒の初期活性の評価指標とした。具体的には、初期活性が780mV以上であれば初期活性を合格レベルとした。評価結果を表2、4、6、8、10にまとめて示す。 Under such a setting, the initial power generation characteristics (that is, the initial activity of the alloy catalyst) were evaluated by gradually increasing the load while supplying the supply gas to the test cell. Specifically, the voltage between cell terminals (hereinafter referred to as cell voltage) at a current density of 0.2 A / cm 2 was recorded, and the value of this cell voltage was used as an evaluation index of the initial activity of the alloy catalyst. Specifically, when the initial activity was 780 mV or more, the initial activity was regarded as a passing level. The evaluation results are summarized in Tables 2, 4, 6, 8 and 10.

(4−2.耐久性の評価)
引き続いて、合金触媒の耐久性を評価するために、「セル電圧を0.6Vにして4秒間保持し、次いでセル電圧を1.2Vに上昇させて4秒間保持し、その後にセル電圧を元の0.6Vに戻す」という操作を1回のサイクル操作とし、このサイクル操作を300回繰り返す耐久試験を実施した。この耐久試験の後に、上述した初期活性の評価試験と同様の方法でセル電圧(電流密度0.2A/cmにおけるセル電圧)を測定した。測定された耐久試験後のセル電圧(V)を耐久試験前のセル電圧(すなわち上述した初期活性の評価試験で得られたセル電圧)から差し引いてセル電圧の低下幅△Vを求めた。さらに、この低下幅△Vを耐久前試験前のセル電圧で除してセル電圧低下率を算出した。そして、セル電圧低下率を耐久性の評価指標とした。具体的には、低下率が15%以下であれば合格レベルとした。低下率が5%以下であれば耐久性に特に優れていると言える。評価結果を表2、4、6、8、10にまとめて示す。なお、耐久試験後のセル電圧(V)は表中「耐久後」として示した。
(4-2. Evaluation of durability)
Subsequently, in order to evaluate the durability of the alloy catalyst, "the cell voltage was set to 0.6 V and held for 4 seconds, then the cell voltage was raised to 1.2 V and held for 4 seconds, and then the cell voltage was returned to the original value. The operation of "returning to 0.6V" was set as one cycle operation, and a durability test was conducted in which this cycle operation was repeated 300 times. After this endurance test, the cell voltage (cell voltage at a current density of 0.2 A / cm 2 ) was measured by the same method as the above-mentioned initial activity evaluation test. The measured cell voltage (V) after the endurance test was subtracted from the cell voltage before the endurance test (that is, the cell voltage obtained in the above-mentioned initial activity evaluation test) to obtain the cell voltage drop width ΔV. Further, this decrease width ΔV was divided by the cell voltage before the pre-durability test to calculate the cell voltage decrease rate. Then, the cell voltage reduction rate was used as an evaluation index for durability. Specifically, if the rate of decrease is 15% or less, the pass level is set. If the rate of decrease is 5% or less, it can be said that the durability is particularly excellent. The evaluation results are summarized in Tables 2, 4, 6, 8 and 10. The cell voltage (V) after the durability test is shown as "after durability" in the table.

<5.評価結果の考察>
(5−1.第1工程グループ)
以下、表1〜10に基づいて、評価結果を考察する。なお、表1〜10において、本実施形態の要件を満たさない値、または合格レベルに達していない値に下線を付した。実施例1−2〜1−7は、第1工程のみならず第2〜第10工程の条件が本実施形態の条件を満たすので、結果物である合金触媒も本実施形態の条件を満たす。すなわち、実施例1−2〜1−7では、リーチングにより複合金属粒子の表面及びその近傍のみから遷移金属元素を除去することができるので、「組成ずれ」を抑制することができ、合金触媒の初期活性が高くなる。また、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が高く、強固なスキン層が形成される。したがって、合金触媒の耐久性が高くなる。したがって、初期活性及び耐久性のいずれも合格レベルとなった。
<5. Consideration of evaluation results>
(5-1. 1st process group)
Hereinafter, the evaluation results will be considered based on Tables 1 to 10. In Tables 1 to 10, values that do not meet the requirements of this embodiment or values that do not reach the passing level are underlined. In Examples 1-2 to 1-7, not only the conditions of the first step but also the conditions of the second to tenth steps satisfy the conditions of the present embodiment, so that the resulting alloy catalyst also satisfies the conditions of the present embodiment. That is, in Examples 1-2 to 1-7, since the transition metal element can be removed only from the surface of the composite metal particles and its vicinity by leaching, "composition deviation" can be suppressed, and the alloy catalyst can be used. The initial activity is high. In addition, the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer is high, and a strong skin layer is formed. Therefore, the durability of the alloy catalyst is increased. Therefore, both the initial activity and durability were acceptable levels.

一方、比較例1−1では、第1工程、すなわち1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも弱くなっている。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも低く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも短くなっている。このため、第10工程後の複合金属粒子の合金化率、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。 On the other hand, in Comparative Example 1-1, the strength of the first step, that is, the first annealing treatment is weaker than the conditions of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is lower than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is shorter than the condition of the present embodiment. Therefore, alloying of the composite metal particles after the tenth step, the integrated value of the amount of released oxygen molecules of the surface area 1 m 2 per noble metal element, and elimination of carbon dioxide molecules in surface area 1 m 2 per noble metal element The integrated value of was not satisfied with the conditions of the present embodiment, and the initial activity and durability were at the reject level.

より具体的に説明すると、1回目のアニール処理後の複合金属粒子の合金化率は非常に低くなっている。したがって、複合金属粒子内に遷移金属元素が偏析している。このため、第2工程以降のリーチングにおいて遷移金属元素の溶出量を制御することが困難となり、第10工程後の複合金属粒子の組成が第0工程で作製された未処理複合金属粒子の組成と大きくずれてしまう(組成ずれ)。このため、初期活性が低下する。また、遷移金属元素が偏析していることから、第2工程以降のリーチングによって複合金属粒子の表面に激しい凹凸が形成される。このような凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 More specifically, the alloying ratio of the composite metal particles after the first annealing treatment is very low. Therefore, the transition metal element is segregated in the composite metal particles. For this reason, it becomes difficult to control the elution amount of the transition metal element in the leaching after the second step, and the composition of the composite metal particles after the tenth step is the same as the composition of the untreated composite metal particles produced in the zeroth step. There is a large deviation (composition deviation). Therefore, the initial activity is reduced. Further, since the transition metal element is segregated, severe irregularities are formed on the surface of the composite metal particles by the leaching in the second and subsequent steps. Due to such unevenness, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

比較例1−8では、1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも高く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。さらに、水素ガス濃度が本実施形態の条件よりも高くなっている。このため、第10工程後の複合金属粒子の結晶子径が大きくなりすぎて、初期活性が不合格レベルとなった。固体高分子形燃料電池を作動させた際の反応場が狭くなるからである。 In Comparative Examples 1-8, the strength of the first annealing treatment is stronger than the conditions of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is higher than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is longer than the condition of the present embodiment. Further, the hydrogen gas concentration is higher than the condition of the present embodiment. Therefore, the crystallite diameter of the composite metal particles after the 10th step became too large, and the initial activity became a reject level. This is because the reaction field when the polymer electrolyte fuel cell is operated becomes narrow.

(5−2.第2〜第4工程グループ)
実施例2−2〜2−4は、第2〜第4工程のみならず、第1、第5〜第10工程の条件が本実施形態の条件を満たすので、結果物である合金触媒も本実施形態の条件を満たす。すなわち、実施例2−2〜2−4では、リーチングにより複合金属粒子の表面及びその近傍のみから遷移金属元素を除去することができるので、「組成ずれ」を抑制することができ、合金触媒の初期活性が高くなる。また、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が高く、強固なスキン層が形成される。したがって、合金触媒の耐久性が高くなる。したがって、初期活性及び耐久性がいずれも合格レベルとなった。
(5-2. 2nd to 4th process groups)
In Examples 2-2-2-4, not only the conditions of the second to fourth steps but also the conditions of the first and fifth to tenth steps satisfy the conditions of the present embodiment, so that the resulting alloy catalyst is also present. The conditions of the embodiment are satisfied. That is, in Examples 2-2-2-4, since the transition metal element can be removed only from the surface of the composite metal particles and its vicinity by leaching, "composition deviation" can be suppressed, and the alloy catalyst can be used. The initial activity is high. In addition, the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer is high, and a strong skin layer is formed. Therefore, the durability of the alloy catalyst is increased. Therefore, both the initial activity and durability were at the acceptable level.

一方、比較例2−1では、第2工程、すなわち1回目のリーチングの強度が本実施形態の条件よりも弱くなっている。具体的には、酸濃度及び加熱温度が本実施形態の条件よりも低く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも短くなっている。さらに、第4工程、すなわち2回目のアニール処理の条件が本実施形態の条件よりも弱くなっている。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも低く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも短くなっている。雰囲気ガス中に水素ガスは含まれていない。このため、第10工程後の貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、耐久性が不合格レベルとなった。 On the other hand, in Comparative Example 2-1 the strength of the second step, that is, the strength of the first leaching is weaker than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration and the heating temperature are lower than the conditions of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is shorter than the conditions of the present embodiment. Further, the conditions of the fourth step, that is, the second annealing treatment, are weaker than the conditions of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is lower than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is shorter than the condition of the present embodiment. Hydrogen gas is not contained in the atmospheric gas. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element after the 10th step are the integrated values of the present embodiment. The conditions were not met and the durability was at a reject level.

より具体的に説明すると、1回目のリーチング後の複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残っている。さらに、2回目のアニール処理の強度は本実施形態の条件よりも弱いと言えるので、2回目のアニール処理後の複合金属粒子の表面には大きな凹凸が残っている。このような凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。他の工程は本実施形態の条件を満たしているが、これらの工程によってもこれらの問題は解決されない。したがって、第10工程後の複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残留し、かつ大きな凹凸が残留している。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 More specifically, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the first leaching. Further, since it can be said that the strength of the second annealing treatment is weaker than the conditions of the present embodiment, large irregularities remain on the surface of the composite metal particles after the second annealing treatment. Due to such unevenness, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Although the other steps satisfy the conditions of the present embodiment, these steps do not solve these problems either. Therefore, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step, and large irregularities remain. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

比較例2−5では、1回目のリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。具体的には、酸濃度及び加熱温度が本実施形態の条件よりも高く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。さらに、第4工程、すなわち2回目のアニール処理の条件が本実施形態の条件よりも強くなっている。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも高く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。さらに、水素ガス濃度が本実施形態の条件よりも高くなっている。このため、第10工程後の複合金属粒子の組成が本実施形態の条件を満たさない。さらに、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさない。このため、初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。 In Comparative Example 2-5, the strength of the first leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration and the heating temperature are higher than the conditions of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is longer than the conditions of the present embodiment. Further, the conditions of the fourth step, that is, the second annealing treatment, are stronger than the conditions of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is higher than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is longer than the condition of the present embodiment. Further, the hydrogen gas concentration is higher than the condition of the present embodiment. Therefore, the composition of the composite metal particles after the tenth step does not satisfy the conditions of the present embodiment. Further, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity and durability were at the reject level.

より具体的に説明すると、1回目のリーチング後の複合金属粒子の表面に大きな凹凸が形成される。このため、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。また、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去される結果、上述した「組成ずれ」が起こる。さらに、2回目のアニール処理によって合金化が必要以上に進み、複合金属粒子の奥に存在する多くの遷移金属元素が表面に移動し、露出する。他の工程は本実施形態の条件を満たしているが、これらの工程によってもこれらの問題は解決されない。したがって、第10工程後の複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残留し、かつ大きな凹凸が残留している。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。なお、2回目のアニール処理によって凹凸が緩和されているとも考えられるが、仮に凹凸が緩和されても表面に多数の遷移金属元素が残留することには変わりがない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。さらに、「組成ずれ」が生じていることから初期活性も低下する。 More specifically, large irregularities are formed on the surface of the composite metal particles after the first leaching. Therefore, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Further, as a result of removing a large amount of transition metal elements by leaching, the above-mentioned "composition deviation" occurs. Further, the second annealing treatment proceeds more than necessary for alloying, and many transition metal elements existing in the back of the composite metal particles move to the surface and are exposed. Although the other steps satisfy the conditions of the present embodiment, these steps do not solve these problems either. Therefore, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step, and large irregularities remain. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. It is considered that the unevenness is alleviated by the second annealing treatment, but even if the unevenness is alleviated, a large number of transition metal elements remain on the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced. Further, the initial activity is also lowered due to the “composition deviation”.

(5−3.第5〜第7工程グループ)
実施例3−2〜3−4は、第5〜第7工程のみならず、第1〜第4、第8〜第10工程の条件が本実施形態の条件を満たすので、結果物である合金触媒も本実施形態の条件を満たす。すなわち、実施例3−2〜3−4では、リーチングにより複合金属粒子の表面及びその近傍のみから遷移金属元素を除去することができるので、「組成ずれ」を抑制することができ、合金触媒の初期活性が高くなる。また、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が高く、強固なスキン層が形成される。したがって、合金触媒の耐久性が高くなる。したがって、初期活性及び耐久性がいずれも合格レベルとなった。特に、実施例3−3では、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の好ましい条件である3.0×10−6mol/m以上となっており、貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の好ましい条件である2.5×10−7molmol/m以下となっている。したがって、耐久性が特に優れている(低下率が5.0%以下となっている)。
(5-3. 5th-5th process group)
In Examples 3-2-3-4, not only the 5th to 7th steps but also the conditions of the 1st to 4th and 8th to 10th steps satisfy the conditions of the present embodiment, and thus the alloy is a result. The catalyst also satisfies the conditions of the present embodiment. That is, in Examples 3-2-3-4, since the transition metal element can be removed only from the surface of the composite metal particles and its vicinity by leaching, "composition deviation" can be suppressed, and the alloy catalyst can be used. The initial activity is high. In addition, the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer is high, and a strong skin layer is formed. Therefore, the durability of the alloy catalyst is increased. Therefore, both the initial activity and durability were at the acceptable level. In particular, in Example 3-3, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element is 3.0 × 10-6 mol / m 2 or more, which is a preferable condition of the present embodiment. The integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element is 2.5 × 10 -7 molmol / m 2 or less, which is a preferable condition of the present embodiment. Therefore, the durability is particularly excellent (the reduction rate is 5.0% or less).

一方、比較例3−1では、第5工程、すなわち2回目のリーチングの強度が本実施形態の条件よりも弱くなっている。具体的には、酸濃度及び加熱温度が本実施形態の条件よりも低く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも短くなっている。さらに、第7工程、すなわち3回目のアニール処理の条件が本実施形態の条件よりも弱くなっている。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも低く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも短くなっている。雰囲気ガス中に水素ガスは含まれていない。このため、第10工程後の貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、耐久性が不合格レベルとなった。 On the other hand, in Comparative Example 3-1 the strength of the fifth step, that is, the strength of the second leaching is weaker than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration and the heating temperature are lower than the conditions of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is shorter than the conditions of the present embodiment. Further, the conditions of the seventh step, that is, the third annealing treatment, are weaker than the conditions of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is lower than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is shorter than the condition of the present embodiment. Hydrogen gas is not contained in the atmospheric gas. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element after the 10th step are the integrated values of the present embodiment. The conditions were not met and the durability was at a reject level.

より具体的に説明すると、2回目のリーチング後の複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残っている。さらに、さらに、3回目のアニール処理の強度は本実施形態の条件よりも弱いと言えるので、3回目のアニール処理後の複合金属粒子の表面には大きな凹凸が残っている。このような凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。他の工程は本実施形態の条件を満たしているが、これらの工程によってもこれらの問題は解決されない。したがって、第10工程後の複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残留し、かつ大きな凹凸が残留している。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 More specifically, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the second leaching. Furthermore, since it can be said that the strength of the third annealing treatment is weaker than the conditions of the present embodiment, large irregularities remain on the surface of the composite metal particles after the third annealing treatment. Due to such unevenness, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Although the other steps satisfy the conditions of the present embodiment, these steps do not solve these problems either. Therefore, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step, and large irregularities remain. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

比較例3−5では、2回目のリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。具体的には、酸濃度及び加熱温度が本実施形態の条件よりも高く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。さらに、第7工程、すなわち3回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも高く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。さらに、水素ガス濃度が本実施形態の条件よりも高くなっている。このため、第10工程後の複合金属粒子の組成が本実施形態の条件を満たさない。さらに、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさない。このため、初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。 In Comparative Example 3-5, the strength of the second leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration and the heating temperature are higher than the conditions of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is longer than the conditions of the present embodiment. Further, the strength of the seventh step, that is, the third annealing treatment is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is higher than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is longer than the condition of the present embodiment. Further, the hydrogen gas concentration is higher than the condition of the present embodiment. Therefore, the composition of the composite metal particles after the tenth step does not satisfy the conditions of the present embodiment. Further, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity and durability were at the reject level.

より具体的に説明すると、2回目のリーチング後の複合金属粒子の表面に大きな凹凸が形成される。このため、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。また、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去される結果、上述した「組成ずれ」が起こる。さらに、3回目のアニール処理によって合金化が必要以上に進み、複合金属粒子の奥に存在する多くの遷移金属元素が表面に移動し、露出する。他の工程は本実施形態の条件を満たしているが、これらの工程によってもこれらの問題は解決されない。したがって、第10工程後の複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残留し、かつ大きな凹凸が残留している。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。なお、3回目のアニール処理によって凹凸が緩和されているとも考えられるが、仮に凹凸が緩和されても表面に多数の遷移金属元素が残留することには変わりがない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。さらに、「組成ずれ」が生じていることから初期活性も低下する。 More specifically, large irregularities are formed on the surface of the composite metal particles after the second leaching. Therefore, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Further, as a result of removing a large amount of transition metal elements by leaching, the above-mentioned "composition deviation" occurs. Further, the alloying proceeds more than necessary by the third annealing treatment, and many transition metal elements existing in the back of the composite metal particles move to the surface and are exposed. Although the other steps satisfy the conditions of the present embodiment, these steps do not solve these problems either. Therefore, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step, and large irregularities remain. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. It is considered that the unevenness is alleviated by the third annealing treatment, but even if the unevenness is alleviated, a large number of transition metal elements remain on the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced. Further, the initial activity is also lowered due to the “composition deviation”.

(5−4.第8〜第10工程グループ)
実施例4−2〜4−4は、第8〜第10工程のみならず、第1〜第7工程の条件が本実施形態の条件を満たすので、結果物である合金触媒も本実施形態の条件を満たす。すなわち、実施例4−2〜4−4では、リーチングにより複合金属粒子の表面及びその近傍のみから遷移金属元素を除去することができるので、「組成ずれ」を抑制することができ、合金触媒の初期活性が高くなる。また、スキン層に占める貴金属元素の存在割合が高く、強固なスキン層が形成される。したがって、合金触媒の耐久性が高くなる。したがって、初期活性及び耐久性がいずれも合格レベルとなった。特に、実施例4−3、4−4では、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の好ましい条件である3.0×10−6mol(mol/m)以上となっており、貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の好ましい条件である2.5×10−7mol(mol/m)以下となっている。したがって、耐久性が特に優れている(低下率が5.0%以下となっている)。
(5-4. 8th to 10th process groups)
In Examples 4-2 to 4-4, not only the 8th to 10th steps but also the conditions of the 1st to 7th steps satisfy the conditions of the present embodiment, so that the resulting alloy catalyst is also the same as that of the present embodiment. Satisfy the conditions. That is, in Examples 4-2 to 4-4, since the transition metal element can be removed only from the surface of the composite metal particles and its vicinity by leaching, "composition deviation" can be suppressed, and the alloy catalyst can be used. The initial activity is high. In addition, the abundance ratio of the noble metal element in the skin layer is high, and a strong skin layer is formed. Therefore, the durability of the alloy catalyst is increased. Therefore, both the initial activity and durability were at the acceptable level. In particular, in Examples 4-3 and 4-4, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element is a preferable condition of the present embodiment of 3.0 × 10-6 mol (mol / mol /). m 2 ) or more, and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element is a preferable condition of the present embodiment 2.5 × 10-7 mol (mol / m 2 ). It is as follows. Therefore, the durability is particularly excellent (the reduction rate is 5.0% or less).

一方、比較例4−1では、第8工程、すなわち3回目のリーチングの強度が本実施形態の条件よりも弱くなっている。具体的には、酸濃度及び加熱温度が本実施形態の条件よりも低く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも短くなっている。さらに、第10工程、すなわち4回目のアニール処理の条件が本実施形態の条件よりも弱くなっている。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも低く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも短くなっている。このため、第10工程後の貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、耐久性が不合格レベルとなった。 On the other hand, in Comparative Example 4-1 the strength of the eighth step, that is, the third leaching is weaker than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration and the heating temperature are lower than the conditions of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is shorter than the conditions of the present embodiment. Further, the conditions of the tenth step, that is, the fourth annealing treatment are weaker than the conditions of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is lower than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is shorter than the condition of the present embodiment. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element after the 10th step are the integrated values of the present embodiment. The conditions were not met and the durability was at a reject level.

より具体的に説明すると、3回目のリーチング後の複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残っている。さらに、4回目のアニール処理後の複合金属粒子の表面には大きな凹凸が残っている。このような凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。他の工程は本実施形態の条件を満たしているが、これらの工程によってもこれらの問題は解決されない。したがって、第10工程後の複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残留し、かつ大きな凹凸が残留している。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 More specifically, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the third leaching. Further, large irregularities remain on the surface of the composite metal particles after the fourth annealing treatment. Due to such unevenness, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Although the other steps satisfy the conditions of the present embodiment, these steps do not solve these problems either. Therefore, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step, and large irregularities remain. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

比較例4−5では、3回目のリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。具体的には、酸濃度及び加熱温度が本実施形態の条件よりも高く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。さらに、第10工程、すなわち4回目のリーチングの条件が本実施形態の条件よりも強くなっている。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも高く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。さらに、水素ガス濃度が本実施形態の条件よりも高くなっている。このため、第10工程後の複合金属粒子の組成が本実施形態の条件を満たさない。さらに、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさない。このため、初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。 In Comparative Example 4-5, the strength of the third leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration and the heating temperature are higher than the conditions of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is longer than the conditions of the present embodiment. Further, the condition of the tenth step, that is, the fourth leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is higher than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is longer than the condition of the present embodiment. Further, the hydrogen gas concentration is higher than the condition of the present embodiment. Therefore, the composition of the composite metal particles after the tenth step does not satisfy the conditions of the present embodiment. Further, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity and durability were at the reject level.

より具体的に説明すると、3回目のリーチング後の複合金属粒子の表面に大きな凹凸が形成される。このため、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。また、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去される結果、上述した「組成ずれ」が起こる。さらに、4回目のアニール処理によって合金化が必要以上に進み、複合金属粒子の奥に存在する多くの遷移金属元素が表面に移動し、露出する。他の工程は本実施形態の条件を満たしているが、これらの工程によってもこれらの問題は解決されない。したがって、第10工程後の複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残留し、かつ大きな凹凸が残留している。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。なお、4回目のアニール処理によって凹凸が緩和されているとも考えられるが、仮に凹凸が緩和されても表面に多数の遷移金属元素が残留することには変わりがない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。さらに、「組成ずれ」が生じていることから初期活性も低下する。 More specifically, large irregularities are formed on the surface of the composite metal particles after the third leaching. Therefore, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Further, as a result of removing a large amount of transition metal elements by leaching, the above-mentioned "composition deviation" occurs. Further, the alloying proceeds more than necessary by the fourth annealing treatment, and many transition metal elements existing in the back of the composite metal particles move to the surface and are exposed. Although the other steps satisfy the conditions of the present embodiment, these steps do not solve these problems either. Therefore, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles after the tenth step, and large irregularities remain. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. It is considered that the unevenness is alleviated by the fourth annealing treatment, but even if the unevenness is alleviated, a large number of transition metal elements remain on the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced. Further, the initial activity is also lowered due to the “composition deviation”.

(5−5.他のグループ)
比較例5−1は、従来から行われている一般的なリーチング及びアニール処理を行った例である。比較例5−1では、第1工程、すなわち1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件を満たしている。ただし、リーチングは第2工程の1回のみであり、さらに、リーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。具体的には、酸濃度が本実施形態の条件よりも高く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。このため、比較例5−1では、複合金属粒子の合金化率及び結晶子径が本実施形態の条件を満たすが、複合金属粒子の組成は本実施形態の条件を満たさない。さらに、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさない。このため、初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。
(5-5. Other groups)
Comparative Example 5-1 is an example in which general leaching and annealing treatments that have been conventionally performed are performed. In Comparative Example 5-1, the strength of the first step, that is, the strength of the first annealing treatment satisfies the conditions of the present embodiment. However, the leaching is performed only once in the second step, and the strength of the leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration is higher than the condition of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is longer than the condition of the present embodiment. Therefore, in Comparative Example 5-1, the alloying ratio and the crystallite diameter of the composite metal particles satisfy the conditions of the present embodiment, but the composition of the composite metal particles does not satisfy the conditions of the present embodiment. Further, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity and durability were at the reject level.

より具体的に説明すると、第1工程、すなわち1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件を満たしているので、合金化率及び結晶子径が本実施形態の条件を満たす。しかし、リーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっているので、リーチング後の複合金属粒子の表面に大きな凹凸が形成される。このため、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。また、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去される結果、上述した「組成ずれ」が起こる。第4工程、すなわち2回目のアニール処理の強度は本実施形態の条件を満たすが、このアニール処理では凹凸を十分に平滑化することができない。したがって、比較例5−1で作製された複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残留し、かつ大きな凹凸が残留している。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。さらに、「組成ずれ」が生じていることから初期活性も低下する。 More specifically, since the strength of the first step, that is, the first annealing treatment satisfies the conditions of the present embodiment, the alloying ratio and the crystallite diameter satisfy the conditions of the present embodiment. However, since the leaching strength is stronger than the conditions of the present embodiment, large irregularities are formed on the surface of the composite metal particles after leaching. Therefore, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Further, as a result of removing a large amount of transition metal elements by leaching, the above-mentioned "composition deviation" occurs. The strength of the fourth step, that is, the strength of the second annealing treatment satisfies the condition of the present embodiment, but the unevenness cannot be sufficiently smoothed by this annealing treatment. Therefore, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles produced in Comparative Example 5-1 and large irregularities remain. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced. Further, the initial activity is also lowered due to the “composition deviation”.

比較例5−2は、比較例5−1の第4工程の条件(2回目のアニール処理の強度)を強くした例である。比較例5−2でも初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。比較例5−2でも第2工程のリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。さらに、比較例5−2では、2回目のアニール処理の雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも高く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。このため、比較例5−2で作製された複合金属粒子の組成及び結晶子径は本実施形態の条件を満たさない。さらに、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさない。このため、初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。 Comparative Example 5-2 is an example in which the conditions (strength of the second annealing treatment) of the fourth step of Comparative Example 5-1 are strengthened. Even in Comparative Example 5-2, the initial activity and durability were at the failing level. Also in Comparative Example 5-2, the reaching strength of the second step is stronger than the condition of this embodiment. Further, in Comparative Example 5-2, the atmospheric gas temperature of the second annealing treatment is higher than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is longer than the condition of the present embodiment. Therefore, the composition and crystallite diameter of the composite metal particles produced in Comparative Example 5-2 do not satisfy the conditions of the present embodiment. Further, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity and durability were at the reject level.

より具体的に説明すると、比較例5−2では、リーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっているので、リーチング後の複合金属粒子の表面に大きな凹凸が形成される。このため、複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。また、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去される結果、上述した「組成ずれ」が起こる。したがって、初期活性が低下する。第4工程のアニール処理によって複合金属粒子の表面の凹凸はある程度平滑化される。しかし、アニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強いことから、複合金属粒子が凝集・粗大化し、結晶子径が大きくなる。この結果、結晶子径が本実施形態の条件を満たさなくなり、この点でも初期活性が低下する。固体高分子形燃料電池を作動させた際の反応場が狭くなるからである。さらに、第4工程のアニール処理によって合金化が必要以上に進み、複合金属粒子の奥に存在する多くの遷移金属元素が表面に移動し、露出する。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 More specifically, in Comparative Example 5-2, since the leaching strength is stronger than the condition of the present embodiment, large irregularities are formed on the surface of the composite metal particles after leaching. Therefore, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Further, as a result of removing a large amount of transition metal elements by leaching, the above-mentioned "composition deviation" occurs. Therefore, the initial activity is reduced. The surface irregularities of the composite metal particles are smoothed to some extent by the annealing treatment in the fourth step. However, since the strength of the annealing treatment is stronger than the conditions of the present embodiment, the composite metal particles are aggregated and coarsened, and the crystallite diameter becomes large. As a result, the crystallite diameter does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the initial activity also decreases in this respect. This is because the reaction field when the polymer electrolyte fuel cell is operated becomes narrow. Further, the annealing treatment in the fourth step proceeds more than necessary for alloying, and many transition metal elements existing in the back of the composite metal particles move to the surface and are exposed. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

比較例5−3は、「組成ずれ」を見越して予め未処理複合金属粒子に遷移金属元素を多めに仕込んだ例である。しかし、比較例5−3でも初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。比較例5−3では、確かに複合金属粒子の組成が本実施形態の条件を満たしている。しかし、第2工程、すなわちリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強いという点では比較例5−1と変わりがない。このため、複合金属粒子の表面のみならず、内部からも遷移金属元素が多数溶出しており、複合金属粒子の表面には激しい凹凸が形成される。また、複合金属粒子の内部に多数の気孔が形成される。このため、複合金属粒子が不安定な状態となり、初期活性が低下する。さらに、このような凹凸によって内部の遷移金属元素が露出する。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 Comparative Example 5-3 is an example in which a large amount of transition metal elements are charged into the untreated composite metal particles in advance in anticipation of “composition deviation”. However, even in Comparative Example 5-3, the initial activity and durability were at the rejected level. In Comparative Example 5-3, the composition of the composite metal particles certainly satisfies the conditions of the present embodiment. However, it is the same as Comparative Example 5-1 in that the strength of the second step, that is, the leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Therefore, a large number of transition metal elements are eluted not only from the surface of the composite metal particles but also from the inside, and severe irregularities are formed on the surface of the composite metal particles. In addition, a large number of pores are formed inside the composite metal particles. Therefore, the composite metal particles become unstable and the initial activity decreases. Further, such unevenness exposes the transition metal element inside. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

比較例5−4は、比較例5−1の第2工程の条件(1回目のリーチングの強度)を非常に弱くした例である。比較例5−4では初期活性が合格レベルになったものの、耐久性は依然として不合格レベルとなった。比較例5−4では、第1工程、すなわち1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件を満たしている。このため、合金化率及び結晶子径が本実施形態の条件を満たす。ただし、リーチングの強度が本実施形態の条件よりも弱くなっている。具体的には、酸濃度が本実施形態の条件よりも低く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも短くなっている。このため、「組成ずれ」は抑制されており、初期活性は高い。しかし、複合金属粒子の表面に多数の遷移金属元素が残留している。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 Comparative Example 5-4 is an example in which the conditions (strength of the first leaching) of the second step of Comparative Example 5-1 are made very weak. In Comparative Example 5-4, the initial activity reached the pass level, but the durability was still at the fail level. In Comparative Example 5-4, the strength of the first step, that is, the strength of the first annealing treatment satisfies the conditions of the present embodiment. Therefore, the alloying ratio and the crystallite diameter satisfy the conditions of the present embodiment. However, the strength of leaching is weaker than the condition of this embodiment. Specifically, the acid concentration is lower than the condition of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is shorter than the condition of the present embodiment. Therefore, "composition deviation" is suppressed and the initial activity is high. However, a large number of transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

比較例5−5は、特許文献1の実施例を再現した例である。比較例5−5でも初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。比較例5−5では、第1工程、すなわち1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強い。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも高くなっている。さらに、第2工程、すなわちリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強い。具体的には、酸濃度が本実施形態の条件よりも高く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。このため、比較例5−5で作製された複合金属粒子の組成及び結晶子径は本実施形態の条件を満たさない。さらに、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさない。このため、初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。 Comparative Example 5-5 is an example in which the example of Patent Document 1 is reproduced. Even in Comparative Example 5-5, the initial activity and durability were at the failing level. In Comparative Example 5-5, the strength of the first step, that is, the first annealing treatment is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is higher than the conditions of the present embodiment. Further, the strength of the second step, that is, the leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration is higher than the condition of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is longer than the condition of the present embodiment. Therefore, the composition and crystallite diameter of the composite metal particles produced in Comparative Example 5-5 do not satisfy the conditions of the present embodiment. Further, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity and durability were at the reject level.

より具体的に説明すると、1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強いので、複合金属粒子が凝集・粗大化し、結晶子径が大きくなる。この結果、複合金属粒子の結晶子径が本実施形態の条件を満たさなくなり、初期活性が低下する。固体高分子形燃料電池を作動させた際の反応場が狭くなるからである。さらに、リーチングの強度が本実施形態の条件よりも強いので、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去され、上述した「組成ずれ」が起こる。このため、複合金属粒子の組成は本実施形態の条件を満たさない。この点でも初期活性が低下する。さらに、リーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっていることから、複合金属粒子の表面に激しい凹凸が形成される。比較例5−5ではリーチング後にアニール処理を行わないので、このような凹凸は平滑化されない。このため、凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。したがって、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 More specifically, since the strength of the first annealing treatment is stronger than the conditions of the present embodiment, the composite metal particles are aggregated and coarsened, and the crystallite diameter is increased. As a result, the crystallite diameter of the composite metal particles does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the initial activity is lowered. This is because the reaction field when the polymer electrolyte fuel cell is operated becomes narrow. Further, since the leaching strength is stronger than the condition of the present embodiment, a large amount of transition metal elements are removed by the leaching, and the above-mentioned "composition deviation" occurs. Therefore, the composition of the composite metal particles does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the initial activity decreases. Further, since the leaching strength is stronger than the condition of the present embodiment, severe unevenness is formed on the surface of the composite metal particles. In Comparative Example 5-5, since the annealing treatment is not performed after the leaching, such unevenness is not smoothed. Therefore, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface due to the unevenness. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

比較例5−6は、特許文献2の実施例を再現した例である。比較例5−6でも初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。比較例5−6では、第1工程、すなわち1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強い。具体的には、熱処理時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。さらに、第2工程、すなわちリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強い。具体的には、酸濃度が本実施形態の条件よりも高く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。なお、加熱温度は本実施形態の条件よりも低くはなっているものの、全体としてはリーチングの強度が強いと言える。さらに、第4工程、すなわち2回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。具体的には、雰囲気ガス温度が本実施形態の条件よりも高く、熱処理時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。このため、比較例5−6で作製された複合金属粒子の組成及び結晶子径は本実施形態の条件を満たさない。さらに、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさない。このため、初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。 Comparative Example 5-6 is an example of reproducing the example of Patent Document 2. Even in Comparative Example 5-6, the initial activity and durability were at the failing level. In Comparative Example 5-6, the strength of the first step, that is, the first annealing treatment is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the heat treatment time is longer than the conditions of the present embodiment. Further, the strength of the second step, that is, the leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration is higher than the condition of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is longer than the condition of the present embodiment. Although the heating temperature is lower than the conditions of the present embodiment, it can be said that the leaching strength is strong as a whole. Further, the strength of the fourth step, that is, the second annealing treatment is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the atmospheric gas temperature is higher than the condition of the present embodiment, and the heat treatment time is longer than the condition of the present embodiment. Therefore, the composition and crystallite diameter of the composite metal particles produced in Comparative Example 5-6 do not satisfy the conditions of the present embodiment. Further, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity and durability were at the reject level.

より具体的に説明すると、比較例5−6では、1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強いので、複合金属粒子が凝集・粗大化し、結晶子径が大きくなる。この結果、複合金属粒子の結晶子径が本実施形態の条件を満たさなくなり、初期活性が低下する。固体高分子形燃料電池を作動させた際の反応場が狭くなるからである。さらに、第2工程、すなわちリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。このため、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去され、上述した「組成ずれ」が起こる。このため、複合金属粒子の組成は本実施形態の条件を満たさない。この点でも初期活性が低下する。さらに、リーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっていることから、複合金属粒子の表面に激しい凹凸が形成される。このような凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。さらに、第4工程、すなわち2回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。このため、2回目のアニール処理によって合金化が必要以上に進み、複合金属粒子の奥に存在する多くの遷移金属元素が表面に移動し、露出する。なお、2回目のアニール処理によっても複合金属粒子の結晶子径が粗大化する。したがって、比較例5−6で作製された複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残留し、かつ大きな凹凸が残留している。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。なお、2回目のアニール処理によって凹凸が緩和されているとも考えられるが、仮に凹凸が緩和されても表面に多数の遷移金属元素が残留することには変わりがない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 More specifically, in Comparative Example 5-6, since the strength of the first annealing treatment is stronger than the condition of the present embodiment, the composite metal particles are aggregated and coarsened, and the crystallite diameter is increased. As a result, the crystallite diameter of the composite metal particles does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the initial activity is lowered. This is because the reaction field when the polymer electrolyte fuel cell is operated becomes narrow. Further, the strength of the second step, that is, the leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Therefore, a large amount of transition metal elements are removed by leaching, and the above-mentioned "composition deviation" occurs. Therefore, the composition of the composite metal particles does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the initial activity decreases. Further, since the leaching strength is stronger than the condition of the present embodiment, severe unevenness is formed on the surface of the composite metal particles. Due to such unevenness, the transition metal element existing in the back of the composite metal particles is exposed on the surface. Further, the strength of the fourth step, that is, the second annealing treatment is stronger than the condition of the present embodiment. Therefore, the alloying proceeds more than necessary by the second annealing treatment, and many transition metal elements existing in the back of the composite metal particles move to the surface and are exposed. The crystallite diameter of the composite metal particles is also coarsened by the second annealing treatment. Therefore, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles produced in Comparative Example 5-6, and large irregularities remain. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. It is considered that the unevenness is alleviated by the second annealing treatment, but even if the unevenness is alleviated, a large number of transition metal elements remain on the surface. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

比較例5−7は、特許文献3の実施例を再現した例である。比較例5−7でも初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。比較例5−7では、第1工程、すなわち1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強い。具体的には、熱処理時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。さらに、第2工程、すなわちリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強い。具体的には、酸濃度及び加熱温度が本実施形態の条件よりも高く、酸性水溶液との接触時間が本実施形態の条件よりも長くなっている。このため、比較例5−7で作製された複合金属粒子の結晶子径は本実施形態の条件を満たさない。さらに、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値、及び貴金属元素の表面積1m当たりの二酸化炭素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさない。このため、初期活性及び耐久性が不合格レベルとなった。 Comparative Example 5-7 is an example in which the example of Patent Document 3 is reproduced. Even in Comparative Example 5-7, the initial activity and durability were at the failing level. In Comparative Example 5-7, the strength of the first step, that is, the first annealing treatment is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the heat treatment time is longer than the conditions of the present embodiment. Further, the strength of the second step, that is, the leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Specifically, the acid concentration and the heating temperature are higher than the conditions of the present embodiment, and the contact time with the acidic aqueous solution is longer than the conditions of the present embodiment. Therefore, the crystallite diameter of the composite metal particles produced in Comparative Example 5-7 does not satisfy the conditions of the present embodiment. Further, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element and the integrated value of the desorption amount of carbon dioxide molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element do not satisfy the conditions of the present embodiment. Therefore, the initial activity and durability were at the reject level.

より具体的に説明すると、比較例5−7では、1回目のアニール処理の強度が本実施形態の条件よりも強いので、複合金属粒子が凝集・粗大化し、結晶子径が大きくなる。この結果、複合金属粒子の結晶子径が本実施形態の条件を満たさなくなり、初期活性が低下する。固体高分子形燃料電池を作動させた際の反応場が狭くなるからである。さらに、第2工程、すなわちリーチングの強度が本実施形態の条件よりも強くなっている。このため、多量の遷移金属元素がリーチングによって除去され、上述した「組成ずれ」が起こる。ただし、仕込みの遷移金属元素のモル比が大きいことから、複合金属粒子の組成は本実施形態の条件を満たしている。一方で、リーチングによって複合金属粒子の表面には激しい凹凸が形成される。また、複合金属粒子の内部に多数の気孔が形成される。このため、複合金属粒子が不安定な状態となる。このため、複合金属粒子が不安定な状態となり、初期活性が低下する。また、このような凹凸によって複合金属粒子の奥に存在する遷移金属元素が表面に露出する。第4工程、すなわち2回目のアニール処理の強度は本実施形態の条件を満たすが、このアニール処理では凹凸を十分に平滑化することができない。したがって、比較例5−7で作製された複合金属粒子の表面には多くの遷移金属元素が残留し、かつ大きな凹凸が残留している。さらに、複合金属粒子の表面の貴金属元素が整列していない。このため、貴金属元素の表面積1m当たりの酸素分子の脱離量の積算値が本実施形態の条件を満たさず、合金触媒の耐久性が低下する。また、複合金属粒子の表面に多くの遷移金属元素(より詳細には遷移金属元素の酸化物)が露出していることから、当該酸化物に起因して二酸化炭素分子の脱離量の積算値が大きくなり、本実施形態の条件を満たさなくなる。この点でも合金触媒の耐久性が低下する。 More specifically, in Comparative Example 5-7, since the strength of the first annealing treatment is stronger than the condition of the present embodiment, the composite metal particles are aggregated and coarsened, and the crystallite diameter is increased. As a result, the crystallite diameter of the composite metal particles does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the initial activity is lowered. This is because the reaction field when the polymer electrolyte fuel cell is operated becomes narrow. Further, the strength of the second step, that is, the leaching is stronger than the condition of the present embodiment. Therefore, a large amount of transition metal elements are removed by leaching, and the above-mentioned "composition deviation" occurs. However, since the molar ratio of the transition metal elements to be charged is large, the composition of the composite metal particles satisfies the conditions of the present embodiment. On the other hand, leaching forms severe irregularities on the surface of the composite metal particles. In addition, a large number of pores are formed inside the composite metal particles. Therefore, the composite metal particles are in an unstable state. Therefore, the composite metal particles become unstable and the initial activity decreases. Further, such unevenness exposes the transition metal element existing in the back of the composite metal particles to the surface. The strength of the fourth step, that is, the strength of the second annealing treatment satisfies the condition of the present embodiment, but the unevenness cannot be sufficiently smoothed by this annealing treatment. Therefore, many transition metal elements remain on the surface of the composite metal particles produced in Comparative Example 5-7, and large irregularities remain. Furthermore, the noble metal elements on the surface of the composite metal particles are not aligned. Therefore, the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element does not satisfy the conditions of the present embodiment, and the durability of the alloy catalyst is lowered. In addition, since many transition metal elements (more specifically, oxides of transition metal elements) are exposed on the surface of the composite metal particles, an integrated value of the amount of desorption of carbon dioxide molecules due to the oxides. Becomes large and does not satisfy the conditions of the present embodiment. In this respect as well, the durability of the alloy catalyst is reduced.

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person having ordinary knowledge in the field of technology to which the present invention belongs can come up with various modifications or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. , These are also naturally understood to belong to the technical scope of the present invention.

Claims (6)

貴金属元素及び遷移金属元素を含む複合金属粒子と、
前記複合金属粒子を担持する触媒担体と、を備え、
前記貴金属元素は、Pt、Au、及びPdからなる群から選択される何れか1種以上であり、
前記遷移金属元素は、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群から選択される何れか1種類以上であり、
前記複合金属粒子は、前記貴金属元素及び前記遷移金属元素を貴金属元素:遷移金属元素=1:0.2以上1:1以下のモル比で含み、
前記複合金属粒子をX線回折分析した場合に、2θ=37°以上42°以下で回折ピークが観測され、当該回折ピークに基づいて算出される格子定数と、以下の式(1)とに基づいて算出される合金化率が60%以上100%以下であり、
合金化率[%]={(バルク貴金属の格子定数)−(前記複合金属粒子の格子定数)}/{(バルク貴金属の格子定数)−(バルク複合金属の最大ピークの格子定数)}×100 (1)
前記回折ピークに基づいて算出される前記複合金属粒子の結晶子径が2〜8nmであり、
85Kで前記複合金属粒子に吸着させた酸素分子を昇温脱離させる昇温脱離法を行った場合に、前記酸素分子に相当するm/z=32の昇温脱離曲線が130K以上190K以下の範囲に脱離ピークトップを有し、脱離ピークの面積に基づいて算出される前記酸素分子の脱離量の積算値が、前記複合金属粒子の表面に露出した貴金属部分の表面積1m当たり1.0×10−6mol以上であることを特徴とする、固体高分子形燃料電池用合金触媒。
Composite metal particles containing noble metal elements and transition metal elements,
A catalyst carrier that supports the composite metal particles, and
The noble metal element is at least one selected from the group consisting of Pt, Au, and Pd.
The transition metal element is at least one type selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni.
The composite metal particles contain the noble metal element and the transition metal element in a molar ratio of noble metal element: transition metal element = 1: 0.2 or more and 1: 1 or less.
When the composite metal particles are subjected to X-ray diffraction analysis, a diffraction peak is observed at 2θ = 37 ° or more and 42 ° or less, and the lattice constant calculated based on the diffraction peak is based on the following equation (1). The alloying rate calculated by the above is 60% or more and 100% or less.
Alloying rate [%] = {(lattice constant of bulk noble metal)-(lattice constant of the composite metal particles)} / {(lattice constant of bulk noble metal)-(lattice constant of maximum peak of bulk composite metal)} × 100 (1)
The crystallite diameter of the composite metal particles calculated based on the diffraction peak is 2 to 8 nm.
When the temperature-temperature desorption method is performed in which the oxygen molecules adsorbed on the composite metal particles are desorbed by heating at 85K, the temperature-temperature desorption curve of m / z = 32 corresponding to the oxygen molecules is 130K or more and 190K. It has a desorption peak top in the following range, and the integrated value of the desorption amount of the oxygen molecule calculated based on the area of the desorption peak is 1 m 2 of the surface surface of the noble metal portion exposed on the surface of the composite metal particles. An alloy catalyst for a solid polymer fuel cell, characterized in that it is 1.0 × 10-6 mol or more per unit.
前記酸素分子の脱離量の積算値が、前記貴金属元素の表面積1m当たり3.0×10−6mol以上であることを特徴とする、請求項1記載の固体高分子形燃料電池用合金触媒。 The alloy for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the integrated value of the desorption amount of oxygen molecules is 3.0 × 10-6 mol or more per 1 m 2 of the surface area of the noble metal element. catalyst. 85Kで前記複合金属粒子に吸着させた酸素分子を昇温脱離させる昇温脱離法を行った場合に、二酸化炭素分子に相当するm/z=44の昇温脱離曲線が300K以上900K以下の範囲に脱離ピークトップを有し、脱離ピークの面積に基づいて算出される前記二酸化炭素分子の脱離量の積算値が、前記複合金属粒子の表面に露出した貴金属部分の表面積1m当たり3.0×10−7mol以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載の固体高分子形燃料電池用合金触媒。 When the temperature-temperature desorption method is performed in which oxygen molecules adsorbed on the composite metal particles are desorbed by temperature-temperature at 85K, the temperature-temperature desorption curve of m / z = 44 corresponding to carbon dioxide molecules is 300K or more and 900K. It has a desorption peak top in the following range, and the integrated value of the desorption amount of the carbon dioxide molecule calculated based on the area of the desorption peak is 1 m on the surface surface of the noble metal portion exposed on the surface of the composite metal particles. The alloy catalyst for a solid polymer fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the amount is 3.0 × 10-7 mol or less per 2 of the catalyst. 前記二酸化炭素分子の脱離量の積算値が、前記複合金属粒子の表面に露出した貴金属部分の表面積1m当たり2.5×10−7mol以下であることを特徴とする、請求項3記載の固体高分子形燃料電池用合金触媒。 The third aspect of claim 3, wherein the integrated value of the desorption amount of the carbon dioxide molecule is 2.5 × 10 -7 mol or less per 1 m 2 of the surface area of the noble metal portion exposed on the surface of the composite metal particles. Alloy catalyst for polymer electrolyte fuel cells. 前記貴金属元素はPtであり、
前記遷移金属元素は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択される何れか1種類以上であることを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載の固体高分子形燃料電池用合金触媒。
The precious metal element is Pt,
The solid polymer fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the transition metal element is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. Alloy catalyst for batteries.
請求項1〜5の何れか1項に記載の固体高分子形燃料電池用合金触媒の製造方法であって、以下の第0工程〜第10工程を含むことを特徴とする、固体高分子形燃料電池用合金触媒の製造方法。
(第0工程)
貴金属元素及び遷移金属元素を含む未処理複合金属粒子と、前記未処理複合金属粒子を担持する触媒担体と、を備える未処理合金触媒を準備する。
ここで、前記貴金属元素は、Pt、Au、及びPdからなる群から選択される何れか1種以上であり、前記遷移金属元素は、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、及びNiからなる群から選択される何れか1種類以上である。
(第1工程)
前記未処理合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガスと、前記不活性ガスの流量に対して50体積%以下の水素ガスとを含む雰囲気中、500℃以上900℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間熱処理する。
(第2工程)
前記第1工程により得られた合金触媒を、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、及び過塩素酸からなる群から選択される何れか1種以上の酸を1.0×10−3mol/L以上5.0×10−3mol/L以下の濃度で含む酸性水溶液に、30℃以上90℃以下の温度で、30分以上100分以下の時間接触させる。
(第3工程)
前記第2工程により得られた合金触媒を洗浄した後、乾燥させる。
(第4工程)
前記第3工程により得られた合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガスと、前記不活性ガスの流量に対して10体積%以下の水素ガスとを含む雰囲気中、250℃以上550℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間熱処理する。
(第5工程)
前記第4工程により得られた合金触媒を、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、及び過塩素酸からなる群から選択される何れか1種以上の酸を1.0×10−4mol/L以上5.0×10−4mol/L以下の濃度で含む酸性水溶液に、30℃以上70℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間接触させる。
(第6工程)
前記第5工程により得られた合金触媒を洗浄した後、乾燥させる。
(第7工程)
前記第6工程により得られた合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガスと、前記不活性ガスの流量に対して5体積%以下の水素ガスとを含む雰囲気中、200℃以上500℃以下の温度で、10分以上60分以下の時間熱処理する。
(第8工程)
前記第7工程により得られた合金触媒を、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、及び過塩素酸からなる群から選択される何れか1種以上の酸を1.0×10−5mol/L以上5.0×10−5mol/L以下の濃度で含む酸性水溶液に、30℃以上60℃以下の温度で、5分以上30分以下の時間接触させる。
(第9工程)
前記第8工程により得られた合金触媒を洗浄した後、乾燥させる。
(第10工程)
前記第9工程により得られた合金触媒を、アルゴン、窒素、及びヘリウムからなる群から選択される何れか1種以上で構成される不活性ガス雰囲気中、200℃以上450℃以下の温度で、5分以上30分以下の時間熱処理する。
The method for producing an alloy catalyst for a solid polymer fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid polymer type includes the following 0th to 10th steps. A method for manufacturing an alloy catalyst for a fuel cell.
(Step 0)
An untreated alloy catalyst comprising untreated composite metal particles containing a noble metal element and a transition metal element and a catalyst carrier supporting the untreated composite metal particles is prepared.
Here, the noble metal element is at least one selected from the group consisting of Pt, Au, and Pd, and the transition metal element is Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and. Any one or more selected from the group consisting of Ni.
(First step)
The untreated alloy catalyst is an inert gas composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium, and a hydrogen gas having a flow rate of 50% by volume or less based on the flow rate of the inert gas. Heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. or higher and 900 ° C. or lower for 10 minutes or longer and 60 minutes or lower in an atmosphere containing.
(Second step)
The alloy catalyst obtained in the first step is 1.0 × 10 -3 mol / L of any one or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and perchloric acid. The acidic aqueous solution contained at a concentration of 5.0 × 10 -3 mol / L or less is brought into contact with the acidic aqueous solution at a temperature of 30 ° C. or higher and 90 ° C. or lower for 30 minutes or longer and 100 minutes or shorter.
(Third step)
The alloy catalyst obtained in the second step is washed and then dried.
(4th step)
The alloy catalyst obtained in the third step is an inert gas composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium, and 10 volumes with respect to the flow rate of the inert gas. Heat treatment is performed at a temperature of 250 ° C. or higher and 550 ° C. or lower for 10 minutes or longer and 60 minutes or shorter in an atmosphere containing% or less of hydrogen gas.
(Fifth step)
The alloy catalyst obtained in the fourth step is 1.0 × 10 -4 mol / L of any one or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and perchloric acid. The acidic aqueous solution contained at a concentration of 5.0 × 10 -4 mol / L or less is brought into contact with the acidic aqueous solution at a temperature of 30 ° C. or higher and 70 ° C. or lower for a time of 10 minutes or longer and 60 minutes or shorter.
(6th step)
The alloy catalyst obtained in the fifth step is washed and then dried.
(7th step)
The alloy catalyst obtained in the sixth step is an inert gas composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium, and 5 volumes with respect to the flow rate of the inert gas. Heat treatment is performed at a temperature of 200 ° C. or higher and 500 ° C. or lower for 10 minutes or longer and 60 minutes or shorter in an atmosphere containing% or less of hydrogen gas.
(8th step)
The alloy catalyst obtained in the seventh step is 1.0 × 10-5 mol / L of any one or more acids selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, and perchloric acid. The acidic aqueous solution contained at a concentration of 5.0 × 10-5 mol / L or less is brought into contact with the acidic aqueous solution at a temperature of 30 ° C. or higher and 60 ° C. or lower for a time of 5 minutes or longer and 30 minutes or shorter.
(9th step)
The alloy catalyst obtained in the eighth step is washed and then dried.
(10th step)
The alloy catalyst obtained in the ninth step is used at a temperature of 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower in an inert gas atmosphere composed of any one or more selected from the group consisting of argon, nitrogen, and helium. Heat treatment is performed for 5 minutes or more and 30 minutes or less.
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