JP2022154694A - メソポーラスカーボン、並びに、燃料電池用電極触媒及び触媒層 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)ガンマ型アルミナ粒子とポリビニルアルコールとの混合物を不活性ガス雰囲気下で焼成することによりアルミナ-炭素複合物とし、
(b)水酸化ナトリウムを用いてアルミナ-炭素複合物中のアルミナを溶解・除去することにより、炭素材料とし、
(c)得られた炭素材料を粉砕し、粉砕された炭素材料を賦活処理する
担体炭素材料の製造方法が開示されている。
(A)このようにして得られた担体炭素材料の内部には、半径2nm以上5nm以下のメソ孔(触媒担持細孔)と、触媒担持細孔に連通している半径5nm以上25nm以下のメソ孔(ガス拡散細孔)とが存在している点、
(B)このような担体炭素材料に半径1~3nmの触媒金属微粒子を担持させた場合、触媒金属微粒子は、触媒担持細孔内に担持される点、
(C)触媒担持細孔内に触媒金属微粒子が担持された担体炭素材料を燃料電池用の空気極触媒として用いた場合、触媒金属微粒子上で生成した水分子は、触媒担持細孔からガス拡散細孔を通って担体炭素材料の外部へと拡散する点、及び、
(D)これによって、担体炭素材料の内部で生じるフラッディングを抑制できる点
が記載されている。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、耐フラッディング性に優れていることに加え、過電圧による電圧低下が小さいメソポーラスカーボンを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このようなメソポーラスカーボンを触媒担体として用いた燃料電池用電極触媒を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、このような燃料電池用電極触媒を備えた触媒層を提供することにある。
1次細孔径が20nm未満である1次細孔を持つカーボン粒子からなる1次粒子が連結している連結構造を備え、
水銀圧入法により測定された、2次細孔径が20~100nmの範囲内にある2次細孔の細孔容量が0.42cm3/g以上1.34cm3/g以下であり、
線形度が2.2以上2.6以下である
ことを要旨とする。
本発明に係るメソポーラスカーボンと、
前記メソポーラスカーボンの前記1次細孔内に担持された触媒粒子と
を備えている。
本発明に係る燃料電池用電極触媒と、
触媒層アイオノマと
を備えている。
さらに、メソポーラスカーボンに対して1500℃超で熱処理を行うと、これを用いた燃料電池のIV性能がさらに向上する。これは、1500℃超の熱処理によってメソポーラスカーボンの黒鉛化が進行し、メソポーラスカーボンの電子伝導性が向上するためと考えられる。
[1. メソポーラスカーボン]
図1(A)に、本発明に係るメソポーラスカーボンの模式図を示す。図1(A)において、メソポーラスカーボン10は、1次細孔(図示せず)を持つカーボン粒子からなる1次粒子12が連結している連結構造を備えている。そのため、メソポーラスカーボン10は、球状粒子ではなく、いびつな形状を持つ。メソポーラスカーボン10の形状の球形からの乖離の程度は、線形度で表すことができる。線形度の詳細については、後述する。
このようなメソポーラスカーボン10を層状に堆積させた場合、隣接するメソポーラスカーボン10、10の間には、所定の2次細孔径を持つ2次細孔14が形成される。
後述するように、本発明に係るメソポーラスカーボン10は、メソポーラスシリカを鋳型として製造される。メソポーラスシリカは、通常、シリカ源、界面活性剤及び触媒を含む反応溶液中において、シリカ源を縮重合させることにより合成されている。この時、溶媒の種類、反応溶液中の界面活性剤の濃度、及び/又は、シリカ源の濃度を最適化すると、連結構造を備え、かつ、細孔径、細孔容量、及び線形度が特定の範囲にあるメソポーラスシリカが得られる。さらに、このようなメソポーラスシリカを鋳型に用いると、連結構造を備え、かつ、細孔径、細孔容量、及び線形度が特定の範囲にあるメソポーラスカーボン10が得られる。
1次粒子12は、1次細孔径が20nm未満である1次細孔を持つカーボン粒子からなる。本発明に係るメソポーラスカーボン10は、後述する方法を用いて製造されるため、メソポーラスカーボン10を構成する1次粒子12は、以下のような特徴を持つ。
「1次粒子12の平均粒径」とは、1次粒子12の短軸方向の長さの平均値をいう。
「短軸方向の長さ」とは、1次粒子12の長さが最も長い方向(長軸方向)に対して垂直方向の長さをいう。
1次粒子12の平均粒径は、顕微鏡を用いて、無作為に選んだ100個以上の1次粒子12について短軸方向の長さを測定し、平均値を算出することにより得られる。
「1次細孔径」とは、1次粒子12に含まれる1次細孔の直径の平均値をいい、1次粒子12間にある空隙(2次細孔14)の大きさは含まれない。
1次細孔径は、メソポーラスカーボン10の窒素吸着等温線の吸着側データをBJH法で解析し、細孔容量が最大となるときの細孔径(最頻出ピーク値)を求めることにより得られる。
一方、1次細孔径が大きくなりすぎると、1次細孔内にアイオノマが侵入しやすくなる。その結果、触媒粒子がアイオノマで被毒され、活性が低下する。従って、1次細孔径は、20nm未満である必要がある。1次細孔径は、好ましくは、10nm以下、さらに好ましくは、7nm以下、さらに好ましくは、5nm以下である。
「細孔壁の平均厚さ」とは、1次粒子12に含まれる1次細孔の細孔壁の厚さの平均値をいう。
細孔壁の平均厚さは、顕微鏡を用いて、無作為に選んだ100箇所以上の細孔壁の厚さを測定し、平均値を算出することにより得られる。
一方、細孔壁の平均厚さが厚くなりすぎると、1次粒子12の細孔容量が小さくなり、触媒粒子が担持されにくくなる場合がある。従って、細孔壁の平均厚さは、15nm以下が好ましい。平均厚さは、好ましくは、12nm以下、さらに好ましくは、10nm以下である。
「1次細孔の細孔容量」とは、1次粒子12に含まれる1次細孔の容積をいい、1次粒子12間にある空隙(2次細孔14)の容積は含まれない。
1次細孔の細孔容量は、メソポーラスカーボン10の窒素吸着等温線の吸着データをBJH法で解析し、P/P0=0.03~0.99の値で算出することにより得られる。
一方、1次細孔の細孔容量が大きくなりすぎると、1次粒子12の体積に占める細孔壁の体積の割合が小さくなり、電子伝導性が低くなる場合がある。また、アイオノマ侵入量が多くなり、触媒被毒により活性が低下する場合がある。従って、1次細孔の細孔容量は、3.0mL/g以下が好ましい。1次細孔の細孔容量は、好ましくは、2.5mL/g以下、さらに好ましくは、2.0mL/g以下である。
「2次細孔」とは、メソポーラスカーボン10を層状に堆積させた時に、隣接するメソポーラスカーボン10、10の間にある細孔をいう。
「2次細孔径」とは、水銀圧入法により測定された2次細孔14の直径をいう。
「2次細孔の細孔容量」とは、水銀圧入法により測定された2次細孔14の容積をいう。
一方、細孔容量@20~100nmが大きくなりすぎると、触媒層厚みが厚くなり、プロトン輸送抵抗が高くなる場合がある。従って、細孔容量@20~100nmは、1.34cm3/g以下である必要がある。細孔容量@20~100nmは、好ましくは、1.32cm3/g以下、さらに好ましくは、1.30cm3/g以下、さらに好ましくは、1.00cm3/g以下である。
図1(B)に、線形度の定義を説明するための模式図を示す。「線形度」とは、次の式(1)で表される値をいう。
線形度=(Lmax 2/S)×(π/4) …(1)
但し、
Lmaxは、粒子の長さが最大となる方向の長さ(長軸方向の長さ)、
Sは、粒子の投影面の面積。
メソポーラスカーボンは、メソポーラスシリカのメソ孔内に炭素源を充填し、炭素源を炭化させることにより得られる。しかし、メソポーラスシリカと炭素との反応を抑制するためには、炭素源の炭化温度を相対的に低くする必要がある。そのため、炭素源を炭化させた後のメソポーラスカーボンは、乱層構造となりやすい。乱層構造を備えたメソポーラスカーボンは、黒鉛構造を備えたメソポーラスカーボンに比べて、電子伝導性が低い。
本発明に係る燃料電池用電極触媒は、
本発明に係るメソポーラスカーボンと、
メソポーラスカーボンの1次細孔内に担持された触媒粒子と
を備えている。
本発明に係る燃料電池用電極触媒において、メソポーラスカーボンは、触媒粒子を担持するための触媒担体である。触媒粒子は、主として、メソポーラスカーボンを構成する1次粒子12の1次細孔内に担持される。メソポーラスカーボンの詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
本発明において、触媒粒子の材料は、酸素還元反応活性又は水素酸化反応活性を示す材料である限りにおいて、特に限定されない。触媒粒子の材料としては、例えば、
(a)貴金属(Pt、Au、Ag、Pd、Rh、Ir、Ru、Os)、
(b)2種以上の貴金属元素を含む合金、
(c)1種又は2種以上の貴金属元素と、1種又は2種以上の卑金属元素(例えば、Fe、Co、Ni、Cr、V、Tiなど)とを含む合金、
(d)金属酸窒化物、
(e)カーボンアロイ
などがある。
本発明に係る触媒層は、
本発明に係る燃料電池用電極触媒と、
触媒層アイオノマと
を備えている。
本発明に係る触媒層は、特に、空気極側の触媒層として好適であるが、燃料極側の触媒層として用いても良い。
本発明に係る触媒層は、本発明に係る燃料電池用電極触媒を含む。燃料電池用電極触媒の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
本発明に係る触媒層において、触媒層アイオノマの材料は、特に限定されない。触媒層アイオノマとしては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマ、高酸素透過アイオノマなどがある。アイオノマは、これらのいずれか1種からなるものでも良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
換言すれば、「高酸素透過アイオノマ」とは、酸素透過係数がナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマよりも高いアイオノマをいう。
(a)脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボンユニットと、パーフルオロスルホン酸を側鎖に持つ酸基ユニットとを含む電解質ポリマ、
(b)脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボンユニットと、パーフルオロイミドを側鎖に持つ酸基ユニットとを含む電解質ポリマ、
(c)脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボンに直接、パーフルオロスルホン酸が結合したユニットを含む電解質ポリマ、
などがある(参考文献2~5参照)。
[参考文献2]特開2003-036856号公報
[参考文献3]国際公開第2012/088166号
[参考文献4]特開2013-216811号公報
[参考文献5]特開2006-152249号公報
本発明に係るメソポーラスカーボンは、メソポーラスシリカを鋳型として用いて製造される。本発明に係るメソポーラスシリカの製造方法は、
シリカ源、界面活性剤及び触媒を含む反応溶液中において、前記シリカ源を縮重合させ、前駆体粒子を得る重合工程と、
前記反応溶液から前記前駆体粒子を分離し、乾燥させる乾燥工程と、
前記前駆体粒子を焼成し、メソポーラスシリカを得る焼成工程と
を備えている。
本発明に係るメソポーラスシリカの製造方法は、乾燥させた前駆体粒子に対して拡径処理を行う拡径工程をさらに備えていても良い。
まず、シリカ源、界面活性剤及び触媒を含む反応溶液中において、前記シリカ源を縮重合させ、前駆体粒子を得る(重合工程)。
本発明において、シリカ源の種類は、特に限定されない。シリカ源としては、例えば、
(a)テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン、テトラエチレングリコキシシラン等のテトラアルコキシシラン類、
(b)3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-(2-アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン等のトリアルコキシシラン類、
(c)ケイ酸ソーダ、カネマイト等のケイ酸塩類
などがある。シリカ源には、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
シリカ源を反応溶液中で縮重合させる場合において、反応溶液に界面活性剤を添加すると、反応溶液中において界面活性剤がミセルを形成する。ミセルの周囲には親水基が集合しているため、ミセルの表面にはシリカ源が吸着する。さらに、シリカ源が吸着しているミセルが反応溶液中において自己組織化し、シリカ源が縮重合する。その結果、1次粒子内部には、ミセルに起因するメソ孔(直径が2nm以下のマイクロ孔を含む。以下、同じ。)が形成される。メソ孔の大きさは、主として、界面活性剤の分子長により制御(1~50nmまで)することができる。
CH3-(CH2)n-N+(R1)(R2)(R3)X- ・・・(a)
(a)式中、Xはハロゲン原子を表す。ハロゲン原子の種類は特に限定されないが、入手の容易さからXは、Cl又はBrが好ましい。
これらの中でも、特に、アルキルトリメチルアンモニウムブロミド又はアルキルトリメチルアンモニウムクロリドが好ましい。
シリカ源を縮重合させる場合、通常、反応溶液中に触媒を加える。粒子状のメソポーラスシリカを合成する場合、触媒には、水酸化ナトリウム、アンモニア水等のアルカリを用いても良く、あるいは、塩酸等の酸を用いても良い。
溶媒には、水、アルコールなどの有機溶媒、水と有機溶媒の混合溶媒などを用いる。
アルコールは、
(1)メタノール、エタノール、プロパノール等の1価のアルコール、
(2)エチレングリコール等の2価のアルコール、
(3)グリセリン等の3価のアルコール、
のいずれでも良い。
さらに、水と有機溶媒の混合溶媒を用いる場合において、有機溶媒の含有量が5mass%以下である混合溶媒を用いると、耐フラッディング性に優れたメソポーラスカーボンを製造するためのメソポーラスシリカを低コストで製造することができる。
反応溶液中の組成は、合成されるメソポーラスシリカの外形や細孔構造に影響を与える。特に、反応溶液中の界面活性剤の濃度、及びシリカ源の濃度は、メソポーラスシリカ粒子の1次粒子の平均粒径、細孔径、細孔容量、及び線形度に与える影響が大きい。
界面活性剤の濃度が低すぎると、粒子の析出速度が遅くなり、1次粒子が連結している構造体は得られない。従って、界面活性剤の濃度は、0.03mol/L以上である必要がある。界面活性剤の濃度は、好ましくは、0.035mol/L以上、さらに好ましくは、0.04mol/L以上である。
シリカ源の濃度が低すぎると、粒子の析出速度が遅くなり、1次粒子が連結している構造体は得られない。あるいは、界面活性剤が過剰となり、均一なメソ孔が得られない場合がある。従って、シリカ源の濃度は、0.05mol/L以上である必要がある。シリカ源の濃度は、好ましくは、0.06mol/L以上、さらに好ましくは、0.07mol/L以上である。
本発明において、触媒の濃度は、特に限定されない。一般に、触媒の濃度が低すぎると、粒子の析出速度が遅くなる。一方、触媒の濃度が高すぎると、粒子の析出速度が速くなる。最適な触媒の濃度は、シリカ源の種類、界面活性剤の種類、目標とする物性値などに応じて最適な濃度を選択するのが好ましい。
例えば、触媒として酸を用いる場合、反応溶液のpHが9以下となるように、触媒の濃度を調整するのが好ましい。反応溶液のpHは、好ましくは、8.5以下、さらに好ましくは、5未満である。
一方、触媒としてアルカリを用いる場合、反応溶液のpHが7超となるように、触媒の濃度を調整するのが好ましい。
所定量の界面活性剤を含む溶媒中に、シリカ源を加え、加水分解及び重縮合を行う。これにより、界面活性剤がテンプレートとして機能し、シリカ及び界面活性剤を含む前駆体粒子が得られる。
反応条件は、シリカ源の種類、前駆体粒子の粒径等に応じて、最適な条件を選択する。一般に、反応温度は、-20~100℃が好ましい。反応温度は、好ましくは、0~100℃、さらに好ましくは、0~90℃、さらに好ましくは、10~80℃、さらに好ましくは、35~80℃である。
次に、前記反応溶液から前記前駆体粒子を分離し、乾燥させる(乾燥工程)。
乾燥は、前駆体粒子内に残存している溶媒を除去するために行う。乾燥条件は、溶媒の除去が可能な限りにおいて、特に限定されるものではない。
次に、必要に応じて、乾燥させた前駆体粒子に対して拡径処理を行っても良い(拡径工程)。「拡径処理」とは、1次粒子内のメソ孔の直径を拡大させる処理をいう。
拡径処理は、具体的には、合成された前駆体粒子(界面活性剤の未除去のもの)を、拡径剤を含む溶液中で水熱処理することにより行う。この処理によって前駆体粒子の細孔径を拡大させることができる。
(a)トリメチルベンゼン、トリエチルベンゼン、ベンゼン、シクロヘキサン、トリイソプロピルベンゼン、ナフタレン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカンなどの炭化水素、
(b)塩酸、硫酸、硝酸などの酸、
などがある。
また、塩酸などの酸共存下で水熱処理することにより細孔径が拡大するのは、1次粒子内部においてシリカの溶解・再析出が進行するためと考えられる。製造条件を最適化すると、シリカ内部に放射状細孔が形成される。これを酸共存下で水熱処理すると、シリカの溶解・再析出が起こり、放射状細孔が連通細孔に変換される。
次に、必要に応じて拡径処理を行った後、前記前駆体粒子を焼成する(焼成工程)。これにより、本発明に係るメソポーラスシリカが得られる。
焼成は、OH基が残留している前駆体粒子を脱水・重合させるため、及び、メソ孔内に残存している界面活性剤を熱分解させるために行われる。焼成条件は、脱水・結晶化、及び界面活性剤の熱分解が可能な限りにおいて、特に限定されない。焼成は、通常、大気中において、400℃~800℃で1時間~10時間加熱することにより行われる。
本発明に係るメソポーラスカーボンの製造方法は、
鋳型となるメソポーラスシリカを準備する第1工程と、
前記メソポーラスシリカのメソ孔内にカーボンを析出させ、メソポーラスシリカ/カーボン複合体を作製する第2工程と、
前記複合体からメソポーラスシリカを除去する第3工程と
を備えている。
メソポーラスカーボンの製造方法は、前記第3工程の後に、前記メソポーラスカーボンを1500℃より高い温度で熱処理する第4工程をさらに備えていても良い。
まず、鋳型となるメソポーラスシリカを作製する(第1工程)。メソポーラスシリカの製造方法の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
次に、メソポーラスシリカのメソ孔内にカーボンを析出させ、メソポーラスシリカ/カーボン複合体を作製する(第2工程)。
メソ孔内へのカーボンの析出は、具体的には、
(a)メソ孔内にカーボン前駆体を導入し、
(b)メソ孔内において、カーボン前駆体を重合及び炭化させる
ことにより行われる。
「カーボン前駆体」とは、熱分解によって炭素を生成可能なものをいう。このようなカーボン前駆体としては、具体的には、
(1) 常温で液体であり、かつ、熱重合性のポリマー前駆体(例えば、フルフリルアルコール、アニリン等)、
(2) 炭水化物の水溶液と酸の混合物(例えば、スクロース(ショ糖)、キシロース(木糖)、グルコース(ブドウ糖)などの単糖類、あるいは、二糖類、多糖類と、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸などの酸との混合物)、
(3) 2液硬化型のポリマー前駆体の混合物(例えば、フェノールとホルマリン等)、
などがある。
これらの中でも、ポリマー前駆体は、溶媒で希釈することなくメソ孔内に含浸させることができるので、相対的に少数回の含浸回数で、相対的に多量の炭素をメソ孔内に生成させることができる。また、重合開始剤が不要であり、取り扱いも容易であるという利点がある。
また、カーボン前駆体として炭水化物の水溶液と酸の混合物を用いる場合、酸の量は、有機物を重合させることが可能な最小量とするのが好ましい。
さらに、カーボン前駆体として、2液硬化型のポリマー前駆体の混合物を用いる場合、その比率は、ポリマー前駆体の種類に応じて、最適な比率を選択する。
次に、重合させたカーボン前駆体をメソ孔内において炭化させる。
カーボン前駆体の炭化は、非酸化雰囲気中(例えば、不活性雰囲気中、真空中など)において、カーボン前駆体を含むメソポーラスシリカを所定温度に加熱することにより行う。加熱温度は、具体的には、500℃以上1200℃以下が好ましい。加熱温度が500℃未満であると、カーボン前駆体の炭化が不十分となる。一方、加熱温度が1200℃を超えると、シリカと炭素が反応するので好ましくない。加熱時間は、加熱温度に応じて、最適な時間を選択する。
また、充填、重合及び炭化の各工程を複数回繰り返す場合、各炭化工程は、相対的に低温で炭化処理を行い、最後の炭化処理が終了した後、さらにこれより高い温度で、再度、炭化処理を行っても良い。最後の炭化処理を、それ以前の炭化処理より高い温度で行うと、複数回に分けて細孔内に導入されたカーボンが一体化しやすくなる。
次に、複合体から鋳型であるメソポーラスシリカを除去する(第3工程)。これにより、メソポーラスカーボンが得られる。
メソポーラスシリカの除去方法としては、具体的には、
(1) 複合体を水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液中で加熱する方法、
(2) 複合体をフッ化水素酸水溶液でエッチングする方法、
などがある。
次に、必要に応じて、メソポーラスカーボンを1500℃より高い温度で熱処理する(第4工程)。メソポーラスシリカのメソ孔内において炭素源を炭化させる場合において、シリカと炭素の反応を抑制するためには、熱処理温度を低くせざるを得ない。そのため、炭化処理後のカーボンの黒鉛化度は低い。高い黒鉛化度を得るためには、鋳型を除去した後、メソポーラスカーボンを高温で熱処理するのが好ましい。
一方、熱処理温度を必要以上に高くしても、効果に差がなく、実益がない。従って、熱処理温度は、2300℃以下が好ましい。熱処理温度は、好ましくは、2200℃以下である。
固体高分子形燃料電池において、触媒層内の空隙が少なくなりすぎると、フラッディング現象が起きやすくなり、作動条件によっては十分なIV性能が得られない場合がある。また、触媒層の電子伝導性が低下すると、反応に必要な電子が供給される際に過電圧が生じる。そのため、触媒層に用いられる触媒担体には、触媒層内に適度な空隙を確保できる程度の低充填性と、高い電子伝導性とが求められる。さらに、固体高分子形燃料電池を低コスト化するために、このような触媒担体の製造コストを低減することも求められる。
さらに、メソポーラスカーボンに対して1500℃超で熱処理を行うと、これを用いた燃料電池のIV性能がさらに向上する。これは、1500℃超の熱処理によってメソポーラスカーボンの黒鉛化が進行し、メソポーラスカーボンの電子伝導性が向上するためと考えられる。
[1. 試料の作製]
[1.1. メソポーラスシリカの作製]
[1.1.1. 実施例1~2]
界面活性剤であるn-ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(C16H33N(CH3)3Cl):17gと、エタノール:12gとを、1.5mass%塩酸水溶液:540gに添加した。この塩酸水溶液を70℃(実施例1)又は40℃(実施例2)に加熱し、攪拌しながら1号ケイ酸ソーダ(SiO2含有量:30mass%、SiO2/Na2O=2.00):67gを添加した。この状態で溶液を3時間保持し、縮重合反応を行った。
次に、乾燥させた固形生成物を2規定塩酸に分散させ、オートクレーブ中、130℃で3日間加熱した。オートクレーブ処理後の固形生成物を濾過・洗浄・乾燥した後、空気存在下、550℃で6時間焼成することによりメソポーラスシリカを得た。
所定量の界面活性剤及び1規定水酸化ナトリウムを、所定量の水、メタノール、及びエチレングリコール(EG)を含む混合溶媒に添加し、第1溶液を得た。これとは別に、所定量のテトラエトキシシラン(TEOS)を、所定量のメタノール及びEGを含む混合溶媒に添加し、第2溶液を得た。表1に、溶液の仕込み量を示す。
界面活性剤であるn-ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド(C16H33N(CH3)3Cl):51gと、エタノール:36gとを、1.5mass%塩酸水溶液:1600gに添加した。この塩酸水溶液を40℃に加熱し、攪拌しながら1号ケイ酸ソーダ(SiO2含有量:30mass%、SiO2/Na2O=2.00):201gを添加した。この状態で溶液を3時間保持し、縮重合反応を行った。
次に、乾燥させた固形生成物を2規定塩酸に分散させ、オートクレーブ中、140℃で3日間加熱した。オートクレーブ処理後の固形生成物を濾過・洗浄・乾燥した後、空気存在下、550℃で6時間焼成することによりメソポーラスシリカを得た。
[1.2.1. 実施例1~4、比較例1]
PFA製容器にメソポーラスシリカを入れ、フルフリルアルコール(FA)を細孔容量分だけ加えて、シリカの細孔内に浸透させた。これを150℃×18h熱処理することにより、FAを重合させた。さらに、これを窒素雰囲気中で500℃×6h熱処理し、FAの炭素化を進めた。これを2回繰り返した後、窒素雰囲気中で900℃×6h熱処理して、メソポーラスシリカ/カーボン複合体を得た。
この複合体を12%HF溶液に12h浸漬し、シリカ成分を溶解した。溶解後、ろ過、洗浄を繰り返し、さらに45℃で乾燥して、メソポーラスカーボンを得た。さらに、乾燥させたメソポーラスカーボンに対し、1800℃で1時間加熱する処理(黒鉛化処理)を行った。
市販の中空(メソポーラス)カーボン(比較例2)、又は、中実カーボン(比較例3)をそのままカーボン担体として用いた。
上述のようにして得られたカーボン担体にPtを担持した。Pt担持量は、40mass%とした。これを用いて、空気極触媒層を作製した。空気極側のPt目付量は、0.15mg/cm2とした。また、空気極触媒層のI/Cは、1.0とした。
また、Pt担持量が30mass%である市販の白金担持カーボンを用いて、燃料極触媒層を作製した。燃料極側のPt目付量は、0.1mg/cm2とした。また、燃料極触媒層のI/Cは、0.75とした。
MEAを1cm2用角セルに組み付けた。さらに、MEAの両側に、拡散層及び集電体を配置した。拡散層には、カーボンペーパ(マイクロポーラスレイヤ付)を用いた。集電体には、流路一体型金メッキ銅板(流路:0.4mmピッチの直線流路)を用いた。
[2.1. SEM観察]
カーボン担体のSEM観察を行った。さらに、SEM像を用いて、線形度及び1次粒子の平均粒径を測定した。
[2.2. 2次細孔の細孔容量]
水銀圧入法を用いて、カーボン担体の2次細孔の細孔容量(細孔径が20~100nmの範囲にある細孔の容量)を求めた。
[2.3. 出力点電圧]
得られた燃料電池を用いて、高加湿条件下(80%RH、セル温度60℃)における出力点電圧(mV)を評価した。発電条件は、H2流量:500cc/分、空気流量:1000cc/分、背圧:1kg/cm2とした。
[3.1. SEM観察]
図2(A)及び図2(B)に、実施例1のメソポーラスカーボンのSEM像及び模式図を示す。図3(A)及び図3(B)に、比較例2の中空カーボンのSEM像及び模式図を示す。
比較例2の中空カーボン10’は、メソ孔(図示せず)を持つカーボンからなる棒状体が樹状に枝分かれしている構造を備えている。そのため、比較例2の中空カーボン10’は、線形度が大きく、かつ、相対的に多量の2次細孔14’を含んでいた。
これに対し、実施例1のメソポーラスカーボン10は、1次細孔(図示せず)を持つ1次粒子12が連結している構造を備えている。そのため、実施例1のメソポーラスカーボン10は、比較例2の中空カーボン10’に比べて、線形度が小さく、かつ、2次細孔14の細孔容量も少なかった。
比較例2の中空カーボン10’は、線形度が過度に大きく、かつ、2次細孔14’の細孔容量も過度に多い。そのため、比較例2の中空カーボン10’を用いて、Pt目付量が所定の値となるように触媒層20’を形成すると、図4(B)に示すように、触媒層20’の厚さL’が過度に厚くなった。
これに対し、実施例1のメソポーラスカーボン10は、適度な線形度と、適度な2次細孔14の細孔容量を持つ。そのため、実施例1のメソポーラスカーボン10を用いて、Pt目付量が所定の値となるように触媒層20を形成すると、図4(A)に示すように、触媒層20の厚さLが適度に薄くなった。
表2に、カーボン担体の物性値、及び、これを用いて作製した燃料電池の出力点性能@高加湿を示す。また、図5に、実施例1~4及び比較例1~3で得られた燃料電池の出力点性能@高加湿を示す。なお、表2及び図5において、「出力点性能@高加湿」とは、比較例2の燃料電池の高加湿条件下における出力点電圧(V0)に対する、各燃料電池の高加湿条件下における出力電圧(V1)の比(=V1/V0)をいう。表2及び図5より、以下のことが分かる。
(2)比較例3は、比較例2よりも出力点性能@高加湿が低い。これは、カーボン担体が中実カーボンであるために、Pt触媒がアイオノマにより被毒されたためと考えられる。
(4)実施例3~4は、比較例2より高い出力点性能@高加湿を示した。これは、線形度が適度に小さいために触媒層の厚さLが適度に薄くなり、触媒層のプロトン抵抗が低下したためと考えられる。また、2次細孔の細孔容量が相対的に多いために、高加湿条件下においてフラッディングが抑制されたため、と考えられる。
Claims (5)
- 1次細孔径が20nm未満である1次細孔を持つカーボン粒子からなる1次粒子が連結している連結構造を備え、
水銀圧入法により測定された、2次細孔径が20~100nmの範囲内にある2次細孔の細孔容量が0.42cm3/g以上1.34cm3/g以下であり、
線形度が2.2以上2.6以下である
メソポーラスカーボン。 - 前記1次粒子の平均粒径が30nm以上300nm以下である請求項1に記載のメソポーラスカーボン。
- 前記2次細孔の細孔容量が0.42cm3/g以上1.00cm3/g以下である請求項1又は2に記載のメソポーラスカーボン。
- 請求項1から3までのいずれか1項に記載のメソポーラスカーボンと、
前記メソポーラスカーボンの前記1次細孔内に担持された触媒粒子と
を備えた燃料電池用電極触媒。 - 請求項4に記載の燃料電池用電極触媒と、
触媒層アイオノマと
を備えた触媒層。
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