JP2022158480A - Electrode catalyst - Google Patents

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正哲 稲葉
Masanori Inaba
朋洋 竹下
Tomohiro Takeshita
健作 兒玉
Kensaku Kodama
雅樹 安藤
Masaki Ando
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

To provide a novel electrode catalyst including tin oxide-based particles with Pt-based fine particles supported on its surface.SOLUTION: An electrode catalyst comprises tin oxide-based particles of 30 m2/g or more in a specific surface area, and Pt-based fine particles supported on the tin oxide-based particles. The electrode catalyst is 150 A/gPt or more in oxygen reductive reaction mass activity at 0.9 V, and/or 650 A/gPt or more in oxygen reductive reaction mass activity at 0.85 V. The tin oxide-based particles preferably have pores of 50 nm or smaller in a pore size. The tin oxide-based particles are preferably made of SnO2 doped with Sb, Nb, Ta and/or W.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、電極触媒に関し、さらに詳しくは、酸化スズ系粒子の表面にPt系微粒子が担持された電極触媒に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode catalyst, and more particularly to an electrode catalyst in which Pt-based fine particles are supported on the surface of tin oxide-based particles.

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、電解質膜の両面に触媒層が接合された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly,MEA)を備えている。触媒層の外側には、通常、ガス拡散層が配置される。さらに、ガス拡散層の外側には、ガス流路を備えた集電体(セパレータ)が配置される。PEFCは、通常、このようなMEA、ガス拡散層及び集電体からなる単セルが複数個積層された構造(燃料電池スタック)を備えている。 A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) includes a membrane electrode assembly (MEA) in which catalyst layers are bonded to both sides of an electrolyte membrane. A gas diffusion layer is usually arranged on the outside of the catalyst layer. Furthermore, a current collector (separator) having a gas flow path is arranged outside the gas diffusion layer. A PEFC usually has a structure (fuel cell stack) in which a plurality of single cells composed of such an MEA, gas diffusion layers and current collectors are stacked.

PEFCにおいて、触媒層は、一般に、担体表面に白金などの触媒金属微粒子を担持させた電極触媒と、触媒層アイオノマとの混合物からなる。触媒担体には、通常、カーボンブラック、アセチレンブラックなどの炭素材料が用いられている。しかし、カーボン担体は、高電位に曝されると酸化腐食し、担体上に担持された触媒金属微粒子が脱落すること、及びこれによって電極性能が低下することが知られている。このため、高電位で安定な導電性金属酸化物を担体材料として用いることが提案されている。 In a PEFC, the catalyst layer generally consists of a mixture of an electrode catalyst in which catalyst metal fine particles such as platinum are supported on the surface of a carrier, and a catalyst layer ionomer. Carbon materials such as carbon black and acetylene black are usually used for the catalyst carrier. However, it is known that the carbon support is oxidized and corroded when exposed to a high potential, and the catalyst metal fine particles supported on the support drop off, thereby degrading the electrode performance. For this reason, it has been proposed to use a conductive metal oxide that is stable at a high potential as a support material.

例えば、非特許文献1には、
(a)種々の導電性金属酸化物の中でも、不定比酸化チタン(TiOx)あるいは異元素(Nb、Sb等)をドープした酸化スズが触媒担体として有望であること、及び、
(b)特に、PEFCのカソード用の触媒担体には、強酸性かつ高電位の環境下において安定な酸化スズが有望であること
が記載されている。
For example, in Non-Patent Document 1,
(a) Among various conductive metal oxides, non-stoichiometric titanium oxide (TiO x ) or tin oxide doped with foreign elements (Nb, Sb, etc.) is promising as a catalyst carrier;
(b) In particular, it is described that tin oxide, which is stable in strongly acidic and high-potential environments, is promising as a catalyst carrier for PEFC cathodes.

非特許文献2には、
(a)Sn0.96Nb0.042-δからなる担体にPtが担持された触媒(担体のBET比表面積は37m2/g、Pt担持量は10.0wt%)、及び、
(b)Sn0.96Sb0.042-δからなる担体にPtが担持された触媒(担体のBET比表面積は33m2/g、Pt担持量は12.3wt%)
が開示されている。
同文献には、これらの触媒の0.85Vにおける酸素還元反応(ORR)質量活性が515~608A/gPTである点が記載されている。
In Non-Patent Document 2,
(a) a catalyst in which Pt is supported on a carrier made of Sn 0.96 Nb 0.04 O 2-δ (the BET specific surface area of the carrier is 37 m 2 /g, the amount of Pt supported is 10.0 wt%);
(b) A catalyst in which Pt is supported on a carrier made of Sn 0.96 Sb 0.04 O 2-δ (the BET specific surface area of the carrier is 33 m 2 /g, and the amount of Pt supported is 12.3 wt%).
is disclosed.
The same document states that the oxygen reduction reaction (ORR) mass activity at 0.85 V for these catalysts is 515-608 A/g PT .

非特許文献3には、Sb-SnO2キセロゲルからなる担体にPtが担持された触媒が開示されている。
同文献には、この触媒の0.9VにおけるORR質量活性が92A/gPtである点が記載されている。
Non-Patent Document 3 discloses a catalyst in which Pt is supported on a carrier made of Sb—SnO 2 xerogel.
The same document states that the ORR mass activity at 0.9 V of this catalyst is 92 A/g Pt .

非特許文献4には、Sb-SnO2キセロゲルからなる担体にPtが担持された触媒が開示されている。
同文献には、この触媒の0.9VにおけるORR質量活性が32A/gPtである点が記載されている。
Non-Patent Document 4 discloses a catalyst in which Pt is supported on a carrier made of Sb—SnO 2 xerogel.
The same document states that the ORR mass activity at 0.9 V of this catalyst is 32 A/g Pt .

非特許文献5には、Nb-SnO2からなる担体にPtが担持され、さらにこれがカーボン(VGCF)に担持された触媒が開示されている。
同文献には、この触媒の0.9VにおけるORR質量活性が141A/gPtであり、0.85VにおけるORR質量活性が541A/gPtである点が記載されている。
Non-Patent Document 5 discloses a catalyst in which Pt is supported on a carrier made of Nb—SnO 2 and further supported on carbon (VGCF).
The same document states that the ORR mass activity at 0.9 V of this catalyst is 141 A/g Pt and the ORR mass activity at 0.85 V is 541 A/g Pt .

さらに、非特許文献6には、Ta-SnO2ナノファイバーからなる担体(担体のBET比表面積は27m2/g)にPtが担持された触媒が開示されている。
同文献には、この触媒の0.9VにおけるORR質量活性が307~465A/gPtである点が記載されている。
Furthermore, Non-Patent Document 6 discloses a catalyst in which Pt is supported on a carrier made of Ta—SnO 2 nanofibers (the BET specific surface area of the carrier is 27 m 2 /g).
The same document states that the ORR mass activity at 0.9 V of this catalyst is 307-465 A/g Pt .

PEFCのカソード電極触媒には、高いORR活性が求められる。これに加えて、活性種であるPtの担持率は高い方が良い。これは、Pt担持率が低い触媒で触媒層を作製した場合、その触媒層の厚さは、同じPt目付(電極面積当たりのPt量)の触媒層を高Pt担持率の触媒で作製した場合と比べて厚くなり、触媒層内の電子抵抗、プロトン移動抵抗、及びガス拡散抵抗の面で不利なためである。 A cathode electrode catalyst for PEFC is required to have high ORR activity. In addition to this, the higher the support rate of Pt, which is the active species, the better. This is because when a catalyst layer with a low Pt loading rate is used to prepare a catalyst layer, the thickness of the catalyst layer is the same as when a catalyst layer with the same Pt basis weight (amount of Pt per electrode area) is prepared using a catalyst with a high Pt loading rate. This is because it is disadvantageous in terms of electron resistance, proton transfer resistance, and gas diffusion resistance in the catalyst layer.

Ptの担持率を高くするためには、担体の表面積を大きくする必要がある。比表面積が小さい担体の表面にPtを高担持率で担持すると、担体上でPt微粒子が凝集したり、あるいは、Ptが粗大粒子として担持される。その結果、Ptの比表面積が低下し、ORR質量活性が低下する。 In order to increase the loading of Pt, it is necessary to increase the surface area of the carrier. When Pt is supported at a high loading rate on the surface of a carrier having a small specific surface area, fine Pt particles aggregate on the carrier, or Pt is carried as coarse particles on the carrier. As a result, the specific surface area of Pt is decreased and the ORR mass activity is decreased.

しかしながら、酸化スズ担体のような酸化物担体の場合、比表面積と導電率とはトレードオフの関係にある。一般に、比表面積を大きくするためには酸化物担体粒子の粒径を小さくする必要があるが、粒径が小さくなると粒子間の接点が増えるために接触抵抗の総和が増大し、圧粉体としての導電率は低下する。担体の導電率が低いと、担持したPtの利用率が低下したり、あるいは、Ptの表面積当たりのORR活性(比活性)が低下するため、結果としてORR質量活性が低下する。 However, in the case of oxide supports such as tin oxide supports, there is a trade-off between specific surface area and electrical conductivity. In general, it is necessary to reduce the particle size of the oxide support particles in order to increase the specific surface area. conductivity decreases. If the conductivity of the support is low, the utilization of the supported Pt is low, or the ORR activity (specific activity) per surface area of Pt is low, resulting in a low ORR mass activity.

上述した非特許文献1~6に記載されたPt/M-SnO2の内、最も高いORR質量活性が報告されているのは、非特許文献6のPt/Ta-SnO2ナノファイバーである。しかし、このTa-SnO2ナノファイバー担体は比表面積が27m2/gと小さいため、Pt担持率を7mass%から34mass%に増やすと、Ptの電気化学比表面積(ECSA)が73m2/gPtから48m2/gPtに低下し、0.9VにおけるORR質量活性も465A/gPtから307A/gPtに低下する。 Among the Pt/M-SnO 2 described in Non-Patent Documents 1 to 6, the Pt/Ta-SnO 2 nanofibers of Non-Patent Document 6 are reported to have the highest ORR mass activity. However, since the Ta—SnO 2 nanofiber support has a small specific surface area of 27 m 2 /g, when the Pt loading rate is increased from 7 mass% to 34 mass%, the electrochemical specific surface area (ECSA) of Pt becomes 73 m 2 /g Pt . from 48 m 2 /g Pt and the ORR mass activity at 0.9 V also drops from 465 A/g Pt to 307 A/g Pt .

他方、非特許文献4のSb-SnO2エアロゲル担体は比表面積が85m2/gと大きいが、0.9VにおけるORR比活性、及び質量活性がそれぞれ100μA/cm2 Pt、及び、32A/gPtと低い。
このように、従来報告されているPt/M-SnO2触媒において、高比表面積と高ORR質量活性とを両立させた例はない。
On the other hand, the Sb—SnO 2 airgel carrier of Non-Patent Document 4 has a large specific surface area of 85 m 2 /g, but the ORR specific activity and mass activity at 0.9 V are 100 μA/cm 2 Pt and 32 A/g Pt , respectively. and low.
As described above, there are no examples of Pt/M-SnO 2 catalysts reported in the past that achieve both a high specific surface area and a high ORR mass activity.

T. Arai et al., SAE Int. J. Alt. Power., 2017, 6, 145T. Arai et al., SAE Int. J. Alt. Power., 2017, 6, 145 K. Kakinuma et al., Electrochim. Acta, 2013, 110, 316K. Kakinuma et al., Electrochim. Acta, 2013, 110, 316 V. K. Ramani, DOE 2020 Annual Merit Review, #FC145V. K. Ramani, DOE 2020 Annual Merit Review, #FC145 G. Ozouf et al., J. Electrochem. Soc., 2018, 165, F3036G. Ozouf et al., J. Electrochem. Soc., 2018, 165, F3036 S. Matsumoto et al., J. Electrochem. Soc., 2018, 165, F1164S. Matsumoto et al., J. Electrochem. Soc., 2018, 165, F1164 I. Jimenez-Morales et al., ACS Catal., 2020, 10, 10399I. Jimenez-Morales et al., ACS Catal., 2020, 10, 10399

本発明が解決しようとする課題は、酸化スズ系粒子の表面にPt系微粒子が担持された新規な電極触媒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、酸化スズ系粒子の表面にPt系微粒子が担持された電極触媒において、高比表面積と高ORR質量活性とを両立させることにある。
The problem to be solved by the present invention is to provide a novel electrode catalyst in which Pt-based fine particles are supported on the surface of tin oxide-based particles.
Another problem to be solved by the present invention is to achieve both a high specific surface area and a high ORR mass activity in an electrode catalyst in which Pt-based fine particles are supported on the surface of tin oxide-based particles.

上記課題を解決するために、本発明に係る電極触媒は、以下の構成を備えている。
(1)前記電極触媒は、
比表面積が30m2/g以上である酸化スズ系粒子と、
前記酸化スズ系粒子に担持されたPt系微粒子と
を備えている。
(2)前記電極触媒は、
0.9Vにおける酸素還元反応質量活性が150A/gPt以上であり、及び/又は、
0.85Vにおける酸素還元反応質量活性が650A/gPt以上である。
In order to solve the above problems, an electrode catalyst according to the present invention has the following configuration.
(1) the electrode catalyst,
tin oxide-based particles having a specific surface area of 30 m 2 /g or more;
and Pt-based fine particles supported on the tin oxide-based particles.
(2) the electrode catalyst,
The oxygen reduction reaction mass activity at 0.9 V is 150 A/g Pt or more, and/or
The oxygen reduction reaction mass activity at 0.85 V is 650 A/g Pt or more.

酸化スズ系粒子の表面にPt系粒子が担持された電極触媒において、酸化スズ系粒子の微構造及び/又は組成を最適化すると、高比表面積と高ORR質量活性とを両立させることができる。特に、酸化スズ系粒子がメソ孔を備えている場合には、高比表面積でありながら、高いORR質量活性を示す。これは、メソ孔内にPt系粒子が担持されることにより、アイオノマ被毒が低減するためと考えられる。 In an electrode catalyst in which Pt-based particles are supported on the surfaces of tin oxide-based particles, optimizing the microstructure and/or composition of the tin oxide-based particles can achieve both a high specific surface area and a high ORR mass activity. In particular, when the tin oxide-based particles have mesopores, they exhibit a high ORR mass activity while having a high specific surface area. It is considered that this is because ionomer poisoning is reduced by supporting Pt-based particles in the mesopores.

実施例1(ALD法)で得られたPt/Sb-SnO2のSEM像(反射電子像)である。1 is an SEM image (backscattered electron image) of Pt/Sb—SnO 2 obtained in Example 1 (ALD method). 実施例2(コロイド法)で得られたPt/Sb-SnO2のSEM像(反射電子像)である。2 is an SEM image (backscattered electron image) of Pt/Sb—SnO 2 obtained in Example 2 (colloid method). 実施例1(ALD法)及び実施例3(コロイド法)で得られたPt/Sb-SnO2のXRDパターンである。1 shows XRD patterns of Pt/Sb—SnO 2 obtained in Example 1 (ALD method) and Example 3 (colloid method). 実施例2及び実施例3で得られたPt/Sb-SnO2のサイクリックボルタモグラムである。4 is a cyclic voltammogram of Pt/Sb—SnO 2 obtained in Examples 2 and 3. FIG.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 電極触媒]
本発明に係る電極触媒は、
比表面積が30m2/g以上である酸化スズ系粒子と、
前記酸化スズ系粒子に担持されたPt系微粒子と
を備えている。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Electrocatalyst]
The electrode catalyst according to the present invention is
tin oxide-based particles having a specific surface area of 30 m 2 /g or more;
and Pt-based fine particles supported on the tin oxide-based particles.

[1.1. 酸化スズ系粒子]
[1.1.1. 組成]
「酸化スズ系粒子」とは、SnO2からなる粒子、又は、ドーパントを含むSnO2からなる粒子をいう。
本発明において、ドーパントの種類は、特に限定されない。ドーパントとしては、例えば、Nb、Sb、W、Ta、Alなどがある。SnO2には、これらのいずれか1種のドーパントが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
[1.1. Tin oxide particles]
[1.1.1. composition]
"Tin oxide - based particles" refer to SnO2 particles or SnO2 particles containing a dopant.
In the present invention, the type of dopant is not particularly limited. Dopants include, for example, Nb, Sb, W, Ta, and Al. SnO 2 may contain any one of these dopants, or may contain two or more of them.

これらの中でも、酸化スズ系粒子は、Sb、Nb、Ta、及び/又は、WがドープされたSnO2が好ましい。
特に、酸化スズ系粒子は、SbがドープされたSnO2が好ましい。SbがドープされたSnO2は、他のドーパントを含むSnO2と比べて導電率が高いので、Pt系微粒子を担持するための触媒担体として好適である。
Among these, SnO 2 doped with Sb, Nb, Ta, and/or W is preferable as the tin oxide-based particles.
In particular, the tin oxide-based particles are preferably SnO 2 doped with Sb. SnO 2 doped with Sb has a higher electrical conductivity than SnO 2 containing other dopants, and is suitable as a catalyst carrier for supporting Pt-based fine particles.

SbがドープされたSnO2において、Sbのドープ量が多くなるほど、導電性が高くなる。このような効果を得るためには、Sbのドープ量は、2.5at%以上が好ましい。Sbのドープ量は、さらに好ましくは、5.0at%以上である。
一方、Sbのドープ量が過剰になると、キャリア濃度が過剰となり、導電性が低下する場合がある。従って、Sbのドープ量は、15.0at%以下が好ましい。Sbのドープ量は、さらに好ましくは、10.0at%以下である。
In SnO 2 doped with Sb, the conductivity increases as the doping amount of Sb increases. In order to obtain such an effect, the doping amount of Sb is preferably 2.5 at % or more. The doping amount of Sb is more preferably 5.0 at % or more.
On the other hand, if the doping amount of Sb is excessive, the carrier concentration becomes excessive, and the conductivity may decrease. Therefore, the doping amount of Sb is preferably 15.0 atomic % or less. The doping amount of Sb is more preferably 10.0 atomic % or less.

[1.1.2. 比表面積]
一般に、酸化スズ系粒子の比表面積が大きくなるほど、Pt系微粒子を高分散に担持することができるので、ORR質量活性が向上する。そのため、酸化スズ系粒子の比表面積は、大きいほど良い。高いORR質量活性を得るためには、酸化スズ系粒子の比表面積は、30m2/g以上である必要がある。比表面積は、好ましくは、50m2/g以上、さらに好ましくは、100m2/g以上である。
[1.1.2. Specific surface area]
In general, as the specific surface area of the tin oxide-based particles increases, the Pt-based fine particles can be supported in a highly dispersed state, so the ORR mass activity is improved. Therefore, the larger the specific surface area of the tin oxide-based particles, the better. In order to obtain a high ORR mass activity, the specific surface area of the tin oxide-based particles should be 30 m 2 /g or more. The specific surface area is preferably 50 m 2 /g or more, more preferably 100 m 2 /g or more.

[1.1.3. 細孔径]
酸化スズ系粒子は、その内部に細孔径が50nm以下である細孔(以下、これを「メソ孔」ともいう)を有しているものが好ましい。
ここで、「メソ孔」とは、一般的には、直径が2nm以上50nm以下の細孔をいうが、本発明において「メソ孔」というときは、特に断らない限り、直径が2nm以上50nm以下の細孔に加えて、直径が2nm未満の細孔(いわゆる「マイクロ孔」)も含まれる。
「細孔径」とは、メソ孔の直径の平均値をいう。
細孔径は、酸化スズ系粒子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、又はモード細孔径)を求めることにより得られる。
[1.1.3. Pore diameter]
The tin oxide-based particles preferably have pores with a pore diameter of 50 nm or less (hereinafter also referred to as "mesopores").
Here, "mesopores" generally refer to pores having a diameter of 2 nm or more and 50 nm or less. Also included are pores with a diameter of less than 2 nm (so-called “micropores”).
"Pore size" refers to the average diameter of mesopores.
The pore diameter is obtained by analyzing the adsorption side data of the nitrogen adsorption isotherm of the tin oxide-based particles by the BJH method and obtaining the pore diameter (most frequent peak value or mode pore diameter) when the pore volume is maximized. can get.

酸化スズ系粒子がメソ孔を有している場合において、酸化スズ系粒子にPt系微粒子を担持させると、Pt系微粒子は、メソ孔内に存在する割合が高くなる。そのため、酸化スズ系粒子のメソ孔内にPt系微粒子を担持させて電極触媒とし、このような電極触媒とアイオノマとを用いて触媒層を作製した場合、Pt系微粒子のアイオノマによる被毒、及びこれに起因する性能低下を抑制することができる。 When the tin oxide-based particles have mesopores, and the Pt-based fine particles are supported on the tin oxide-based particles, the proportion of the Pt-based fine particles present in the mesopores increases. Therefore, when Pt-based fine particles are supported in the mesopores of tin oxide-based particles to form an electrode catalyst, and a catalyst layer is produced using such an electrode catalyst and an ionomer, the Pt-based fine particles are poisoned by the ionomer, and Performance degradation caused by this can be suppressed.

酸化スズ系粒子がメソ孔を持つ場合において、細孔径(メソ孔の大きさ)は、電極触媒の性能に影響を与える。一般に、細孔径が小さくなりすぎると、メソ孔内にPt系微粒子を担持するのが困難となる。その結果、本発明に係る電極触媒とアイオノマとを用いて触媒層を作製した場合、Pt系微粒子がアイオノマにより被毒される場合がある。従って、細孔径は、1nm以上が好ましい。細孔径は、さらに好ましくは、2nm以上である。
一方、細孔径が大きくなりすぎると、メソ孔内にアイオノマが侵入し、メソ孔内に担持されたPt系微粒子がアイオノマにより被毒されるおそれがある。従って、細孔径は、20nm以下が好ましい。細孔径は、さらに好ましくは、10nm以下、さらに好ましくは、5nm以下である。
When the tin oxide-based particles have mesopores, the pore size (size of mesopores) affects the performance of the electrode catalyst. In general, if the pore diameter becomes too small, it becomes difficult to support the Pt-based fine particles in the mesopores. As a result, when a catalyst layer is produced using the electrode catalyst and ionomer according to the present invention, the Pt-based fine particles may be poisoned by the ionomer. Therefore, the pore diameter is preferably 1 nm or more. The pore diameter is more preferably 2 nm or more.
On the other hand, if the pore diameter is too large, the ionomer may enter the mesopores and poison the Pt-based fine particles supported in the mesopores by the ionomer. Therefore, the pore diameter is preferably 20 nm or less. The pore diameter is more preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less.

[1.1.4. 形状]
本発明において、酸化スズ系粒子の形状は、上述した条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。酸化スズ系粒子は、孤立した粒子であっても良く、あるいは、多孔質の一次粒子が融着した連珠状構造を備えた粒子であっても良い。
ここで、「連珠状構造」とは、一次粒子が数珠状に融着している構造をいう。
[1.1.4. shape]
In the present invention, the shape of the tin oxide-based particles is not particularly limited as long as the above conditions are satisfied. The tin oxide-based particles may be isolated particles, or may be particles having a beaded structure in which porous primary particles are fused together.
Here, the term “beaded structure” refers to a structure in which primary particles are fused together in a beaded shape.

後述する方法を用いると、多孔質の一次粒子が融着した連珠状構造を備えた酸化スズ系粒子が得られる。連珠状構造を備えた粒子(すなわち、二次粒子)は、一次粒子が互いに粗に連結しているため、一次粒子の間には相対的に粗大な空隙がある。そのため、連珠状構造を備えた酸化スズ系粒子を用いて電極触媒を作製し、これとアイオノマとを用いて触媒層を作製すると、触媒層内に適度な空隙が形成される。その結果、触媒層のガス拡散抵抗が低下する。
また、一次粒子は微細な結晶子の集合体からなるため、一次粒子の内部には相対的に微細な空隙(メソ孔)がある。そのため、これを触媒担体として用いると、Pt系微粒子のアイオノマによる被毒を抑制することができる。
By using the method described later, tin oxide-based particles having a bead-like structure in which porous primary particles are fused can be obtained. Particles with a beaded structure (that is, secondary particles) have relatively large voids between the primary particles because the primary particles are loosely connected to each other. Therefore, when an electrode catalyst is produced using tin oxide-based particles having a beaded structure and an ionomer is used to produce a catalyst layer, appropriate voids are formed in the catalyst layer. As a result, the gas diffusion resistance of the catalyst layer is lowered.
In addition, since the primary particles are aggregates of fine crystallites, there are relatively fine voids (mesopores) inside the primary particles. Therefore, when this is used as a catalyst carrier, poisoning of the Pt-based fine particles by the ionomer can be suppressed.

一次粒子の形状は、特に限定されない。後述する方法を用いて酸化スズ系粒子を作製した場合、一次粒子は、通常、完全な球状とはならず、アスペクト比が1.1~3程度のいびつな形状を持つ。 The shape of the primary particles is not particularly limited. When the tin oxide-based particles are produced by the method described later, the primary particles usually do not have a perfect spherical shape, and have an irregular shape with an aspect ratio of about 1.1 to 3.

後述するように、本発明に係る酸化スズ系粒子は、メソポーラスカーボンを鋳型に用いて製造される。また、メソポーラスカーボンは、メソポーラスシリカを鋳型に用いて製造される。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。 As will be described later, the tin oxide particles according to the present invention are produced using mesoporous carbon as a template. Mesoporous carbon is produced using mesoporous silica as a mold. Mesoporous silica is usually synthesized by polycondensing a silica source in a reaction solution containing a silica source, a surfactant and a catalyst.

この時、反応溶液中の界面活性剤の濃度及びシリカ源の濃度をそれぞれある特定の範囲に限定すると、連珠状構造を備えており、かつ、比表面積、細孔径等が特定の範囲にあるメソポーラスシリカが得られる。
このような連珠状構造を備えたメソポーラスシリカを第1鋳型に用いると、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボンが得られる。さらに、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボンを第2鋳型に用いると、連珠状構造を備えた酸化スズ系粒子が得られる。
At this time, if the concentration of the surfactant and the concentration of the silica source in the reaction solution are each limited to a specific range, a mesoporous structure having a renella structure and a specific surface area, pore diameter, etc. within a specific range can be obtained. Silica is obtained.
When mesoporous silica having such a beaded structure is used for the first mold, mesoporous carbon having a beaded structure can be obtained. Further, when mesoporous carbon having a beaded structure is used for the second mold, tin oxide particles having a beaded structure can be obtained.

[1.1.5. 一次粒子の平均粒径]
「一次粒子の平均粒径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により測定された一次粒子の最大寸法の平均値をいう。
酸化スズ系粒子が、多孔質の一次粒子が融着した連珠状構造を備えた粒子である場合、一次粒子の平均粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。
[1.1.5. Average particle size of primary particles]
"Average particle size of primary particles" refers to the average value of the maximum dimensions of primary particles measured by scanning electron microscope (SEM) observation.
When the tin oxide-based particles are particles having a bead-like structure in which porous primary particles are fused together, the average particle size of the primary particles is not particularly limited, and an optimum value can be selected according to the purpose. can be selected.

一般に、一次粒子の平均粒径が小さくなりすぎると、Pt系微粒子を担持することが困難となる。従って、一次粒子の平均粒径は、0.05μm以上が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、0.06μm以上、さらに好ましくは、0.07μm以上である。
一方、一次粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、触媒層の厚さが厚くなり、触媒層中のイオン抵抗及び電子抵抗が大きくなる。従って、一次粒子の平均粒径は、2μm以下が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、1μm以下、さらに好ましくは、0.5μm以下である。
In general, when the average particle size of the primary particles is too small, it becomes difficult to support the Pt-based fine particles. Therefore, the average particle size of primary particles is preferably 0.05 μm or more. The average particle size is more preferably 0.06 μm or more, more preferably 0.07 μm or more.
On the other hand, if the average particle size of the primary particles is too large, the thickness of the catalyst layer will increase, and the ionic resistance and electronic resistance in the catalyst layer will increase. Therefore, the average particle size of the primary particles is preferably 2 μm or less. The average particle size is more preferably 1 μm or less, more preferably 0.5 μm or less.

[1.1.6. 圧粉体の導電率]
「圧粉体の導電率」とは、
(a)2枚のステンレス鋼製円盤と、円筒状の穴が開いたプラスチック製治具とを用いて酸化スズ系粒子を成形し、
(b)得られた圧粉体に2.4MPaの圧力をかけた状態で、一定の電流を流しながら電圧を測定することで得た値をいう。
圧粉体(すなわち、酸化スズ系粒子)の導電性は、主として、ドーパントの種類及び量に依存する。酸化スズ系粒子の組成を最適化すると、圧粉体の導電率は、1×10-3S/cm以上となる。製造条件を最適化すると、導電率は、1×10-2S/cm以上となる。
後述する方法を用いると、圧粉体の導電率が10S/cm程度である酸化スズ系粒子であっても、合成することができる。
[1.1.6. Conductivity of powder compact]
"Conductivity of powder compact" means
(a) forming tin oxide-based particles using two stainless steel discs and a plastic jig with a cylindrical hole;
(b) A value obtained by measuring the voltage while applying a pressure of 2.4 MPa to the obtained powder compact while applying a constant current.
The electrical conductivity of the compact (ie, tin oxide-based particles) depends primarily on the type and amount of dopant. By optimizing the composition of the tin oxide-based particles, the electrical conductivity of the green compact becomes 1×10 −3 S/cm or more. If the manufacturing conditions are optimized, the electrical conductivity will be 1×10 −2 S/cm or more.
By using the method described later, it is possible to synthesize even tin oxide-based particles whose compact has an electrical conductivity of about 10 S/cm.

[1.1.7. 細孔容量]
「細孔容量」とは、一次粒子に含まれるメソ孔の容積をいい、一次粒子間にある空隙の容積は含まれない。
細孔容量は、酸化スズ系粒子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。
[1.1.7. Pore capacity]
"Pore volume" refers to the volume of mesopores contained in the primary particles and does not include the volume of voids between primary particles.
The pore capacity is obtained by analyzing the adsorption data of the nitrogen adsorption isotherm of the tin oxide-based particles by the BJH method, and calculating with a value of P/P 0 =0.03 to 0.99.

本発明に係る酸化スズ系粒子をPEFC用の触媒担体に用いる場合において、細孔容量が小さくなりすぎると、細孔内に担持される触媒粒子の割合が小さくなる。従って、細孔容量は、0.1mL/g以上が好ましい。細孔容量は、好ましくは、0.15mL/g以上、さらに好ましくは、0.2mL/g以上である。
一方、細孔容量が大きくなりすぎると、酸化スズ系粒子の細孔壁の割合が小さくなり、電子伝導性が低くなる。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、細孔容量は、1mL/g以下が好ましい。細孔容量は、好ましくは、0.7mL/g以下、さらに好ましくは、0.5mL/g以下である。
When the tin oxide-based particles according to the present invention are used as a catalyst carrier for PEFC, if the pore volume becomes too small, the ratio of the catalyst particles supported in the pores becomes small. Therefore, the pore volume is preferably 0.1 mL/g or more. The pore volume is preferably 0.15 mL/g or more, more preferably 0.2 mL/g or more.
On the other hand, if the pore volume becomes too large, the ratio of the pore walls of the tin oxide-based particles becomes small, resulting in low electronic conductivity. In addition, the amount of ionomer intrusion increases, and the activity may decrease due to catalyst poisoning. Therefore, the pore volume is preferably 1 mL/g or less. The pore volume is preferably 0.7 mL/g or less, more preferably 0.5 mL/g or less.

[1.1.8. タップ密度]
「タップ密度」とは、JIS Z 2512に準拠して測定される値をいう。
本発明に係る酸化スズ系粒子をPEFCの触媒層に用いる場合において、酸化スズ系粒子のタップ密度が小さくなりすぎると、得られた触媒層の厚みが厚くなりすぎ、プロトン伝導性が低下する。従って、タップ密度は、0.005g/cm3以上が好ましい。タップ密度は、好ましくは、0.01g/cm3以上、さらに好ましくは、0.05g/cm3以上である。
一方、タップ密度が大きくなりすぎると、これを用いて触媒層を作製した時に、触媒層内にフラッディングを抑制可能な空隙を確保するのが困難となる。従って、タップ密度は、1.0g/cm3以下が好ましい。タップ密度は、好ましくは、0.75g/cm3以下である。
[1.1.8. tap density]
"Tap density" refers to a value measured according to JIS Z 2512.
When the tin oxide-based particles of the present invention are used in the catalyst layer of PEFC, if the tap density of the tin oxide-based particles is too low, the resulting catalyst layer becomes too thick and the proton conductivity decreases. Therefore, the tap density is preferably 0.005 g/cm 3 or more. The tap density is preferably 0.01 g/cm 3 or more, more preferably 0.05 g/cm 3 or more.
On the other hand, if the tap density is too high, it becomes difficult to secure voids that can suppress flooding in the catalyst layer when the catalyst layer is produced using this. Therefore, the tap density is preferably 1.0 g/cm 3 or less. The tap density is preferably 0.75 g/cm 3 or less.

[1.2. Pt系微粒子]
[1.2.1. 組成]
「Pt系微粒子」とは、Pt又はPt合金からなる微粒子をいう。Pt系微粒子は、酸化スズ系粒子の外表面又はメソ孔の内表面に担持される。
Pt系微粒子がPt合金からなる場合、Pt合金の組成(すなわち、合金元素の種類及び含有量)は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な組成を選択することができる。Pt合金としては、例えば、
(a)Ptと、1種又は2種以上のPt以外の貴金属元素とを含む合金(例えば、Pt-Pd合金、Pt-Ru合金、Pt-Ir合金など)、
(b)Pt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(例えば、Pt-Fe合金、Pt-Co合金、Pt-Ni胸襟、Pt-Cr合金、Pt-V合金、Pt-Ti合金など)、
などがある。
[1.2. Pt-based fine particles]
[1.2.1. composition]
"Pt-based microparticles" refer to microparticles made of Pt or a Pt alloy. The Pt-based fine particles are carried on the outer surface of the tin oxide-based particles or the inner surface of the mesopores.
When the Pt-based fine particles are composed of a Pt alloy, the composition of the Pt alloy (that is, the type and content of alloying elements) is not particularly limited, and an optimum composition can be selected according to the purpose. As a Pt alloy, for example,
(a) an alloy containing Pt and one or more noble metal elements other than Pt (for example, Pt--Pd alloy, Pt--Ru alloy, Pt--Ir alloy, etc.);
(b) an alloy containing Pt and one or more base metal elements (e.g., Fe, Co, Ni, Cr, V, Ti, etc.) (e.g., Pt--Fe alloy, Pt--Co alloy, Pt-- Ni chest collar, Pt-Cr alloy, Pt-V alloy, Pt-Ti alloy, etc.),
and so on.

[1.2.2. 平均粒径]
「Pt系微粒子の平均粒径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により測定されたPt系微粒子の最大寸法の平均値をいう。
Pt系微粒子の平均粒径は、質量活性に影響を与える。一般に、Pt系微粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、Pt系微粒子の質量活性が低下する。従って、Pt系微粒子の平均粒径は、5nm以下が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、4nm以下である。
一方、Pt系微粒子の平均粒径が小さくなりすぎると、Ptなどの微粒子を構成する成分が溶出しやすくなる。従って、Pt系微粒子の平均粒径は、1nm以上が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、2nm以上である。
[1.2.2. Average particle size]
"Average particle size of Pt-based fine particles" refers to the average value of the maximum dimension of Pt-based fine particles measured by scanning electron microscope (SEM) observation.
The average particle size of Pt-based fine particles affects the mass activity. In general, when the average particle size of the Pt-based fine particles becomes too large, the mass activity of the Pt-based fine particles decreases. Therefore, the average particle size of the Pt-based fine particles is preferably 5 nm or less. The average particle size is more preferably 4 nm or less.
On the other hand, if the average particle size of the Pt-based fine particles is too small, the components that form the fine particles, such as Pt, tend to be eluted. Therefore, the average particle size of the Pt-based fine particles is preferably 1 nm or more. The average particle size is more preferably 2 nm or more.

[1.2.3. 担持量]
Pt系微粒子の担持量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な担持量を選択することができる。一般に、Pt系微粒子の担持量が少なくなりすぎると、所定の目付量を得るために必要な触媒層の厚さが厚くなり、触媒層の電子抵抗、プロトン移動抵抗、及び/又は、ガス拡散抵抗が増大する。従って、Pt系微粒子の担持量は、5mass%以上が好ましい。担持量は、さらに好ましくは、10mass%以上、さらに好ましくは、15mass%以上である。
一方、Pt系微粒子の担持量が過剰になると、担体表面においてPt系微粒子が凝集し、かえって電極触媒の活性が低下する。従って、Pt系微粒子の担持量は、60mass%以下が好ましい。担持量は、さらに好ましくは、50mass%以下、さらに好ましくは、40mass%以下である。
[1.2.3. Load]
The amount of the Pt-based fine particles to be supported is not particularly limited, and an optimum amount to be supported can be selected according to the purpose. In general, when the amount of Pt-based fine particles supported becomes too small, the thickness of the catalyst layer required to obtain a predetermined basis weight increases, and the electronic resistance, proton transfer resistance, and/or gas diffusion resistance of the catalyst layer increases. increases. Therefore, the supported amount of Pt-based fine particles is preferably 5 mass % or more. The supported amount is more preferably 10 mass % or more, more preferably 15 mass % or more.
On the other hand, when the amount of Pt-based fine particles carried is excessive, the Pt-based fine particles agglomerate on the surface of the carrier, which rather reduces the activity of the electrode catalyst. Therefore, the supported amount of Pt-based fine particles is preferably 60 mass % or less. The supported amount is more preferably 50 mass % or less, more preferably 40 mass % or less.

[1.3. 特性]
[1.3.1. 0.9Vにおける酸素還元反応(ORR)質量活性]
本発明に係る電極触媒において、組成及び/又は構造(特に、酸化スズ系粒子の組成及び/又は構造)を最適化すると、0.9VにおけるORR質量活性は、150A/gPt以上となる。電極触媒の組成及び/又は構造をさらに最適化すると、0.9VにおけるORR質量活性は、300A/gPt以上、あるいは、400A/gPt以上となる。
[1.3. Characteristic]
[1.3.1. Oxygen reduction reaction (ORR) mass activity at 0.9 V]
By optimizing the composition and/or structure (in particular, the composition and/or structure of the tin oxide-based particles) in the electrode catalyst according to the present invention, the ORR mass activity at 0.9 V becomes 150 A/g Pt or more. By further optimizing the composition and/or structure of the electrocatalyst, the ORR mass activity at 0.9 V is 300 A/g Pt or higher, alternatively 400 A/g Pt or higher.

[1.3.2. 0.85Vにおける酸素還元反応(ORR)質量活性]
本発明に係る電極触媒において、組成及び/又は構造(特に、酸化スズ系粒子の組成及び/又は構造)を最適化すると、0.9VにおけるORR質量活性が上記の範囲になることに加えて、又は、これに代えて、0.85VにおけるORR質量活性が650A/gPt以上となる。電極触媒の組成及び/又は構造をさらに最適化すると、0.85VにおけるORR質量活性は、1500A/gPt以上、あるいは、2000A/gPt以上となる。
[1.3.2. Oxygen reduction reaction (ORR) mass activity at 0.85 V]
In the electrode catalyst according to the present invention, optimizing the composition and/or structure (in particular, the composition and/or structure of the tin oxide-based particles) results in the ORR mass activity at 0.9 V falling within the above range, Alternatively, the ORR mass activity at 0.85V is greater than or equal to 650 A/g Pt . By further optimizing the electrocatalyst composition and/or structure, the ORR mass activity at 0.85 V is 1500 A/g Pt or higher, or 2000 A/g Pt or higher.

[2. メソポーラスシリカ(第1鋳型)の製造方法]
酸化スズ系粒子は、種々の方法により製造することができる。これらの内、連珠状構造を備えた酸化スズ系粒子を製造するためには、まず、連珠状構造を備えたメソポーラスシリカ(第1鋳型)を製造する必要がある。このようなメソポーラスシリカは、
(a)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て前駆体粒子を作製し、
(b)前記反応溶液から前記前駆体粒子を分離し、乾燥させ、
(c)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い、
(d)前記前駆体粒子を焼成する
ことにより得られる。
[2. Method for producing mesoporous silica (first template)]
Tin oxide-based particles can be produced by various methods. Of these, in order to produce tin oxide particles having a beaded structure, it is first necessary to produce mesoporous silica (first template) having a beaded structure. Such mesoporous silica is
(a) condensation polymerization of the silica source in a reaction solution containing a silica source, a surfactant and a catalyst to prepare precursor particles;
(b) separating and drying the precursor particles from the reaction solution;
(c) if necessary, the dried precursor particles are subjected to a diameter-expanding treatment;
(d) obtained by firing the precursor particles;

[2.1. 縮重合工程]
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(縮重合工程)。
[2.1. Condensation polymerization step]
First, the silica source is polycondensed in a reaction solution containing a silica source, a surfactant and a catalyst to obtain precursor particles (condensation polymerization step).

[2.1.1. シリカ源]
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、
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。
[2.1.1. silica source]
In the present invention, the type of silica source is not particularly limited. Examples of silica sources include
(a) tetraalkoxysilanes such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, tetrabutoxysilane, dimethoxydiethoxysilane, tetraethyleneglycooxysilane;
(b) trialkoxysilanes such as 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-(2-aminoethyl)aminopropyltrimethoxysilane;
and so on. Any one of these may be used as the silica source, or two or more may be used in combination.

[2.1.2. 界面活性剤]
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、一次粒子内部には、ミセルに起因するメソ細孔が形成される。メソ細孔の大きさは、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。
[2.1.2. Surfactant]
When the silica source is polycondensed in the reaction solution, if a surfactant is added to the reaction solution, the surfactant forms micelles in the reaction solution. Since hydrophilic groups are gathered around the micelles, the silica source is adsorbed on the surfaces of the micelles. Further, the micelles to which the silica source is adsorbed self-organize in the reaction solution, and the silica source undergoes polycondensation. As a result, mesopores caused by micelles are formed inside the primary particles. The size of the mesopores can be controlled (from 1 to 50 nm) mainly by the molecular length of the surfactant.

本発明において、界面活性剤には、アルキル4級アンモニウム塩を用いる。アルキル4級アンモニウム塩とは、次の(a)式で表される化合物をいう。
CH3-(CH2)n-N+(R1)(R2)(R3)X- ・・・(a)
In the present invention, an alkyl quaternary ammonium salt is used as the surfactant. An alkyl quaternary ammonium salt refers to a compound represented by the following formula (a).
CH 3 —(CH 2 ) n —N + (R 1 )(R 2 )(R 3 )X (a)

(a)式中、R1、R2、R3は、それぞれ、炭素数が1~3のアルキル基を表す。R1、R2、及び、R3は、互いに同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。アルキル4級アンモニウム塩同士の凝集(ミセルの形成)を容易化するためには、R1、R2、及び、R3は、すべて同一であることが好ましい。さらに、R1、R2、及び、R3の少なくとも1つは、メチル基が好ましく、すべてがメチル基であることが好ましい。
(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。
(a) In the formula, R 1 , R 2 and R 3 each represent an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. R 1 , R 2 and R 3 may be the same or different. R 1 , R 2 and R 3 are all preferably the same in order to facilitate aggregation (micelle formation) between alkyl quaternary ammonium salts. Furthermore, at least one of R 1 , R 2 and R 3 is preferably a methyl group, and all are preferably methyl groups.
(a) In formula, X represents a halogen atom. Although the type of halogen atom is not particularly limited, X is preferably Cl or Br in terms of availability.

(a)式中、nは7~21の整数を表す。一般に、nが小さくなるほど、メソ細孔の中心細孔径が小さい球状のメソ多孔体が得られる。一方、nが大きくなるほど、中心細孔径は大きくなるが、nが大きくなりすぎると、アルキル4級アンモニウム塩の疎水性相互作用が過剰となる。その結果、層状の化合物が生成し、メソ多孔体が得られない。nは、好ましくは、9~17、さらに好ましくは、13~17である。 (a) In the formula, n represents an integer of 7-21. In general, the smaller n is, the smaller the central pore size of the mesopores is and the more spherical mesoporous material is obtained. On the other hand, the larger the value of n, the larger the central pore size. As a result, a layered compound is produced and a mesoporous body cannot be obtained. n is preferably 9-17, more preferably 13-17.

(a)式で表されるものの中でも、アルキルトリメチルアンモニウムハライドが好ましい。アルキルトリメチルアンモニウムハライドとしては、例えば、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムハライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムハライド、ノニルトリメチルアンモニウムハライド、デシルトリメチルアンモニウムハライド、ウンデシルトリメチルアンモニウムハライド、ドデシルトリメチルアンモニウムハライド等がある。
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。
Among those represented by formula (a), alkyltrimethylammonium halide is preferred. Examples of alkyltrimethylammonium halides include hexadecyltrimethylammonium halide, octadecyltrimethylammonium halide, nonyltrimethylammonium halide, decyltrimethylammonium halide, undecyltrimethylammonium halide and dodecyltrimethylammonium halide.
Among these, alkyltrimethylammonium bromide and alkyltrimethylammonium chloride are particularly preferred.

メソポーラスシリカを合成する場合において、1種類のアルキル4級アンモニウム塩を用いても良く、あるいは、2種以上を用いても良い。しかしながら、アルキル4級アンモニウム塩は、一次粒子内にメソ細孔を形成するためのテンプレートとなるので、その種類は、メソ細孔の形状に大きな影響を与える。より均一なメソ細孔を有するシリカ粒子を合成するためには、1種類のアルキル4級アンモニウム塩を用いるのが好ましい。 When synthesizing mesoporous silica, one type of alkyl quaternary ammonium salt may be used, or two or more types may be used. However, since the alkyl quaternary ammonium salt serves as a template for forming mesopores in the primary particles, its type has a great influence on the shape of the mesopores. In order to synthesize silica particles with more uniform mesopores, it is preferable to use one type of alkyl quaternary ammonium salt.

[2.1.3. 触媒]
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るのが好ましい。
[2.1.3. catalyst]
When polycondensing a silica source, a catalyst is usually added to the reaction solution. When synthesizing particulate mesoporous silica, it is preferable to use an alkali such as sodium hydroxide or aqueous ammonia as the catalyst.

[2.1.4. 溶媒]
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。
水と有機溶媒の混合溶媒を用いる場合、混合溶媒中の有機溶媒の含有量は、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、溶媒中に適量の有機溶媒を添加すると、粒径や粒度分布の制御が容易化する。
[2.1.4. solvent]
As the solvent, water, an organic solvent such as alcohol, a mixed solvent of water and an organic solvent, or the like is used.
alcohol is
(1) monohydric alcohols such as methanol, ethanol and propanol;
(2) dihydric alcohols such as ethylene glycol;
(3) trihydric alcohols such as glycerin;
Either one is fine.
When a mixed solvent of water and an organic solvent is used, the content of the organic solvent in the mixed solvent can be arbitrarily selected depending on the purpose. In general, adding an appropriate amount of organic solvent to the solvent facilitates control of particle size and particle size distribution.

[2.1.5. 反応溶液の組成]
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平均一次粒子径、細孔径、細孔容量、及びタップ密度に与える影響が大きい。
[2.1.5. Composition of Reaction Solution]
The composition of the reaction solution affects the external shape and pore structure of mesoporous silica to be synthesized. In particular, the concentration of the surfactant and the concentration of the silica source in the reaction solution have a great effect on the average primary particle size, pore size, pore volume and tap density of the mesoporous silica particles.

[A. 界面活性剤の濃度]
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、一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。
[A. Surfactant concentration]
If the concentration of the surfactant is too low, the particle deposition rate will be slow and a structure in which the primary particles are connected cannot be obtained. Therefore, the surfactant concentration should be 0.03 mol/L or more. The surfactant concentration is preferably 0.035 mol/L or more, more preferably 0.04 mol/L or more.

一方、界面活性剤の濃度が高すぎると、粒子の析出速度が速くなりすぎ、一次粒子径が容易に300nmを超える。従って、界面活性剤の濃度は、1.0mol/L以下である必要がある。界面活性剤の濃度は、好ましくは、0.95mol/L以下、さらに好ましくは、0.90mol/L以下である。 On the other hand, if the concentration of the surfactant is too high, the precipitation rate of the particles becomes too fast, and the primary particle diameter easily exceeds 300 nm. Therefore, the surfactant concentration should be 1.0 mol/L or less. The surfactant concentration is preferably 0.95 mol/L or less, more preferably 0.90 mol/L or less.

[B. シリカ源の濃度]
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、一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、均一なメソ細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。
[B. Concentration of silica source]
If the concentration of the silica source is too low, the deposition rate of particles will be slow, and a structure in which primary particles are connected cannot be obtained. Alternatively, the surfactant may be excessive and uniform mesopores may not be obtained. Therefore, the silica source concentration should be 0.05 mol/L or more. The silica source concentration is preferably 0.06 mol/L or more, more preferably 0.07 mol/L or more.

一方、シリカ源の濃度が高すぎると、粒子の析出速度が速くなりすぎ、一次粒子径が容易に300nmを超える。あるいは、球状粒子ではなく、シート状の粒子が得られる場合がある。従って、シリカ源の濃度は、1.0mol/L以下である必要がある。シリカ源の濃度は、好ましくは、0.95mol/L以下、さらに好ましくは、0.9mol/L以下である。 On the other hand, if the concentration of the silica source is too high, the precipitation rate of the particles becomes too fast, and the primary particle diameter easily exceeds 300 nm. Alternatively, sheet-like particles may be obtained instead of spherical particles. Therefore, the silica source concentration should be 1.0 mol/L or less. The silica source concentration is preferably 0.95 mol/L or less, more preferably 0.9 mol/L or less.

[C. 触媒の濃度]
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。
[C. Concentration of catalyst]
In the present invention, the catalyst concentration is not particularly limited. In general, too low a concentration of catalyst slows down the deposition rate of the particles. On the other hand, if the catalyst concentration is too high, the particle precipitation rate will increase. The optimum concentration of the catalyst is preferably selected according to the type of silica source, the type of surfactant, target physical properties, and the like.

[2.1.6 反応条件]
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、さらに好ましくは、0~90℃、さらに好ましくは、10~80℃である。
[2.1.6 Reaction conditions]
A silica source is added in a solvent containing a predetermined amount of surfactant for hydrolysis and polycondensation. Thereby, the surfactant functions as a template, and precursor particles containing silica and surfactant are obtained.
As for the reaction conditions, optimum conditions are selected according to the type of silica source, the particle size of the precursor particles, and the like. In general, the preferred reaction temperature is -20 to 100°C. The reaction temperature is more preferably 0 to 90°C, more preferably 10 to 80°C.

[2.2. 乾燥工程]
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。
[2.2. Drying process]
Next, the precursor particles are separated from the reaction solution and dried (drying step).
Drying is performed to remove the solvent remaining in the precursor particles. Drying conditions are not particularly limited as long as the solvent can be removed.

[2.3. 拡径処理]
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、一次粒子内のメソ細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。
[2.3. diameter expansion]
Next, if necessary, the dried precursor particles may be subjected to diameter-expanding treatment (diameter-expanding step). "Diameter-enlarging treatment" refers to treatment for enlarging the diameter of mesopores in primary particles.
Specifically, the diameter-expanding treatment is performed by subjecting the synthesized precursor particles (from which the surfactant has not been removed) to a hydrothermal treatment in a solution containing a diameter-expanding agent. This treatment can enlarge the pore size of the precursor particles.

拡径剤としては、例えば、
(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。
Examples of diameter-enlarging agents include
(a) hydrocarbons such as trimethylbenzene, triethylbenzene, benzene, cyclohexane, triisopropylbenzene, naphthalene, hexane, heptane, octane, nonane, decane, undecane, dodecane;
(b) acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid;
and so on.

炭化水素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、拡径剤が溶媒から、より疎水性の高い前駆体粒子の細孔内に導入される際に、シリカの再配列が起こるためと考えられる。
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、一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。
The reason why the pore diameter is enlarged by hydrothermal treatment in the presence of hydrocarbons is that silica rearrangement occurs when the pore-enlarging agent is introduced from the solvent into the pores of the more hydrophobic precursor particles. It is considered to be for
Further, the reason why the pore size is enlarged by the hydrothermal treatment in the coexistence of an acid such as hydrochloric acid is considered to be the progress of dissolution and reprecipitation of silica inside the primary particles. Optimizing the manufacturing conditions results in the formation of radial pores inside the silica. When this is hydrothermally treated in the presence of an acid, dissolution and reprecipitation of silica occur, and radial pores are converted into continuous pores.

拡径処理の条件は、目的とする細孔径が得られる限りにおいて、特に限定されない。通常、反応溶液に対して、0.05mol/L~10mol/L程度の拡径剤を添加し、60~150℃で水熱処理するのが好ましい。 Conditions for the diameter-expanding treatment are not particularly limited as long as the desired pore diameter can be obtained. Generally, it is preferable to add a diameter-enlarging agent to the reaction solution in an amount of about 0.05 mol/L to 10 mol/L, and to perform hydrothermal treatment at 60 to 150°C.

[2.4. 焼成工程]
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、連珠状構造を備えたメソポーラスシリカ粒子が得られる。
焼成は、OH基が残留している前駆体粒子を脱水・結晶化させるため、及び、メソ細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℃~700℃で1時間~10時間加熱することにより行われる。
[2.4. Firing process]
Next, after performing a diameter-expanding treatment as necessary, the precursor particles are sintered (sintering step). As a result, mesoporous silica particles having a beaded structure are obtained.
Firing is performed to dehydrate and crystallize the precursor particles in which OH groups remain, and to thermally decompose the surfactant remaining in the mesopores. The baking conditions are not particularly limited as long as dehydration/crystallization and thermal decomposition of the surfactant are possible. Firing is usually carried out by heating at 400° C. to 700° C. for 1 hour to 10 hours in the atmosphere.

[3. メソポーラスカーボン(第2鋳型)の製造方法]
次に、連珠状構造を備えたメソポーラスシリカを鋳型に用いて、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボン(第2鋳型)を製造する。このようなメソポーラスカーボンは、
(a)第1鋳型となるメソポーラスシリカを準備し、
(b)前記メソポーラスシリカのメソ細孔内にカーボンを析出させ、シリカ/カーボン複合体を作製し、
(c)前記複合体からシリカを除去する
ことにより得られる。
また、得られたメソポーラスカーボンの黒鉛化を促進させるために、シリカを除去した後に、メソポーラスカーボンを1500℃より高い温度で熱処理しても良い。
[3. Method for producing mesoporous carbon (second mold)]
Next, mesoporous silica having a beaded structure is used as a mold to produce mesoporous carbon having a beaded structure (second mold). Such mesoporous carbon is
(a) preparing mesoporous silica as a first template,
(b) depositing carbon in the mesopores of the mesoporous silica to prepare a silica/carbon composite;
(c) obtained by removing silica from the composite;
Moreover, in order to promote graphitization of the obtained mesoporous carbon, the mesoporous carbon may be heat-treated at a temperature higher than 1500° C. after removing the silica.

[3.1. 第1鋳型準備工程]
まず、第1鋳型となるメソポーラスシリカを準備する(第1鋳型準備工程)。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。
[3.1. First mold preparation step]
First, mesoporous silica to be the first template is prepared (first template preparation step). The details of the method for producing mesoporous silica are as described above, so the description is omitted.

[3.2. カーボン析出工程]
次に、メソポーラスシリカのメソ細孔内にカーボンを析出させ、シリカ/カーボン複合体を作製する(カーボン析出工程)。
メソ細孔内へのカーボンの析出は、具体的には、
(a)メソ細孔内にカーボン前駆体を導入し、
(b)メソ細孔内において、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。
[3.2. Carbon precipitation process]
Next, carbon is deposited in the mesopores of the mesoporous silica to produce a silica/carbon composite (carbon deposition step).
Specifically, the deposition of carbon into the mesopores is
(a) introducing a carbon precursor into the mesopores;
(b) by polymerizing and carbonizing a carbon precursor within the mesopores;

[3.2.1. カーボン前駆体の導入]
「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細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細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。
[3.2.1. Introduction of Carbon Precursor]
"Carbon precursor" refers to a substance capable of producing carbon by thermal decomposition. Specifically, such carbon precursors include:
(1) a liquid at room temperature and a thermally polymerizable polymer precursor (e.g., furfuryl alcohol, aniline, etc.),
(2) mixtures of aqueous solutions of carbohydrates and acids (e.g., monosaccharides such as sucrose, xylose, glucose, disaccharides, polysaccharides, sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphorus mixtures with acids such as acids),
(3) mixtures of two-component curing type polymer precursors (for example, phenol and formalin, etc.);
and so on.
Among these, the polymer precursor can be impregnated into the mesopores without being diluted with a solvent, so a relatively small number of impregnation times produces a relatively large amount of carbon in the mesopores. can be made Moreover, there is an advantage that a polymerization initiator is unnecessary and handling is easy.

液体又は溶液のカーボン前駆体を用いる場合、1回当たりの液体又は溶液の吸着量は、多いほど良く、メソ細孔全体が液体又は溶液で満たされる量が好ましい。
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。
When a liquid or solution carbon precursor is used, the larger the amount of liquid or solution to be adsorbed per time, the better.
Also, when a mixture of an aqueous carbohydrate solution and an acid is used as the carbon precursor, the amount of acid is preferably the minimum amount that allows the organic matter to be polymerized.
Furthermore, when a mixture of two-liquid curing type polymer precursors is used as the carbon precursor, the optimum ratio is selected according to the type of the polymer precursor.

[3.2.2. カーボン前駆体の重合及び炭化] [3.2.2. Polymerization and carbonization of carbon precursor]

次に、重合させたカーボン前駆体をメソ細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。
The polymerized carbon precursor is then carbonized within the mesopores.
Carbonization of the carbon precursor is performed by heating mesoporous silica containing the carbon precursor to a predetermined temperature in a non-oxidizing atmosphere (for example, in an inert atmosphere or in vacuum). Specifically, the heating temperature is preferably 500° C. or higher and 1200° C. or lower. If the heating temperature is less than 500°C, carbonization of the carbon precursor will be insufficient. On the other hand, if the heating temperature exceeds 1200° C., silica reacts with carbon, which is not preferable. The optimum heating time is selected according to the heating temperature.

なお、メソ細孔内に生成させる炭素量は、メソポーラスシリカを除去した時に、カーボン粒子が形状を維持できる量以上であればよい。従って、1回の充填、重合及び炭化で生成する炭素量が相対的に少ない場合には、これらの工程を複数回繰り返すのが好ましい。この場合、繰り返される各工程の条件は、それぞれ、同一であっても良く、あるいは、異なっていても良い。
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。
The amount of carbon generated in the mesopores should be at least the amount that allows the carbon particles to maintain their shape when the mesoporous silica is removed. Therefore, when the amount of carbon produced by one filling, polymerization and carbonization is relatively small, it is preferable to repeat these steps multiple times. In this case, the conditions of each repeated step may be the same or different.
In addition, when each step of filling, polymerization and carbonization is repeated multiple times, each carbonization step performs carbonization at a relatively low temperature, and after the final carbonization is completed, carbonization is performed again at a higher temperature. may be processed. If the final carbonization treatment is carried out at a temperature higher than that of the previous carbonization treatments, the carbon that has been introduced into the pores in multiple steps can be easily integrated.

[3.3. 第1鋳型除去工程]
次に、複合体から第1鋳型であるメソポーラスシリカを除去する(第1鋳型除去工程)。これにより、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボン(第2鋳型)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。
[3.3. First mold removal step]
Next, the mesoporous silica, which is the first template, is removed from the composite (first template removing step). As a result, a mesoporous carbon (second mold) having a beaded structure is obtained.
Specifically, as a method for removing mesoporous silica,
(1) a method of heating the composite in an alkaline aqueous solution such as sodium hydroxide;
(2) a method of etching the composite with an aqueous hydrofluoric acid solution;
and so on.

[3.4. 黒鉛化処理工程]
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(黒鉛化工程)。メソポーラスシリカのメソ細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、第1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。
[3.4. Graphitization process]
Next, if necessary, the mesoporous carbon is heat-treated at a temperature higher than 1500° C. (graphitization step). When the carbon source is carbonized in the mesopores of mesoporous silica, the heat treatment temperature must be lowered in order to suppress the reaction between silica and carbon. Therefore, the degree of graphitization of carbon after carbonization is low. In order to obtain a high degree of graphitization, it is preferable to heat-treat the mesoporous carbon at a high temperature after removing the first template.

熱処理温度が低すぎると、黒鉛化が不十分となる。従って、熱処理温度は、1500℃超が好ましい。熱処理温度は、好ましくは、1700℃以上、さらに好ましくは、1800℃以上である。
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。
If the heat treatment temperature is too low, graphitization will be insufficient. Therefore, the heat treatment temperature is preferably higher than 1500°C. The heat treatment temperature is preferably 1700° C. or higher, more preferably 1800° C. or higher.
On the other hand, even if the heat treatment temperature is raised more than necessary, there is no difference in the effect and there is no practical benefit. Therefore, the heat treatment temperature is preferably 2300° C. or lower. The heat treatment temperature is preferably 2200° C. or less.

[4. 酸化スズ系粒子の製造方法]
連珠状構造を備えた酸化スズ系粒子の製造方法は、
連珠状構造を備えたメソポーラスカーボンを準備する第1工程と、
メソポーラスカーボンのメソ細孔内に酸化スズ又はドーパントを含む酸化スズ(以下、これらを総称して「Sn含有酸化物」ともいう)析出させ、Sn含有酸化物/カーボン複合体を得る第2工程と、
Sn含有酸化物/カーボン複合体からカーボンを除去する第3工程と
を備えている。
[4. Method for producing tin oxide particles]
A method for producing tin oxide-based particles having a beaded structure comprises:
a first step of preparing mesoporous carbon having a renister-like structure;
a second step of precipitating tin oxide or tin oxide containing a dopant (hereinafter collectively referred to as "Sn-containing oxide") in the mesopores of the mesoporous carbon to obtain a Sn-containing oxide/carbon composite; ,
and a third step of removing carbon from the Sn-containing oxide/carbon composite.

[4.1. 第1工程]
まず、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボンを準備する(第1工程)。メソポーラスカーボン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。
[4.1. First step]
First, mesoporous carbon having a renister structure is prepared (first step). The details of the method for producing mesoporous carbon are as described above, so the explanation is omitted.

[4.2. 第2工程]
次に、メソポーラスカーボンのメソ細孔内にSn含有酸化物を析出させる(第2工程)。これにより、Sn含有酸化物/カーボン複合体が得られる。
メソ細孔内へのSn含有酸化物の析出は、具体的には、メソ細孔内にSn含有酸化物の前駆体を導入し、前駆体をSn含有酸化物に変換することにより行う。
[4.2. Second step]
Next, a Sn-containing oxide is deposited in the mesopores of the mesoporous carbon (second step). Thereby, a Sn-containing oxide/carbon composite is obtained.
Specifically, the deposition of the Sn-containing oxide into the mesopores is performed by introducing a precursor of the Sn-containing oxide into the mesopores and converting the precursor into the Sn-containing oxide.

[4.2.1. 前駆体]
メソ細孔内においてSn含有酸化物を形成するための前駆体としては、具体的には、
(1)Sn含有酸化物を構成する金属元素を含み、溶媒に可溶であり、かつ溶媒中の溶存酸素により酸化され、析出させることが可能な化合物、
(2)Sn含有酸化物を構成する金属元素を含み、熱分解あるいは加水分解により金属酸化物を形成することが可能な化合物、
などがある。
[4.2.1. precursor]
Specific examples of precursors for forming Sn-containing oxides in mesopores include:
(1) a compound that contains a metal element that constitutes a Sn-containing oxide, is soluble in a solvent, and can be oxidized and precipitated by dissolved oxygen in the solvent;
(2) a compound that contains a metal element that constitutes an Sn-containing oxide and that can form a metal oxide by thermal decomposition or hydrolysis;
and so on.

溶存酸素により酸化し、析出させることが可能な化合物としては、
(1)SnCl2などの2価のSnを含む塩、
(2)NbCl5、SbCl3、WCl6、TaCl5、AlCl3などのNb、Sb、W、Ta、又はAlをを含む塩、
などがある。
Compounds that can be oxidized and precipitated by dissolved oxygen include:
(1) salts containing divalent Sn such as SnCl2;
(2) salts containing Nb, Sb, W, Ta, or Al , such as NbCl5 , SbCl3 , WCl6 , TaCl5 , AlCl3;
and so on.

熱分解あるいは加水分解により金属酸化物を形成することが可能な化合物としては、
(1)SnCl4、SnCl2、NbCl5、SbCl3、WCl6、TaCl5、AlCl3などの塩化物、
(2)タングステンエトキシド(W(OC25)6)、Sn(OC25)2、Sn(OC(CH3)3)4、Nb(OC25)5、Ta(OC25)5、Sb(OC25)3、Al(OC25)3などのアルコキシド、
(3)スズアセチルアセトナート(Sn(CH3COCHCOCH3)2)、Al(CH3COCHCOCH3)3などのアセチルアセトナート塩、
(4)Sn(CH3COO)2、Sb(CH3COO)3などの酢酸塩、
などがある。
Compounds capable of forming metal oxides by thermal decomposition or hydrolysis include:
( 1 ) chlorides such as SnCl4, SnCl2 , NbCl5 , SbCl3 , WCl6 , TaCl5 , AlCl3;
( 2) Tungsten ethoxide (W(OC2H5)6), Sn(OC2H5)2 , Sn ( OC ( CH3 ) 3 ) 4 , Nb ( OC2H5 ) 5 , Ta ( OC2 alkoxides such as H5 ) 5 , Sb( OC2H5 ) 3 , Al ( OC2H5 ) 3 ;
( 3 ) acetylacetonate salts such as tin acetylacetonate (Sn( CH3COCHCOCH3 ) 2 ) , Al( CH3COCHCOCH3 ) 3 ;
(4) Acetates such as Sn( CH3COO ) 2 , Sb( CH3COO)3 ;
and so on.

[4.2.2. 細孔への前駆体の導入]
前駆体が液体である場合、これをそのままメソポーラスカーボンの細孔内に吸着させても良い。あるいは、前駆体を適当な溶媒に溶解させ、この溶液をメソポーラスカーボンの細孔内に吸着させても良い。前駆体を溶媒に溶解させる場合、溶媒の種類及び前駆体の濃度は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択する。
[4.2.2. Introduction of precursor into pores]
When the precursor is liquid, it may be adsorbed in the pores of the mesoporous carbon as it is. Alternatively, the precursor may be dissolved in a suitable solvent and this solution may be adsorbed into the pores of the mesoporous carbon. When the precursor is dissolved in a solvent, the type of solvent and the concentration of the precursor are not particularly limited, and are selected optimally according to the purpose.

[4.2.3. 前駆体の酸化物への変換]
前駆体を吸着させた後、前駆体をSn含有酸化物に変換する。変換方法は、特に限定されるものではなく、前駆体の種類に応じて最適な方法を選択する。
例えば、前駆体として塩化物を用いる場合、塩化物を溶解させた溶液にメソポーラスカーボンを分散させ、空気中で攪拌する。攪拌を続けると、やがて塩化物がメソポーラスカーボンのメソ細孔内に吸着され、メソ細孔内の塩化物が溶存酸素により次第にSn含有酸化物となる。
[4.2.3. Conversion of precursor to oxide]
After adsorbing the precursor, the precursor is converted to a Sn-containing oxide. The conversion method is not particularly limited, and an optimum method is selected according to the type of precursor.
For example, when chloride is used as a precursor, mesoporous carbon is dispersed in a chloride-dissolved solution and stirred in the air. As the stirring is continued, the chlorides are eventually adsorbed into the mesopores of the mesoporous carbon, and the chlorides in the mesopores gradually become Sn-containing oxides due to dissolved oxygen.

また、例えば、前駆体としてアルコキシドを用いる場合、アルコキシド又はこれを溶解させた溶液をメソポーラスカーボンに添加し、メソ細孔内にアルコキシド又はその溶液を含浸させる。これを所定の温度に加熱すると、アルコキシドの重縮合が起こり、メソ細孔内にSn含有酸化物が生成する。
なお、1回の前駆体の吸着及びSn含有酸化物への変換により、メソ細孔内に十分な量のSn含有酸化物を形成することができないときは、吸着及び変換を複数回繰り返しても良い。
Further, for example, when an alkoxide is used as a precursor, the alkoxide or a solution in which the alkoxide is dissolved is added to the mesoporous carbon, and the mesopores are impregnated with the alkoxide or the solution. When this is heated to a predetermined temperature, polycondensation of the alkoxide occurs to form Sn-containing oxides in the mesopores.
If a sufficient amount of Sn-containing oxide cannot be formed in the mesopores by a single adsorption of the precursor and conversion to Sn-containing oxide, the adsorption and conversion may be repeated multiple times. good.

[4.3. 第3工程]
次に、Sn含有酸化物/カーボン複合体からカーボンを除去する(第3工程)。これにより、本発明に係る酸化スズ系粒子が得られる。
カーボンの除去方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。カーボンの除去方法としては、例えば、
(1)Sn含有酸化物/カーボン複合体を酸化雰囲気下で加熱する方法、
(2)Sn含有酸化物/カーボン複合体を酸素プラズマエッチングする方法、
などがある。
加熱温度、加熱時間などの除去条件は、特に限定されるものではなく、Sn含有酸化物の結晶子を粗大化させることなく、カーボンが完全に除去される条件であれば良い。
[4.3. Third step]
Next, carbon is removed from the Sn-containing oxide/carbon composite (third step). Thereby, the tin oxide-based particles according to the present invention are obtained.
A method for removing carbon is not particularly limited, and various methods can be used. Examples of carbon removal methods include:
(1) a method of heating a Sn-containing oxide/carbon composite in an oxidizing atmosphere;
(2) a method of oxygen plasma etching a Sn-containing oxide/carbon composite;
and so on.
Removal conditions such as heating temperature and heating time are not particularly limited as long as the carbon is completely removed without coarsening the crystallites of the Sn-containing oxide.

[5. 作用]
酸化スズ系粒子の表面にPt系微粒子が担持された電極触媒において、酸化スズ系粒子の微構造及び/又は組成を最適化すると、高比表面積と高ORR質量活性とを両立させることができる。特に、酸化スズ系粒子がメソ孔を備えている場合には、高比表面積でありながら、高いORR質量活性を示す。これは、メソ孔内にPt系微粒子が担持されることにより、アイオノマ被毒が低減するためと考えられる。
[5. action]
In an electrode catalyst in which Pt-based fine particles are supported on the surfaces of tin oxide-based particles, optimizing the microstructure and/or composition of the tin oxide-based particles can achieve both a high specific surface area and a high ORR mass activity. In particular, when the tin oxide-based particles have mesopores, they exhibit a high ORR mass activity while having a high specific surface area. It is considered that this is because the ionomer poisoning is reduced by supporting the Pt-based fine particles in the mesopores.

特に、連珠状構造を備えた多孔質カーボンを鋳型に用い、鋳型の細孔内にSn源を析出させると、高比表面積で、かつ、連珠状構造を備えた多孔質SnO2粒子が得られる。また、Sn源に適切な量のドーパントM(例えば、Sb)を添加すると、高い導電性を有する多孔質M-SnO2粒子が得られる。この多孔質M-SnO2粒子の表面にコロイド法を用いてPt又はPt合金を担持すると、多孔質M-SnO2粒子の比表面積が高いために、粒径が2~3nm程度のPt系微粒子をその表面に高分散に担持することができる。 In particular, when porous carbon with a beaded structure is used as a mold and the Sn source is deposited in the pores of the mold, porous SnO2 particles with a high specific surface area and a beaded structure can be obtained. . Also, adding an appropriate amount of dopant M (eg, Sb) to the Sn source results in porous M--SnO 2 particles with high electrical conductivity. When Pt or a Pt alloy is supported on the surface of the porous M-SnO 2 particles using a colloidal method, the porous M-SnO 2 particles have a high specific surface area, resulting in Pt-based fine particles having a particle size of about 2 to 3 nm. can be highly dispersedly supported on its surface.

このようにして得られた電極触媒は、担体の導電性が高いために、Pt系微粒子のORR面積比活性が高くなり、その結果として高いORR質量活性を示す。より具体的には、0.9VにおけるORR質量活性が150A/gPt以上であり、及び/又は、0.85VにおけるORR質量活性が650A/gPtである電極触媒が得られる。 In the electrode catalyst thus obtained, the Pt-based fine particles have a high ORR area specific activity due to the high conductivity of the carrier, and as a result exhibit a high ORR mass activity. More specifically, an electrocatalyst having an ORR mass activity of 150 A/g Pt or more at 0.9 V and/or an ORR mass activity of 650 A/g Pt at 0.85 V is obtained.

(実施例1~4)
[1. Sb-SnO2担体の作製]
[1.1. 連珠状メソポーラスシリカ(放射状細孔)の作製]
メタノール(MeOH):4.6g、及びエチレングリコール(EG):4.6gの混合溶媒に、30mass%塩化セチルトリメチルアンモニウム水溶液:56.3gを加え、室温で攪拌した。これに1M NaOH:8.8gを加え、50℃に加温した。以下、これを「第1溶液」という。
次に、MeOH:6.5g、及びEG:6.5gの混合溶媒にテトラエトキシシラン(TEOS):12.3gを溶解させた。以下、これを「第2溶液」という。
(Examples 1 to 4)
[1. Production of Sb—SnO 2 carrier]
[1.1. Production of bead-shaped mesoporous silica (radial pores)]
To a mixed solvent of methanol (MeOH): 4.6 g and ethylene glycol (EG): 4.6 g, 30 mass% cetyltrimethylammonium chloride aqueous solution: 56.3 g was added and stirred at room temperature. 1M NaOH:8.8g was added to this, and it heated at 50 degreeC. Hereinafter, this solution is referred to as "first solution".
Next, 12.3 g of tetraethoxysilane (TEOS) was dissolved in a mixed solvent of 6.5 g of MeOH and 6.5 g of EG. Hereinafter, this solution is referred to as "second solution".

50℃に加温された第1溶液に第2溶液を加えた。混合液が白濁した後、加温を停止し、さらに4時間以上攪拌した。ろ過と精製水への再分散とを2回繰り返した後、45℃で乾燥させた。さらに、乾燥粉を大気中、550℃×6h焼成し、連珠状メソポーラスシリカ(放射状細孔、CSS、Connected Starburst Silica)を得た。 The second solution was added to the first solution heated to 50°C. After the mixture became cloudy, the heating was stopped, and the mixture was further stirred for 4 hours or longer. After repeating filtration and re-dispersion in purified water twice, it was dried at 45°C. Further, the dried powder was calcined in the air at 550° C. for 6 hours to obtain a bead-shaped mesoporous silica (radial pores, CSS, Connected Starburst Silica).

[1.2. 連珠状メソポーラスカーボン(放射状細孔)の作製]
PFA製容器にCSS:0.5gを入れ、フルフリルアルコール(FA)をCSSの細孔容量分だけ加えて、CSSの細孔内に浸透させた。これを150℃×24h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の炭化を進めた。これを2回繰り返した後、さらに窒素雰囲気中で900℃×6h熱処理して、CSS/カーボン複合体を得た。
[1.2. Production of bead-shaped mesoporous carbon (radial pores)]
CSS: 0.5 g was placed in a container made of PFA, and furfuryl alcohol (FA) was added in an amount corresponding to the pore volume of the CSS and permeated into the pores of the CSS. By heat-treating this at 150° C. for 24 hours, FA was polymerized. Furthermore, this was heat-treated at 500° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere to promote carbonization of FA. After repeating this twice, heat treatment was further performed at 900° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere to obtain a CSS/carbon composite.

この複合体を12%HF溶液に4h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、連珠状メソポーラスカーボン(放射状細孔、CSC、Connected Starburst Carbon)を得た。得られた多孔体は、BET比表面積:2122m2/g、細孔容量:1.3mL/g、細孔径:2.2nmであった。 This composite was immersed in a 12% HF solution for 4 hours to dissolve the silica component. After the dissolution, filtration and washing were repeated, and the mixture was dried at 45° C. to obtain a bead-like mesoporous carbon (radial pores, CSC, Connected Starburst Carbon). The resulting porous body had a BET specific surface area of 2122 m 2 /g, a pore volume of 1.3 mL/g and a pore diameter of 2.2 nm.

[1.3. 連珠状メソポーラスSb-SnO2の作製]
濃塩酸(35mass%):4mLにSbCl3:0.03gを溶解し、精製水:36mLを加えて希釈した後、SnCl2:5.0gをさらに加えて溶解させた。この溶液に連珠状メソポーラスカーボン(CSC):0.1gを加えて分散させた。この分散液を空気中、室温で2h攪拌した後、精製水:200mLを追加して、さらに空気中で4h攪拌した。続いて、ろ過と精製水への再分散とを2回繰り返した後、45℃で乾燥し、連珠状Sb-SnO2/カーボン複合体を得た。
この連珠状Sb-SnO2/カーボン複合体を空気雰囲気中において、320℃×24h処理し、連珠状メソポーラスSb-SnO2(Sbドープ量:2.5at%)を得た。
[1.3. Preparation of renister-shaped mesoporous Sb—SnO 2 ]
0.03 g of SbCl 3 was dissolved in 4 mL of concentrated hydrochloric acid (35 mass%), diluted with 36 mL of purified water, and then 5.0 g of SnCl 2 was further added and dissolved. 0.1 g of bead-like mesoporous carbon (CSC) was added to this solution and dispersed. After this dispersion was stirred in the air at room temperature for 2 hours, 200 mL of purified water was added, and the mixture was further stirred in the air for 4 hours. Subsequently, filtration and re-dispersion in purified water were repeated twice, followed by drying at 45° C. to obtain a beaded Sb—SnO 2 /carbon composite.
This bead-shaped Sb--SnO 2 /carbon composite was treated in an air atmosphere at 320° C. for 24 hours to obtain bead-shaped mesoporous Sb--SnO 2 (Sb doping amount: 2.5 at %).

さらに、濃塩酸に溶解させるSbCl3量を0.06g、0.12g、又は0.18gとした以外は、上記と同様にして、Sbドープ量の異なる連珠状メソポーラスSb-SnO2(Sbドープ量:3.2at%、5.6at%、又は、8.1at%)を得た。なお、「Sbドープ量」とは、ICP分析により得られる値をいう。 Furthermore, in the same manner as described above, except that the amount of SbCl 3 dissolved in concentrated hydrochloric acid was changed to 0.06 g, 0.12 g, or 0.18 g, mesoporous Sb—SnO 2 with different Sb doping amounts (Sb doping amounts : 3.2 at %, 5.6 at %, or 8.1 at %). In addition, "the amount of Sb doping" means the value obtained by ICP analysis.

[2. 電極触媒の作製]
[2.1. 実施例1:ALD法によるPt/Sb-SnO2
ALD装置を用いて、Sb-SnO2担体粒子へのPt蒸着を行った。Pt前駆体には、MeCpPtMe3(メチルシクロペンタジエニルトリメチル白金)を用いた。Sb-SnO2担体粒子(Sbドープ量:2.5at%):100mgを入れた試料管を150℃、Pt前駆体を封入した容器を60℃にそれぞれマントルヒーターで加熱し、以下のALDサイクル(1~4)を18回繰り返すことで、Pt/Sb-SnO2(Pt担持率:35mass%)を得た。
1.Pt前駆体供給:MeCpPtMe3/Ar、50ccm、20min
2.パージ:Ar、200ccm、5min
3.Pt前駆体還元:H2、100ccm、5min
4.パージ:Ar、200ccm、5min
[2. Preparation of electrode catalyst]
[2.1. Example 1: Pt/Sb—SnO 2 by ALD method]
An ALD apparatus was used to deposit Pt on the Sb—SnO 2 carrier particles. MeCpPtMe 3 (methylcyclopentadienyltrimethylplatinum) was used as the Pt precursor. Sb—SnO 2 carrier particles (Sb doping amount: 2.5 at %): A sample tube containing 100 mg was heated to 150° C., and a container containing a Pt precursor was heated to 60° C. with a mantle heater. 1 to 4) were repeated 18 times to obtain Pt/Sb—SnO 2 (Pt loading rate: 35 mass%).
1. Pt precursor supply: MeCpPtMe3 /Ar, 50ccm, 20min
2. Purge: Ar, 200ccm, 5min
3. Pt precursor reduction: H2, 100 ccm, 5 min
4. Purge: Ar, 200ccm, 5min

[2.2. 実施例2:コロイド法によるPt/Sb-SnO2(1)]
0.4M NaOH/EG溶液:6mLと、0.04mM H2PtCl6/EG溶液:6mLとを混合した。この混合液をマイクロ波合成装置(Monowabe 400, Anton Paar社製)で攪拌しながら160℃で3min加熱することで、Ptナノ粒子コロイド溶液を得た。
次に、Ptナノ粒子コロイド溶液:6mLに、Sb-SnO2担体粒子(Sbドープ量:2.5at%):94mgを加え、室温で2h攪拌した。続いて、1M HNO3:0.15mLを加え、室温で1h攪拌する操作を2回繰り返した。さらに、1M HNO3:0.375mLを加え、室温で1h攪拌した。その後、ろ過と精製水への再分散とを2回繰り返した。固形物に対して70℃で真空乾燥を行い、Pt/Sb-SnO2(Pt担持率:20mass%)を得た。
[2.2. Example 2: Pt/Sb—SnO 2 (1)] by colloid method
0.4 M NaOH/EG solution: 6 mL and 0.04 mM H 2 PtCl 6 /EG solution: 6 mL were mixed. This mixed solution was heated at 160° C. for 3 minutes with stirring in a microwave synthesizer (Monowabe 400, manufactured by Anton Paar) to obtain a Pt nanoparticle colloidal solution.
Next, 94 mg of Sb—SnO 2 carrier particles (Sb doping amount: 2.5 at %) was added to 6 mL of the Pt nanoparticle colloidal solution, and the mixture was stirred at room temperature for 2 hours. Subsequently, an operation of adding 0.15 mL of 1 M HNO 3 and stirring at room temperature for 1 h was repeated twice. Further, 0.375 mL of 1M HNO 3 was added and stirred at room temperature for 1 hour. Thereafter, filtration and redispersion in purified water were repeated twice. The solid was vacuum-dried at 70° C. to obtain Pt/Sb—SnO 2 (Pt loading rate: 20 mass %).

[2.3. 実施例3:コロイド法によるPt/Sb-SnO2(2)]
Sb-SnO2担体粒子(Sbドープ量:2.5at%)に代えて、Sb-SnO2担体粒子(Sbドープ量:5.6at%)を用いた以外は実施例2と同様にして、Pt/Sb-SnO2(Pt担持率:20mass%)を得た。
[2.3. Example 3: Pt/Sb--SnO 2 by colloidal method (2)]
Pt _ /Sb-SnO 2 (Pt loading rate: 20 mass%) was obtained.

[2.4. 実施例4:コロイド法によるPt/Sb-SnO2(3)]
Sb-SnO2担体粒子(Sbドープ量:2.5at%)に代えて、Sb-SnO2担体粒子(Sbドープ量:5.6at%)を用い、Ptナノ粒子コロイド溶液の量を10mLとした以外は実施例2と同様にして、Pt/Sb-SnO2(Pt担持率:30mass%)を得た。
[2.4. Example 4: Pt/Sb—SnO 2 (3)] by colloid method
Sb—SnO 2 carrier particles (Sb doping amount: 5.6 at%) were used instead of Sb—SnO 2 carrier particles (Sb doping amount: 2.5 at%), and the amount of the Pt nanoparticle colloidal solution was 10 mL. Pt/Sb—SnO 2 (Pt loading rate: 30 mass %) was obtained in the same manner as in Example 2 except for this.

[3. 試験方法]
[3.1. 連珠状メソポーラスSb-SnO2の評価]
[3.1.1. N2吸着測定]
作製した連珠状メソポーラスSb-SnO2について、N2吸着測定を行った。N2吸着等温線からBJH法により細孔径分布を求め、モード細孔径(細孔径の最頻値)をその試料の細孔径とした。
[3. Test method]
[3.1. Evaluation of Renaissance Mesoporous Sb—SnO 2 ]
[3.1.1. N2 adsorption measurement]
N 2 adsorption measurement was carried out on the prepared bead-like mesoporous Sb—SnO 2 . The pore size distribution was determined from the N 2 adsorption isotherm by the BJH method, and the mode pore size (mode of pore size) was defined as the pore size of the sample.

[3.1.2. 導電率測定]
作製した連珠状メソポーラスSb-SnO2について、導電率測定を行った。導電率の測定は、圧粉体を作製し、これに2.4MPaの圧力をかけながら直流電流を流した時の電圧値を計測することにより行った。
[3.1.2. conductivity measurement]
Conductivity measurement was performed on the manufactured bead-like mesoporous Sb—SnO 2 . The electrical conductivity was measured by preparing a powder compact and measuring the voltage value when a direct current was applied to it while applying a pressure of 2.4 MPa.

[3.2. Pt/Sb-SnO2の評価]
[3.2.1. SEM観察]
作製したPt/Sb-SnO2について、SEM観察を行った。
[3.2.2. XRD測定]
作製したPt/Sb-SnO2について、XRD測定を行った。
[3.2. Evaluation of Pt/Sb—SnO 2 ]
[3.2.1. SEM observation]
SEM observation was performed on the Pt/Sb--SnO 2 produced.
[3.2.2. XRD measurement]
XRD measurement was performed on the produced Pt/Sb--SnO 2 .

[3.2.3. 電気化学評価]
作製したPt/Sb-SnO2について、回転ディスク電極(RDE)法による電気化学測定を行った。RDE測定は、0.1M過塩素酸中、室温で行った。Arでパージした電解液中で記録したサイクリックボルタモグラムの水素吸脱着ピークの電荷量から、Ptの電気化学表面積(ECSA)を算出した。
また、O2で飽和させた電解液中でリニアスイープボルタンメトリー(20mV/s、正方向掃引)を行った。得られたボルタモグラムに対して、バックグラウンド補正、溶液抵抗補正、及び、限界電流補正を行うことで、0.9V又は0.85V(可逆水素電極(RHE)基準)におけるORR活性を求めた。なお、ORR活性は、Pt質量当たりの活性(質量活性、MA)と、Pt表面積当たりの活性(比活性、SA)とを算出した。
[3.2.3. Electrochemical evaluation]
The produced Pt/Sb--SnO 2 was subjected to electrochemical measurement by the rotating disk electrode (RDE) method. RDE measurements were performed at room temperature in 0.1 M perchloric acid. The electrochemical surface area (ECSA) of Pt was calculated from the amount of charge at the hydrogen adsorption/desorption peak of the cyclic voltammogram recorded in the Ar-purged electrolyte.
Linear sweep voltammetry (20 mV/s, forward sweep) was also performed in the electrolyte saturated with O 2 . ORR activity at 0.9 V or 0.85 V (reversible hydrogen electrode (RHE) standard) was determined by performing background correction, solution resistance correction, and limiting current correction on the obtained voltammogram. For the ORR activity, activity per Pt mass (mass activity, MA) and activity per Pt surface area (specific activity, SA) were calculated.

[4. 結果]
[4.1. 連珠状メソポーラスSb-SnO2の評価]
表1に、連珠状メソポーラスSb-SnO2のSbドープ量、比表面積、細孔径、及び導電率を示す。導電率は、Sbドープ量が5.6at%の時に最も高くなることが分かった。他方、Sbドープ量が8.1at%である粒子は、比表面積が他の粒子よりやや大きいが、細孔径については他の粒子との間に顕著な差は見られなかった。
[4. result]
[4.1. Evaluation of Renaissance Mesoporous Sb—SnO 2 ]
Table 1 shows the Sb doping amount, specific surface area, pore size, and electrical conductivity of the renister-shaped mesoporous Sb—SnO 2 . It was found that the electrical conductivity was highest when the Sb doping amount was 5.6 at %. On the other hand, the particles with the Sb doping amount of 8.1 at % had a slightly larger specific surface area than the other particles, but there was no significant difference in pore size from the other particles.

Figure 2022158480000002
Figure 2022158480000002

[4.2. Pt/Sb-SnO2の評価]
[4.2.1. SEM観察]
図1に、実施例1(ALD法)で得られたPt/Sb-SnO2のSEM像(反射電子像)を示す。図2に、実施例2(コロイド法)で得られたPt/Sb-SnO2のSEM像(反射電子像)を示す。図1及び図2より、ALD法及びコロイド法のいずれの担持方法を用いた場合であっても、2~3nm程度のPtナノ粒子がSb-SnO2担体上に高分散に担持されている様子が分かる。
[4.2. Evaluation of Pt/Sb—SnO 2 ]
[4.2.1. SEM observation]
FIG. 1 shows an SEM image (backscattered electron image) of the Pt/Sb—SnO 2 obtained in Example 1 (ALD method). FIG. 2 shows an SEM image (backscattered electron image) of the Pt/Sb—SnO 2 obtained in Example 2 (colloid method). 1 and 2, Pt nanoparticles of about 2 to 3 nm are highly dispersed on the Sb—SnO 2 support regardless of whether the ALD method or the colloid method is used. I understand.

[4.2.2. XRD測定]
図3に、実施例1(ALD法)及び実施例3(コロイド法)で得られたPt/Sb-SnO2のXRDパターンを示す。コロイド法でPtを担持した電極触媒(実施例3)では、Pt(200)由来の回折ピークが2θ=47°付近に確認できる。他方、ALD法でPtを担持した電極触媒(実施例1)では、これに対応するピークが低角側にシフトしており、PtSb3に帰属されるピークであることが分かった。このことより、ALD法を用いた場合、担体表面にPtが担持されるとと同時に、Ptと担体のSnとの合金化が進むことが分かった。
[4.2.2. XRD measurement]
FIG. 3 shows the XRD patterns of Pt/Sb—SnO 2 obtained in Example 1 (ALD method) and Example 3 (colloid method). In the electrode catalyst supporting Pt by the colloidal method (Example 3), a diffraction peak derived from Pt (200) can be confirmed near 2θ=47°. On the other hand, in the electrode catalyst supporting Pt by the ALD method (Example 1), the peak corresponding to this shifts to the lower angle side, and it was found to be a peak attributed to PtSb 3 . From this, it was found that when the ALD method was used, Pt was supported on the surface of the carrier and alloying of Pt and Sn of the carrier proceeded at the same time.

[3.2.3. 電気化学評価]
図4に、実施例2及び実施例3で得られたPt/Sb-SnO2のサイクリックボルタモグラムを示す。実施例2(Sbドープ量:2.5at%、コロイド法)と実施例3(Sbドープ量:5.6at%、コロイド法)とを比較すると、0.6V以下では両者に違いは見られなかった。しかし、0.6V以上のPt酸化還元由来のピークについては、実施例2(Sbドープ量:2.5at%)の方が実施例3(Sbドープ量:5.6at%)より小さくなった。これは、Sbドープ量が少ない場合、高電位領域において担体の電子伝導性が低下し、電気化学的に使用可能なPt粒子の割合が低下していることを示している。
[3.2.3. Electrochemical evaluation]
FIG. 4 shows cyclic voltammograms of Pt/Sb—SnO 2 obtained in Examples 2 and 3. FIG. Comparing Example 2 (Sb doping amount: 2.5 at%, colloidal method) and Example 3 (Sb doping amount: 5.6 at%, colloidal method), no difference was observed at 0.6 V or less. rice field. However, the Pt oxidation-reduction peak of 0.6 V or more was smaller in Example 2 (Sb doping amount: 2.5 at %) than in Example 3 (Sb doping amount: 5.6 at %). This indicates that when the Sb doping amount is small, the electron conductivity of the carrier is lowered in the high potential region, and the proportion of electrochemically usable Pt particles is lowered.

表2に、実施例1~4のPt/Sb-SnO2の担体物性、Pt担持率、及び電気化学評価結果を示す。実施例1(ALD法)は、ECSA、SA、及びMAのいずれも、最も低い値となった。これは、ALD法を用いてPtを担持した場合、Ptが担体のSnと合金化したことによるものと考えられる。一般に、Pt合金は純Ptと比較して水素吸着量が少なく、サイクリックボルタモグラムの水素吸脱着ピークからECSAを見積もると、低い値が得られることが知られている。また、ORR活性についても、合金化により低下したものと考えられる。従って、連珠状メソポーラスSb-SnO2へのPt担持法としては、ALD法よりもコロイド法の方が適していることが分かった。 Table 2 shows the physical properties of the Pt/Sb--SnO 2 supports of Examples 1 to 4, the Pt loading ratio, and the electrochemical evaluation results. Example 1 (ALD method) showed the lowest ECSA, SA, and MA values. This is considered to be due to the alloying of Pt with Sn of the support when Pt was supported using the ALD method. It is known that a Pt alloy generally has a smaller amount of hydrogen adsorption than pure Pt, and a low ECSA value is obtained when estimating the ECSA from the hydrogen adsorption/desorption peak of a cyclic voltammogram. Moreover, it is considered that the ORR activity also decreased due to the alloying. Therefore, it was found that the colloid method is more suitable than the ALD method for supporting Pt on the renister-like mesoporous Sb—SnO 2 .

コロイド法で担持した電極触媒の中では、担体のSbドープ量が5.6at%である実施例3、4のMAは、担体のSbドープ量が2.5at%である実施例2のそれよりも15%程度高い値となった。これは、Sbドープ量が少ない場合、0.6V以上の領域で担体の電子伝導性が低下することによると考えられる。Pt担持率の違い(実施例3と実施例4)によるMAの差は認められなかった。 Among the electrocatalysts supported by the colloidal method, the MA of Examples 3 and 4, in which the Sb-doping amount of the support was 5.6 at%, was higher than that of Example 2, in which the Sb-doping amount of the support was 2.5 at%. was also about 15% higher. It is considered that this is because the electron conductivity of carriers decreases in the region of 0.6 V or higher when the Sb doping amount is small. No difference in MA due to the difference in Pt loading ratio (Examples 3 and 4) was observed.

Figure 2022158480000003
Figure 2022158480000003

表3に、実施例3で得られたPt/Sb-SnO2と、非特許文献2~6に報告されているPt/M-SnO2(M=Sb、Nb、Ta)とのECSA及びORR活性の比較を示す。実施例3のORR質量活性(MA)は、非特許文献2~5で報告されているPt/M-SnO2のMAよりも3倍以上高い。
また、非特許文献6のPt/Ta-SnO2については、実施例3よりも1割程度高いMAが報告されている。しかし、非特許文献6のTa-SnO2担体の比表面積は、実施例3で用いたSb-SnO2担体の比表面積の1/6である。
従って、M-SnO2担体の比表面積が30m2/g以上、かつ、ORR質量活性が150A/g(@0.9V)又は650A/g(@0.85V)であるPt/M-SnO2触媒はこれまでに報告例がなく、本発明により初めて達成されたものである。
Table 3 shows the ECSA and ORR of Pt/Sb--SnO 2 obtained in Example 3 and Pt/M--SnO 2 (M=Sb, Nb, Ta) reported in Non-Patent Documents 2-6. A comparison of activities is shown. The ORR mass activity (MA) of Example 3 is more than three times higher than the MA of Pt/M-SnO 2 reported in Non-Patent Documents 2-5.
Also, regarding Pt/Ta--SnO 2 in Non-Patent Document 6, the MA is reported to be about 10% higher than that of Example 3. However, the specific surface area of the Ta--SnO 2 support of Non-Patent Document 6 is 1/6 of the specific surface area of the Sb--SnO 2 support used in Example 3.
Therefore, Pt/M-SnO 2 in which the M-SnO 2 support has a specific surface area of 30 m 2 /g or more and an ORR mass activity of 150 A/g (@ 0.9 V) or 650 A/g (@ 0.85 V). The catalyst has not been reported so far and has been achieved for the first time by the present invention.

Figure 2022158480000004
Figure 2022158480000004

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is by no means limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る電極触媒は、固体高分子形燃料電池の空気極触媒層の電極触媒、あるいは、燃料極触媒層の電極触媒として用いることができる。 The electrode catalyst according to the present invention can be used as an electrode catalyst for an air electrode catalyst layer or an electrode catalyst for an anode catalyst layer of a solid polymer fuel cell.

Claims (8)

以下の構成を備えた電極触媒。
(1)前記電極触媒は、
比表面積が30m2/g以上である酸化スズ系粒子と、
前記酸化スズ系粒子に担持されたPt系微粒子と
を備えている。
(2)前記電極触媒は、
0.9Vにおける酸素還元反応質量活性が150A/gPt以上であり、及び/又は、
0.85Vにおける酸素還元反応質量活性が650A/gPt以上である。
An electrocatalyst having the following composition.
(1) the electrode catalyst,
tin oxide-based particles having a specific surface area of 30 m 2 /g or more;
and Pt-based fine particles supported on the tin oxide-based particles.
(2) the electrode catalyst,
The oxygen reduction reaction mass activity at 0.9 V is 150 A/g Pt or more, and/or
The oxygen reduction reaction mass activity at 0.85 V is 650 A/g Pt or more.
前記酸化スズ系粒子は、その内部に細孔径が50nm以下である細孔を持つ請求項1に記載の電極触媒。 2. The electrode catalyst according to claim 1, wherein the tin oxide-based particles have pores with a pore diameter of 50 nm or less inside. 前記酸化スズ系粒子は、Sb、Nb、Ta、及び/又は、WがドープされたSnO2からなる請求項1又は2に記載の電極触媒。 The electrocatalyst according to claim 1 or 2 , wherein the tin oxide-based particles are made of SnO2 doped with Sb, Nb, Ta and/or W. 前記酸化スズ系粒子は、SbがドープされたSnO2からなり、
前記Sbのドープ量は、2.5at%以上15.0at%以下である
請求項1から3までのいずれか1項に記載の電極触媒。
The tin oxide-based particles are made of SnO 2 doped with Sb,
4. The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the doping amount of said Sb is 2.5 atomic % or more and 15.0 atomic % or less.
前記酸化スズ系粒子は、圧粉体の導電率が1×10-3S/cm以上である請求項1から4までのいずれか1項に記載の電極触媒。 5. The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein the tin oxide-based particles have an electrical conductivity of 1 x 10-3 S/cm or more in a powder compact. 前記酸化スズ系粒子は、多孔質の一次粒子が数珠状に融着している構造(連珠状構造)を備えている請求項1から5までのいずれか1項に記載の電極触媒。 6. The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein the tin oxide-based particles have a structure in which porous primary particles are fused in a beaded shape (a beaded structure). 前記酸化スズ系粒子の細孔径は、1nm以上20nm以下である請求項1から6までのいずれか1項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 6, wherein the tin oxide particles have a pore size of 1 nm or more and 20 nm or less. 前記Pt系粒子の平均粒径は、5nm以下である請求項1から7までのいずれか1項に記載の電極触媒。 8. The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 7, wherein the Pt-based particles have an average particle size of 5 nm or less.
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