JP2023171977A - Electrode catalyst, manufacturing method thereof, and fuel battery - Google Patents

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Abstract

To provide an electrode catalyst which can exhibit a satisfactory performance when being used in a fuel battery.SOLUTION: An electrode catalyst comprises: a catalyst component including a first transition metal M1 and a second transition metal M2 as constituent elements; and a conductive material. The electrode catalyst is in the form of a particle containing the first transition metal M1, the second transition metal M2, carbon, hydrogen, nitrogen and sulfur as constituent elements, of which the hydrogen and nitrogen contents are both smaller than 1%. On the surface of the particle, sulfide of the first transition metal M1 and the second transition metal M2 in the form of metal are observed.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、電極触媒およびその製造方法、並びに、これにより得られる燃料電池に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst, a method for producing the same, and a fuel cell obtained thereby.

従来、燃料電池用電極触媒としては、一般的にアノードとカソードいずれも白金触媒が幅広く利用されてきたが、白金触媒は高価かつ枯渇資源であることから、その代替触媒の開発が盛んに研究されてきた。 Conventionally, platinum catalysts have generally been widely used as electrode catalysts for fuel cells for both anodes and cathodes, but since platinum catalysts are expensive and a depletable resource, the development of alternative catalysts has been actively researched. It's here.

白金等の金属触媒の量を減少させるためには、単位金属あたりの触媒活性を最大限に引き出すことが考えられ、そのためには有機金属錯体を用いることが検討された(特許文献1)。また、硫黄を含む金属硫化物などは、アノードとカソード触媒の両方の優れた触媒として報告されている(特許文献2、非特許文献1及び2)。金属硫化物は、金属の種類や金属と硫黄の比率によりその触媒活性が変化する。そのような観点から、異なる2種類以上の金属と硫黄を含む触媒も、同様に幅広く研究されている(非特許文献3-5)。 In order to reduce the amount of metal catalyst such as platinum, it has been considered to maximize the catalytic activity per unit metal, and for this purpose, the use of organometallic complexes has been considered (Patent Document 1). Furthermore, metal sulfides containing sulfur have been reported as excellent catalysts for both anode and cathode catalysts (Patent Document 2, Non-Patent Documents 1 and 2). The catalytic activity of metal sulfides varies depending on the type of metal and the ratio of metal to sulfur. From this point of view, catalysts containing two or more different metals and sulfur have also been widely studied (Non-Patent Documents 3-5).

また、無機金属塩及び有機金属錯体から選択される前駆体を焼成して得られた含窒素カーボンアロイが燃料電池用触媒として用いられることが知られている(特許文献3)。このようにして得られる一連のカーボンアロイについてはその構造が詳細に検討されている。例えば、非特許文献6には、鉄フタロシアニンとフェノール樹脂とからなる前駆体を焼成して得られるカーボンアロイ触媒(Carbon Alloy Catalyst、および、これについての放射光解析結果が示されている。 Furthermore, it is known that a nitrogen-containing carbon alloy obtained by firing a precursor selected from inorganic metal salts and organic metal complexes can be used as a fuel cell catalyst (Patent Document 3). The structures of a series of carbon alloys obtained in this way have been studied in detail. For example, Non-Patent Document 6 describes a carbon alloy catalyst obtained by firing a precursor made of iron phthalocyanine and a phenol resin, and the results of synchrotron radiation analysis thereof.

国際公開第2010/143663号International Publication No. 2010/143663 特開2007-87827号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-87827 国際公開第2016/035705号International Publication No. 2016/035705

International J.of Hydrogen Energy,2017,42,14253-14263International J. of Hydrogen Energy, 2017, 42, 14253-14263 J.Electrochem.Soc.,2015,162,F455-F462.J. Electrochem. Soc. , 2015, 162, F455-F462. J.Appl.Electrochem,2016,46,497-503J. Appl. Electrochem, 2016, 46, 497-503 J.Power.Source,2016,334,112-119J. Power. Source, 2016, 334, 112-119 Electrochica Acta,2000,45,4237-4250Electrochica Acta, 2000, 45, 4237-4250 表面科学, Vol. 32, No. 11, pp. 716-722, 2011Surface Science, Vol. 32, No. 11, pp. 716-722, 2011

有機金属錯体や金属硫化物を用いてなる従来の燃料電池用電極触媒は、依然として燃料電池として用いるには十分な性能を有しておらず、さらなる性能の向上が求められている。そこで、本発明は、燃料電池として用いたときに十分な性能を発揮することのできる電極触媒を提供することを目的とする。 Conventional electrode catalysts for fuel cells using organometallic complexes and metal sulfides still do not have sufficient performance for use as fuel cells, and further improvement in performance is required. Therefore, an object of the present invention is to provide an electrode catalyst that can exhibit sufficient performance when used as a fuel cell.

本発明者らは、上記課題を検討した結果、2種類の異なる金属イオンが硫黄により架橋された金属錯体に乾留と呼ばれる熱処理の一種の技術を施すことにより、2種類の金属と硫黄が残存した不均一系触媒(乾留触媒)が生成することを見出した。さらに、その乾留触媒のうち、水素及び窒素の含有量が一定の範囲内にあるものが、当該乾留触媒を与える金属錯体と比べ触媒性能が大きく向上すること、該触媒が水素-酸素燃料電池のアノードとカソード両方の電極触媒として機能することを確認し、本発明を完成させた。 As a result of studying the above-mentioned problems, the present inventors found that by applying a type of heat treatment technique called carbonization to a metal complex in which two different metal ions were cross-linked with sulfur, two types of metals and sulfur remained. It was found that a heterogeneous catalyst (carbonization catalyst) was produced. Furthermore, among the carbonization catalysts, those whose hydrogen and nitrogen contents are within a certain range have significantly improved catalytic performance compared to metal complexes that provide the carbonization catalysts, and that the catalysts can be used in hydrogen-oxygen fuel cells. The present invention was completed by confirming that it functions as an electrode catalyst for both the anode and cathode.

すなわち、本発明は以下の[1]~[15]に関する。
[1]
第1の遷移金属M1および第2の遷移金属M2を構成元素として含む触媒成分と導電性材料とを含む電極触媒であって、
第1の遷移金属M1、第2の遷移金属M2、炭素、水素、窒素および硫黄を構成元素として含み、かつ、水素の含有量および窒素の含有量がともに1重量%未満である粒子であり、
当該粒子の表面に第1の遷移金属の硫化物と金属態の第2の遷移金属が観測される電極触媒。
That is, the present invention relates to the following [1] to [15].
[1]
An electrode catalyst comprising a catalyst component containing a first transition metal M1 and a second transition metal M2 as constituent elements and a conductive material,
Particles containing a first transition metal M1, a second transition metal M2, carbon, hydrogen, nitrogen and sulfur as constituent elements, and in which the hydrogen content and nitrogen content are both less than 1% by weight,
An electrode catalyst in which a sulfide of a first transition metal and a second transition metal in a metallic state are observed on the surface of the particles.

[2]
前記第1の遷移金属M1が、Ni,Mn、Fe、Co、Cu、およびZnからなる群より選ばれるいずれかであり、
前記第2の遷移金属M2が、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、およびPtからなる群より選ばれるいずれかである、前記[1]に記載の電極触媒。
[2]
The first transition metal M1 is one selected from the group consisting of Ni, Mn, Fe, Co, Cu, and Zn,
The electrode catalyst according to [1] above, wherein the second transition metal M2 is any one selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, and Pt.

[3]
前記第1の遷移金属M1が、Niであり、
前記第2の遷移金属M2が、Ru、Rh、およびIrからなる群より選ばれるいずれかである、前記[1]に記載の電極触媒。
[3]
the first transition metal M1 is Ni,
The electrode catalyst according to [1] above, wherein the second transition metal M2 is any one selected from the group consisting of Ru, Rh, and Ir.

[4]
前記導電性材料が、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、およびカーボンフィブリルからなる群より選ばれるいずれかである、前記[1]~[3]のいずれかに記載の電極触媒。
[4]
The conductive material is acetylene black, Vulcan, Ketjen black, black pearl, graphitized acetylene black, graphitized Vulcan, graphitized Ketjen black, graphitized black pearl, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and carbon. The electrode catalyst according to any one of [1] to [3] above, which is selected from the group consisting of fibrils.

[5]
下記工程1aおよび2aを含む、電極触媒の製造方法:
工程1a:下記式(1)
[5]
A method for producing an electrode catalyst, including the following steps 1a and 2a:
Step 1a: Formula (1) below

Figure 2023171977000002
(式(1)において、Mは、RuII、RhIIIまたはIrIIIである。Lはヘキサメチルベンゼン基またはペンタメチルシクロペンタジエニル基を表す。Xは、ハロゲン原子または水素原子、ヒドリドイオンを表し、Xが水素原子、ヒドリドイオンの場合、XはNiIIとブリッジを形成していても良い。Yは、ハロゲン原子またはH2Oを表す。l、mおよびnは、それぞれ独立して2~4の整数である。Rはそれぞれ独立して、炭素数1~5のアルキル基である。zは錯体の電荷を表し、0または2+である。)で表される金属錯体を導電性材料と混合し、混合物を得る工程;並びに、
工程2a:前記工程1aで得られた混合物を乾留させる工程。
Figure 2023171977000002
(In formula (1), M is Ru II , Rh III or Ir III . L represents a hexamethylbenzene group or a pentamethylcyclopentadienyl group. X represents a halogen atom, a hydrogen atom, or a hydride ion. and when X is a hydrogen atom or a hydride ion, X may form a bridge with Ni II . Y represents a halogen atom or H 2 O. l, m and n each independently represent 2 An integer of ~4.R is each independently an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms.z represents the charge of the complex and is 0 or 2+. and obtaining a mixture; and
Step 2a: A step of carbonizing the mixture obtained in step 1a.

[6]
前記工程2aが、真空下かつ100~800℃の温度で行われる、前記[5]に記載の製造方法。
[6]
The manufacturing method according to [5] above, wherein the step 2a is performed under vacuum at a temperature of 100 to 800°C.

[7]
前記温度が300~800℃の範囲内である、前記[6]に記載の製造方法。
[8]
前記真空が、真空度10~20Paである、前記[6]または[7]に記載の製造方法。
[7]
The manufacturing method according to item [6] above, wherein the temperature is within a range of 300 to 800°C.
[8]
The manufacturing method according to [6] or [7], wherein the vacuum has a degree of vacuum of 10 to 20 Pa.

[9]
前記導電性材料が、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、およびカーボンフィブリルからなる群より選ばれるいずれかである、前記[5]~[8]のいずれかに記載の製造方法。
[9]
The conductive material is acetylene black, Vulcan, Ketjen black, black pearl, graphitized acetylene black, graphitized Vulcan, graphitized Ketjen black, graphitized black pearl, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and carbon. The manufacturing method according to any one of [5] to [8] above, wherein the method is one selected from the group consisting of fibrils.

[10]
前記[8]に記載の製造方法で得られた電極触媒。
[11]
前記[1]~[4],[10]のいずれかに記載の電極触媒を含む燃料電池用電極。
[10]
An electrode catalyst obtained by the production method described in [8] above.
[11]
A fuel cell electrode comprising the electrode catalyst according to any one of [1] to [4] and [10].

[12]
カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置されたプロトン伝導膜とを有する膜電極接合体であって、カソードとアノードとからなる群より選ばれるいずれか1以上が前記[11]に記載の燃料電池用電極である膜電極接合体。
[12]
A membrane electrode assembly comprising a cathode, an anode, and a proton conductive membrane disposed between the cathode and the anode, wherein at least one selected from the group consisting of the cathode and the anode is the [11 ] A membrane electrode assembly which is an electrode for a fuel cell.

[13]
前記[12]に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。
[14]
前記[11]に記載の燃料電池用電極を、カソード、アノード、または、カソードとアノードとの両方として有する燃料電池。
[13]
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to [12] above.
[14]
A fuel cell comprising the fuel cell electrode according to [11] above as a cathode, an anode, or both a cathode and an anode.

[15]
水素-酸素型燃料電池である前記[13]または[14]に記載の燃料電池。
[15]
The fuel cell according to [13] or [14] above, which is a hydrogen-oxygen fuel cell.

本発明によれば、燃料電池として用いたときに十分な性能を発揮することができ、且つ、アノードとカソードの両方に用いることができる電極触媒を提供することができる。また、本発明の触媒を用いることで、水素と酸素を用いた触媒反応を広範囲に制御できる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrode catalyst that can exhibit sufficient performance when used as a fuel cell and can be used for both an anode and a cathode. Furthermore, by using the catalyst of the present invention, catalytic reactions using hydrogen and oxygen can be controlled over a wide range.

図1は、[NiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]とカーボンブラックの混合物の示差熱-熱重量同時測定TG-DSC曲線を示す。FIG. 1 shows a TG-DSC curve of a mixture of [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ] and carbon black, which was simultaneously measured by differential thermogravimetry. 図2は、[NiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]及びそのカーボンブラックの混合物及びNiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]から合成した乾留触媒のX線光電子分光(XPS)スペクトルを示す。FIG. 2 shows a mixture of [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ] and its carbon black and Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ]. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectrum of the carbonization catalyst synthesized from 図3は、[NiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]、そのカーボンブラックの混合物及びNiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]から合成した乾留触媒及びカーボンブラックのX線回折(XRD)パターンを示す。FIG. 3 shows [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ], its carbon black mixture and Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ]. The X-ray diffraction (XRD) pattern of the carbon black and carbon black synthesized from 図4は、[NiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]及びそのカーボンブラックの混合物及びNiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]から合成した乾留触媒の元素分析と熱重量分析(TG)の結果を示す。FIG. 4 shows a mixture of [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ] and its carbon black and Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ]. The results of elemental analysis and thermogravimetric analysis (TG) of the carbonization catalyst synthesized from 図5は、[NiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]及びそのカーボンブラックの混合物及びNiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]から合成した乾留触媒の(走査型)透過電子顕微鏡((S)TEM)観察、及びエネルギー分散型X線分光法(EDS)マッピングの結果を示す。FIG. 5 shows a mixture of [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ] and its carbon black and Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ]. The results of (scanning) transmission electron microscopy ((S)TEM) observation and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping of the carbonization catalyst synthesized from 図6は、水素-酸素燃料電池評価に用いた燃料電池の構成を表す。FIG. 6 shows the configuration of a fuel cell used for hydrogen-oxygen fuel cell evaluation. 図7は、600 ℃で作成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池評価実験の結果を示す。Figure 7 shows the results of a hydrogen-oxygen fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst prepared at 600°C as an anode electrode catalyst. 図8は、600 ℃で作成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池評価実験の結果を示す。Figure 8 shows the results of a hydrogen-oxygen fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst prepared at 600°C as a cathode electrode catalyst. 図9は、ニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池評価実験の乾留温度依存の結果を示す。FIG. 9 shows the carbonization temperature dependence results of a hydrogen-oxygen fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst as an anode electrode catalyst. 図10は、ニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池評価実験の乾留温度依存の結果を示す。FIG. 10 shows the carbonization temperature dependence results of a hydrogen-oxygen fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst as a cathode electrode catalyst. 図11は、600 ℃で作成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノードとカソード両方の電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池評価実験の結果を示す。FIG. 11 shows the results of a hydrogen-oxygen fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst prepared at 600° C. as both the anode and cathode electrode catalysts. 図12は、[NiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]及びそのカーボンブラックの混合物をアノード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のターフェルプロットの結果を示す。FIG. 12 shows the results of a Tafel plot of a hydrogen-oxygen fuel cell using a mixture of [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ] and its carbon black as an anode electrode catalyst. 図13は、600 ℃で作成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のターフェルプロットの結果を示す。FIG. 13 shows the Tafel plot results of a hydrogen-oxygen fuel cell using a nickel-rhodium carbonization catalyst prepared at 600° C. as an anode electrode catalyst. 図14は、[NiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]及びそのカーボンブラックの混合物をカソード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のターフェルプロットの結果を示す。FIG. 14 shows the results of a Tafel plot of a hydrogen-oxygen fuel cell using a mixture of [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ] and its carbon black as a cathode electrode catalyst. 図15は、600 ℃で作成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のターフェルプロットの結果を示す。FIG. 15 shows the Tafel plot results of a hydrogen-oxygen fuel cell using a nickel-rhodium carbonization catalyst prepared at 600° C. as a cathode electrode catalyst. 図16は、[NiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]及びそのカーボンブラックの混合物をアノード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のインピーダンススペクトルを示す。FIG. 16 shows the impedance spectrum of a hydrogen-oxygen fuel cell using a mixture of [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ] and its carbon black as an anode electrode catalyst. 図17は、600 ℃で作成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のインピーダンススペクトルを示す。FIG. 17 shows the impedance spectrum of a hydrogen-oxygen fuel cell using a nickel-rhodium carbonization catalyst prepared at 600° C. as an anode electrode catalyst. 図18は、[NiIICl(N22)RhIIIClη5-C5Me5]及びそのカーボンブラックの混合物をカソード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のインピーダンススペクトルを示す。FIG. 18 shows the impedance spectrum of a hydrogen-oxygen fuel cell using a mixture of [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Clη 5 -C 5 Me 5 ] and its carbon black as a cathode electrode catalyst. 図19は、600 ℃で作成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のインピーダンススペクトルを示す。FIG. 19 shows the impedance spectrum of a hydrogen-oxygen fuel cell using a nickel-rhodium carbonization catalyst prepared at 600° C. as a cathode electrode catalyst.

〔電極触媒〕
本発明に係る電極触媒は、
第1の遷移金属M1および第2の遷移金属M2を構成元素として含む触媒成分と導電性材料とを含む電極触媒であって、
第1の遷移金属M1、第2の遷移金属M2、炭素、水素、窒素および硫黄を構成元素として含む粒子である。
[Electrode catalyst]
The electrode catalyst according to the present invention is
An electrode catalyst comprising a catalyst component containing a first transition metal M1 and a second transition metal M2 as constituent elements and a conductive material,
These particles include a first transition metal M1, a second transition metal M2, carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur as constituent elements.

本発明の好適な態様において、前記第1の遷移金属M1は、Ni,Mn、Fe、Co、Cu、およびZnからなる群より選ばれるいずれかである。ここで、本発明の特に好適な態様において、前記第1の遷移金属M1は、Niである。 In a preferred embodiment of the present invention, the first transition metal M1 is one selected from the group consisting of Ni, Mn, Fe, Co, Cu, and Zn. Here, in a particularly preferred embodiment of the present invention, the first transition metal M1 is Ni.

一方、前記第2の遷移金属M2は、通常、前記第1の遷移金属M1とは異なる遷移金属であり、本発明の好適な態様において、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、およびPtからなる群より選ばれるいずれかである。ここで、本発明の特に好適な態様において、前記第2の遷移金属M2は、Ru、Rh、およびIrからなる群より選ばれるいずれかである。 On the other hand, the second transition metal M2 is usually a transition metal different from the first transition metal M1, and in a preferred embodiment of the present invention, the second transition metal M2 is composed of Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, and Pt. Any one selected from the group. Here, in a particularly preferred embodiment of the present invention, the second transition metal M2 is one selected from the group consisting of Ru, Rh, and Ir.

本発明においては、前記粒子における水素の含有量および窒素の含有量がともに1重量%未満である。これは、第1の遷移金属M1、第2の遷移金属M2、炭素、水素、窒素および硫黄を構成元素として含む粒子であっても、水素の含有量および窒素の含有量がともに1重量%未満である粒子では、燃料電池用の電極触媒として用いたときに、それ以外の粒子と比べて顕著に高い電力密度が得られたという本発明者らの知見に基づいている。ここで、前記水素の含有量は、より高い電力密度が得られる点から、0.90重量%以下であることが好ましく、0.50重量%以下であることがより好ましく、0.30重量%以下であることが特に好ましい。前記水素の含有量の下限値については、本願発明の効果が発揮できる限り特に限定はないものの、0.01重量%以上であることが好ましく、0.10重量%以上であることがより好ましい。一方、前記窒素の含有量は、より高い電力密度が得られる点から、0.30重量%以下であることが好ましく、0.25重量%以下であることがより好ましく、0.22重量%以下であることが特に好ましい。前記窒素の含有量の下限値については、本願発明の効果が発揮できる限り特に限定はないものの、0.01重量%以上であることが好ましく、0.10重量%以上であることがより好ましい。なお、前記粒子を構成する各元素の含有量は、元素分析によって求めることができる。 In the present invention, both the hydrogen content and the nitrogen content in the particles are less than 1% by weight. This means that even if the particles contain the first transition metal M1, the second transition metal M2, carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur as constituent elements, both the hydrogen content and the nitrogen content are less than 1% by weight. This is based on the findings of the present inventors that, when used as an electrode catalyst for a fuel cell, particles having the following properties had a significantly higher power density than other particles. Here, the hydrogen content is preferably 0.90% by weight or less, more preferably 0.50% by weight or less, and 0.30% by weight from the viewpoint of obtaining higher power density. The following is particularly preferable. The lower limit of the hydrogen content is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be exhibited, but it is preferably 0.01% by weight or more, and more preferably 0.10% by weight or more. On the other hand, the nitrogen content is preferably 0.30% by weight or less, more preferably 0.25% by weight or less, and 0.22% by weight or less, from the viewpoint of obtaining higher power density. It is particularly preferable that The lower limit of the nitrogen content is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be exhibited, but it is preferably 0.01% by weight or more, and more preferably 0.10% by weight or more. Note that the content of each element constituting the particles can be determined by elemental analysis.

また、前記粒子の表面には、第1の遷移金属M1の硫化物、金属態の第2の遷移金属M2及び第2の遷移金属M2の硫化物が観測される。ここで、「金属態」とは、対象とする金属の価数が0価であることを意味する。第1の遷移金属M1の硫化物の存在は、XRDとXPSによって確認することができる。また、金属態の前記第2の遷移金属M2の存在は、XRDとXPSによって確認することができる。また、第2の遷移金属M2の硫化物の存在は、XRDによって確認することができる。 Further, on the surface of the particles, sulfides of the first transition metal M1, a metallic second transition metal M2, and sulfides of the second transition metal M2 are observed. Here, "metal state" means that the valence of the target metal is zero. The presence of sulfide of the first transition metal M1 can be confirmed by XRD and XPS. Further, the presence of the second transition metal M2 in a metallic state can be confirmed by XRD and XPS. Further, the presence of sulfide of the second transition metal M2 can be confirmed by XRD.

このような電極触媒は、第1の遷移金属M1、第2の遷移金属M2、炭素、水素、窒素および硫黄を構成元素として含む触媒成分と、導電性材料とを含む複合触媒と見ることもできる。本発明の好適な態様の1つにおいて、前記触媒成分は、水素および窒素を構成原子として含む有機配位子を有する第1の遷移金属M1と、第2の遷移金属M2と、当該第1の遷移金属M1と当該第2の遷移金属M2とをリンクする硫黄原子とを含む有機金属錯体を乾留してなる熱処理物である。 Such an electrode catalyst can also be viewed as a composite catalyst including a catalyst component containing a first transition metal M1, a second transition metal M2, carbon, hydrogen, nitrogen, and sulfur as constituent elements, and a conductive material. . In one of the preferred embodiments of the present invention, the catalyst component includes a first transition metal M1 having an organic ligand containing hydrogen and nitrogen as constituent atoms, a second transition metal M2, and the first transition metal M2. This is a heat-treated product obtained by carbonizing an organometallic complex containing a sulfur atom linking the transition metal M1 and the second transition metal M2.

一方、本発明の電極触媒は、導電性材料をも含む。本発明の電極触媒を構成する導電性材料の例としては、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、およびカーボンフィブリルが挙げられる。本発明で用いられる導電性材料は、1種単独であっても良く、2種以上の組み合わせであっても良い。 On the other hand, the electrode catalyst of the present invention also contains a conductive material. Examples of the conductive materials constituting the electrode catalyst of the present invention include acetylene black, Vulcan, Ketjen black, black pearl, graphitized acetylene black, graphitized Vulcan, graphitized Ketjen black, graphitized black pearl, and carbon nanotubes. , carbon nanofibers, carbon nanohorns, and carbon fibrils. The conductive materials used in the present invention may be used alone or in combination of two or more.

本発明の電極触媒における前記導電性材料の含量は、本発明の効果が得られる限りにおいて特に限定されないものの、電極触媒の全体量に対して通常1重量%以上99重量%以下である。ただ、本発明の電極触媒を後述する製造方法Aによって得る場合、得られる電極触媒における前記導電性材料の含量は、後述する工程1で得られる混合物における前記導電性材料の含量よりも多くなると考えられる、例えば、工程1において前記導電性材料と下記式(A)で表される金属錯体とを同量用いた場合、得られる電極触媒における前記導電性材料の量は、当該金属錯体から得られる第1の遷移金属M1および第2の遷移金属M2を構成元素として含む触媒成分の量より多いと見込まれる。このことから、本発明の好適且つ例示的な態様の1つにおいて、本発明の電極触媒における前記導電性材料の含量の下限値は、好ましくは30重量%以上、より好ましくは50重量%以上であり、上限値は、好ましくは80重量%以下、より好ましくは70重量%以下である。 The content of the conductive material in the electrode catalyst of the present invention is not particularly limited as long as the effects of the present invention can be obtained, but is usually 1% by weight or more and 99% by weight or less based on the total amount of the electrode catalyst. However, when the electrode catalyst of the present invention is obtained by production method A described below, the content of the conductive material in the obtained electrode catalyst is considered to be higher than the content of the conductive material in the mixture obtained in Step 1 described later. For example, when the same amount of the conductive material and the metal complex represented by the following formula (A) are used in Step 1, the amount of the conductive material in the resulting electrode catalyst is the same as that obtained from the metal complex. It is expected that the amount is greater than the amount of the catalyst component containing the first transition metal M1 and the second transition metal M2 as constituent elements. Therefore, in one of the preferred and exemplary embodiments of the present invention, the lower limit of the content of the conductive material in the electrode catalyst of the present invention is preferably 30% by weight or more, more preferably 50% by weight or more. The upper limit is preferably 80% by weight or less, more preferably 70% by weight or less.

〔電極触媒の製造方法〕
本発明に係る電極触媒は、例えば、
水素および窒素を構成原子として含む有機配位子を有する第1の遷移金属M1と、第2の遷移金属M2と、当該第1の遷移金属M1と当該第2の遷移金属M2とをリンクする硫黄原子とを含む有機金属錯体を導電性材料と混合し、混合物を得る工程と、
前記混合物を乾留させる工程と
を含む製造方法によって得ることができる。
[Method for producing electrode catalyst]
The electrode catalyst according to the present invention is, for example,
A first transition metal M1 having an organic ligand containing hydrogen and nitrogen as constituent atoms, a second transition metal M2, and sulfur linking the first transition metal M1 and the second transition metal M2. a step of mixing an organometallic complex containing atoms with a conductive material to obtain a mixture;
It can be obtained by a manufacturing method including a step of carbonizing the mixture.

ここで、前記硫黄原子は、前記有機配位子に含まれていることが好ましい。すなわち、前記有機配位子は、水素、窒素および硫黄を構成原子として含み、且つ、当該有機配位子を構成する硫黄が、前記第1の遷移金属M1と前記第2の遷移金属M2とをリンクしていることが好ましい。このような有機配位子を構成する分子の例として、ω-メルカプトアルキル基を2以上有するアミン、ω-メルカプトアルキル基を2以上有するアルキレンジアミン、ω-メルカプトアルキル基を2以上有するポリアルキレンイミンなどが挙げられる。前記アミン、前記アルキレンジアミンおよび前記ポリアルキレンイミンを構成する窒素原子は、それぞれ独立に、メチル基などのアルキル基と結合していることが好ましい。本発明の好適な態様において、前記ω-メルカプトアルキル基を2以上有するポリアルキレンイミンは、両端の窒素原子にω-メルカプトアルキル基が1つずつ結合してなる直鎖状のポリアルキレンイミンであり、その例として、N,N’-ジメチル-3,7-ジアザノナン-1,9-ジチオールが挙げられる。 Here, the sulfur atom is preferably contained in the organic ligand. That is, the organic ligand contains hydrogen, nitrogen, and sulfur as constituent atoms, and the sulfur constituting the organic ligand binds the first transition metal M1 and the second transition metal M2. Preferably linked. Examples of molecules constituting such organic ligands include amines having two or more ω-mercaptoalkyl groups, alkylene diamines having two or more ω-mercaptoalkyl groups, and polyalkyleneimines having two or more ω-mercaptoalkyl groups. Examples include. It is preferable that the nitrogen atoms constituting the amine, the alkylene diamine, and the polyalkylene imine are each independently bonded to an alkyl group such as a methyl group. In a preferred embodiment of the present invention, the polyalkylene imine having two or more ω-mercaptoalkyl groups is a linear polyalkylene imine in which one ω-mercaptoalkyl group is bonded to each nitrogen atom at both ends. , an example of which is N,N'-dimethyl-3,7-diazanonane-1,9-dithiol.

また、有機金属錯体を構成する第1の遷移金属M1および当該第2の遷移金属M2は、前記「電極触媒」の項で上述したものと同様である。
前記製造方法を用いる場合、有機金属錯体を構成する金属種や配位子を変えることにより、得られる電極触媒の触媒能力を制御することが容易である傾向にある。例えば、第1の遷移金属M1と第2の遷移金属M2との組み合わせを変更することにより、得られる電極触媒の触媒能力を変えることが可能である。
Further, the first transition metal M1 and the second transition metal M2 constituting the organometallic complex are the same as those described above in the "electrode catalyst" section.
When using the above production method, it tends to be easy to control the catalytic ability of the resulting electrode catalyst by changing the metal species and ligands constituting the organometallic complex. For example, by changing the combination of the first transition metal M1 and the second transition metal M2, it is possible to change the catalytic ability of the resulting electrode catalyst.

ここで、本発明の好適且つ例示的な態様において、前記製造方法は、下記工程1および2を含む製造方法Aである:
工程1:下記式(A)

Figure 2023171977000003
(式(A)において、M1は、前記第1の遷移金属M1であり、M2は前記第2の遷移金属M2である。L、XおよびYは、適当な配位子を表し、Xは、M1とブリッジを形成していても良い。l、mおよびnは、それぞれ独立して2~4の整数である。Rはそれぞれ独立して、炭素数1~5のアルキル基である。zは錯体の電荷を表し、0または2+である。)で表される金属錯体を導電性材料と混合し、混合物を得る工程;並びに、
工程2:前記工程1で得られた混合物を乾留させる工程。 Here, in a preferred and exemplary embodiment of the present invention, the manufacturing method is Manufacturing Method A, which includes the following steps 1 and 2:
Step 1: Formula (A) below
Figure 2023171977000003
(In formula (A), M1 is the first transition metal M1, M2 is the second transition metal M2, L, X and Y represent appropriate ligands, and X is It may form a bridge with M1. l, m and n are each independently an integer of 2 to 4. R is each independently an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms. z is A step of mixing a metal complex represented by (representing the charge of the complex and being 0 or 2+) with a conductive material to obtain a mixture; and
Step 2: A step of carbonizing the mixture obtained in Step 1.

ここで、本発明の典型的且つ好適な態様の1つにおいて、前記製造方法Aは、下記工程1aおよび2aを含む製造方法A1である:
工程1a:下記式(1)

Figure 2023171977000004
(式(1)において、Mは、RuII、RhIIIまたはIrIIIである。Lはヘキサメチルベンゼン基またはペンタメチルシクロペンタジエニル基を表す。Xは、ハロゲン原子または水素原子、ヒドリドイオンを表し、Xが水素原子、ヒドリドイオンの場合、XはNiIIとブリッジを形成していても良い。Yは、ハロゲン原子またはH2Oを表す。l、mおよびnは、それぞれ独立して2~4の整数である。Rはそれぞれ独立して、炭素数1~5のアルキル基である。zは錯体の電荷を表し、0または2+である。)で表される金属錯体を導電性材料と混合し、混合物を得る工程;並びに、
工程2a:前記工程1aで得られた混合物を乾留させる工程。 Here, in one of the typical and preferred aspects of the present invention, the manufacturing method A is manufacturing method A1 including the following steps 1a and 2a:
Step 1a: Formula (1) below
Figure 2023171977000004
(In formula (1), M is Ru II , Rh III or Ir III . L represents a hexamethylbenzene group or a pentamethylcyclopentadienyl group. X represents a halogen atom, a hydrogen atom, or a hydride ion. and when X is a hydrogen atom or a hydride ion, X may form a bridge with Ni II . Y represents a halogen atom or H 2 O. l, m and n each independently represent 2 An integer of ~4.R is each independently an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms.z represents the charge of the complex and is 0 or 2+. and obtaining a mixture; and
Step 2a: A step of carbonizing the mixture obtained in step 1a.

ここで、本発明の特に好適な態様において、上記(1)の金属錯体は、Ni原子に配位する有機配位子として、N,N’-ジメチル-3,7-ジアザノナン-1,9-ジチオラート配位子(前記lおよびnが2であり、前記mが3であり、Rがメチル基である場合に相当する。本明細書において、「N22」と称する場合がある。)を、前記Lとして、ペンタメチルシクロペンタジエニル基を、それぞれ有している。 Here, in a particularly preferred embodiment of the present invention, the metal complex of (1) above has N,N'-dimethyl-3,7-diazanonane-1,9- as an organic ligand coordinated to the Ni atom. Dithiolate ligand (corresponds to the case where the above l and n are 2, the above m is 3, and R is a methyl group. In this specification, it may be referred to as "N 2 S 2 ".) Each of the above L has a pentamethylcyclopentadienyl group.

また、前記XおよびYを構成しうるハロゲン原子は、好ましくは塩素原子である。
また、前記Mは、好ましくはRhIIIである。
上記(1)の金属錯体は、従来公知の方法を用いて得ることができ、例えば、Inorg.Chem.,1990,4779-4788、Inorg.Chem.1990,29,2023-2025、Org.Lett.2004,6,2785-2788、Science 2007,316,585-587、Angew. Chem. Int. Ed. 2013,56,9723-9726、および、特開2017-132671号公報等に記載されている方法を参照して得ることができる。
Further, the halogen atom that can constitute the above-mentioned X and Y is preferably a chlorine atom.
Moreover, said M is preferably Rh III .
The metal complex (1) above can be obtained using a conventionally known method, for example, Inorg. Chem. , 1990, 4779-4788, Inorg. Chem. 1990, 29, 2023-2025, Org. Lett. 2004, 6, 2785-2788, Science 2007, 316, 585-587, Angew. Chem. Int. Ed. It can be obtained with reference to the methods described in 2013, 56, 9723-9726, JP 2017-132671, and the like.

前記混合物を得る工程は、前記製造方法Aにおける工程1および前記製造方法A1における工程1aも含めて、従来公知の方法により行うことができる。ここで、上記式(A)または上記式(1)で表される金属錯体とともに配合され前記混合物に含まれることになる導電性材料は、上記「電極触媒」の項で上述した導電性材料と同様である。 The step of obtaining the mixture can be performed by a conventionally known method, including step 1 in the manufacturing method A and step 1a in the manufacturing method A1. Here, the conductive material that is blended together with the metal complex represented by the above formula (A) or the above formula (1) and is included in the mixture is the conductive material described above in the "electrode catalyst" section. The same is true.

一方、前記混合物を乾留させる工程は、前記製造方法Aにおける工程2および前記製造方法A1における工程2aも含め、混合物を熱処理する工程として行われる。この乾留により、混合物に含まれている有機金属錯体の熱分解が起こり、水素を構成元素として含む揮発性成分や窒素を構成元素として含む揮発性成分が脱離する。例えば、上記式(1)で表される金属錯体の場合、このような熱分解は、220℃付近から始まる場合がある。一方、有機金属錯体に由来する含硫黄成分は、水素を構成元素として含む揮発性成分や窒素を構成元素として含む揮発性成分が脱離する温度条件下においても、比較的脱離しにくい傾向にある。その結果として、第1の遷移金属M1と第2の遷移金属M2を構成元素として含む化学種として、水素及び窒素の含有量は少ないが硫黄の含有量は比較的多い何らかの化学種が生成し、これが乾留触媒として機能するものと推測している。 On the other hand, the step of carbonizing the mixture, including step 2 in the manufacturing method A and step 2a in the manufacturing method A1, is performed as a step of heat-treating the mixture. This carbonization causes thermal decomposition of the organometallic complex contained in the mixture, and volatile components containing hydrogen as a constituent element and volatile components containing nitrogen as a constituent element are eliminated. For example, in the case of the metal complex represented by the above formula (1), such thermal decomposition may start at around 220°C. On the other hand, sulfur-containing components derived from organometallic complexes tend to be relatively difficult to desorb even under temperature conditions where volatile components containing hydrogen or nitrogen as a constituent element desorb. . As a result, a chemical species containing the first transition metal M1 and the second transition metal M2 as constituent elements is generated, which has a low hydrogen and nitrogen content but a relatively high sulfur content, It is assumed that this functions as a carbonization catalyst.

ここで、前記乾留は、通常、真空下、または、窒素やアルゴン等の雰囲気下で行うことができ、分解生成物除去の観点から真空下で行うことが好ましい。ここで、前記真空の程度は、通常、真空度10~20Paである。 Here, the carbonization can usually be performed under vacuum or under an atmosphere of nitrogen, argon, or the like, and is preferably performed under vacuum from the viewpoint of removing decomposition products. Here, the degree of vacuum is usually 10 to 20 Pa.

前記乾留を行う温度は、当該乾留によって得られる触媒(以下「乾留触媒」)が本発明の効果を奏しうる限り特に限定されない。ただ、前記乾留を行う温度が高いほど、得られる乾留触媒における水素の含有量および窒素の含有量が少なくなる傾向にある。下記で後述する実施例で確認されたように、水素の含有量および窒素の含有量がある程度少ない乾留触媒は、燃料電池用の電極触媒として用いたときに高い電力密度を得ることができ、有利である。これらを踏まえると、前記乾留を行う温度は、通常100~800℃である。 The temperature at which the carbonization is performed is not particularly limited as long as the catalyst obtained by the carbonization (hereinafter referred to as "carbonization catalyst") can exhibit the effects of the present invention. However, the higher the temperature at which the carbonization is performed, the lower the hydrogen content and nitrogen content in the obtained carbonization catalyst tend to be. As confirmed in the examples described below, a carbonization catalyst with a certain low hydrogen content and nitrogen content can obtain high power density when used as an electrocatalyst for a fuel cell, which is advantageous. It is. Based on these considerations, the temperature at which the carbonization is performed is usually 100 to 800°C.

例えば、前記製造方法A1における工程2aでは、前記乾留を行う温度は、典型的には300~800℃であり、好ましくは400~800℃である。このような温度で乾留を行うことにより、上記「電極触媒」の項で上述した要件を満たす電極触媒を得ることができる。
上記製造方法によって得られた乾留触媒は、電極触媒として用いることができる。
For example, in step 2a of the production method A1, the temperature at which the carbonization is performed is typically 300 to 800°C, preferably 400 to 800°C. By performing carbonization at such a temperature, it is possible to obtain an electrocatalyst that satisfies the requirements described above in the section of "electrocatalyst".
The carbonization catalyst obtained by the above production method can be used as an electrode catalyst.

〔電極〕
上述した本発明に係る電極触媒は、燃料電池用電極に用いることができる。すなわち、本発明に係る燃料電池用電極は、上記電極触媒を含むことになる。
〔electrode〕
The above-described electrode catalyst according to the present invention can be used for a fuel cell electrode. That is, the fuel cell electrode according to the present invention includes the above electrode catalyst.

ここで、本発明に係る燃料電池用電極は、一定の形状を保持できる限り上記電極触媒のみからなることを妨げないものの、必要に応じて上記電極触媒以外の成分(以下、「他の成分」)を含有していてもよい。このような「他の成分」の例として、バルカン(Cabot社製)、カーボンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、黒煙、炭素繊維および活性炭等の触媒担持体;ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオール、ポリイミダゾール、ポリピリジン、ポリアニリンおよびポリチオフェン等の導電性高分子を挙げることができる。上記電極触媒の量を100重量部としたときの「他の成分」の量は、触媒担持体にあっては好ましくは0重量部以上50重量部以下であり、上記導電性高分子にあっては好ましくは0重量部以上50重量部以下である。 Here, the fuel cell electrode according to the present invention may be composed only of the above electrode catalyst as long as it can maintain a certain shape, but may include components other than the above electrode catalyst (hereinafter referred to as "other components") as necessary. ) may also be included. Examples of such "other components" include catalyst supports such as Vulcan (manufactured by Cabot), carbon black, acetylene black, furnace black, graphite, carbon nanotubes, carbon nanofibers, black smoke, carbon fibers, and activated carbon; Examples include conductive polymers such as polyacetylene, polypyrrole, polythiol, polyimidazole, polypyridine, polyaniline, and polythiophene. When the amount of the above-mentioned electrode catalyst is 100 parts by weight, the amount of "other components" in the catalyst carrier is preferably 0 parts by weight or more and 50 parts by weight or less, and in the above-mentioned conductive polymer. is preferably from 0 parts by weight to 50 parts by weight.

また、本発明に係る燃料電池用電極は、ガス拡散性を有する導電性材料からなる層(以下「ガス拡散層」)と、上記電極触媒からなる層(以下「触媒層」)とを有する積層体であってもよい。このガス拡散層は、上記触媒層を支持する役割も有している。ガス拡散層としては、電子伝導性を有し、ガスの拡散性が高く、耐食性の高いものであれば何であっても構わないが、一般的にはカーボンペーパー、カーボンクロスなどの炭素系多孔質材料が用いられる。このような燃料電池用電極は、例えば、上記電極触媒に適当な媒体を加えて、溶液、懸濁液、スラリー、ペースト等とし、これを上記ガス拡散層に塗布し、乾燥させることにより形成される。ここで、上記電極触媒を、溶液、懸濁液、スラリー、ペースト等とするための媒体も特に限定されるものではなく、従来公知の媒体から適宜選択して用いればよい。塗布量は0.1~10mg/cm2とすることが好ましく、より好ましくは0.5~5mg/cm2である。 Further, the fuel cell electrode according to the present invention is a stacked layer including a layer made of a conductive material having gas diffusivity (hereinafter referred to as a "gas diffusion layer") and a layer made of the above-mentioned electrode catalyst (hereinafter referred to as a "catalyst layer"). It may be the body. This gas diffusion layer also has the role of supporting the catalyst layer. The gas diffusion layer may be anything as long as it has electron conductivity, high gas diffusivity, and high corrosion resistance, but carbon-based porous materials such as carbon paper and carbon cloth are generally used. material is used. Such fuel cell electrodes are formed by, for example, adding a suitable medium to the electrode catalyst to form a solution, suspension, slurry, paste, etc., applying this to the gas diffusion layer, and drying it. Ru. Here, the medium for forming the electrode catalyst into a solution, suspension, slurry, paste, etc. is not particularly limited, and may be appropriately selected from conventionally known media. The coating amount is preferably 0.1 to 10 mg/cm 2 , more preferably 0.5 to 5 mg/cm 2 .

一方、上記触媒層は、上記電極触媒に加え、必要に応じて、上記触媒担持体、導電性高分子またはアイオノマー等を含有していてもよい。上記触媒担持体、導電性高分子またはアイオノマー等は、上記電極触媒の溶液、懸濁液、スラリーまたはペースト等に添加してもよいし、上記電極触媒の溶液、懸濁液、スラリーまたはペースト等とは別に、溶液、懸濁液、溶液、スラリーまたはペースト等として、触媒層を塗布する前、同時、又は後に塗布してもよい。 On the other hand, the catalyst layer may contain, in addition to the electrode catalyst, the catalyst carrier, a conductive polymer, an ionomer, or the like, if necessary. The catalyst carrier, conductive polymer, ionomer, etc. may be added to the solution, suspension, slurry, paste, etc. of the electrode catalyst, or may be added to the solution, suspension, slurry, paste, etc. of the electrode catalyst. Alternatively, it may be applied as a solution, suspension, solution, slurry or paste before, simultaneously with, or after applying the catalyst layer.

燃料電池において、アノード(負極または燃料極ともいう)では燃料の酸化反応が起こり、カソード(正極または空気極ともいう)では酸化剤の還元が起こる。本発明に係る燃料電池用電極は、アノードであっても良く、カソードであっても良い。また、アノードおよびカソードの両方であっても良い。本発明の特に好適な態様において、前記燃料電池用電極は、カソードである。 In a fuel cell, an oxidation reaction of fuel occurs at the anode (also referred to as a negative electrode or fuel electrode), and a reduction of an oxidant occurs at the cathode (also referred to as a positive electrode or air electrode). The fuel cell electrode according to the present invention may be an anode or a cathode. Further, it may be both an anode and a cathode. In a particularly preferred embodiment of the present invention, the fuel cell electrode is a cathode.

〔膜電極接合体〕
本発明に係る膜電極接合体は、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置されたプロトン伝導膜とを有する膜電極接合体であって、カソードとアノードとからなる群より選ばれるいずれか1以上が上述した本発明の燃料電池用電極である。このとき、本発明の燃料電池用電極を採用しなかった方の電極として、従来公知の燃料電池用電極、例えば、白金担持カーボンなど白金系触媒を含む燃料電池用電極を用いることができる。本発明の膜電極接合体の特に好適な態様の一例として、カソードが本発明の燃料電池用電極であり、アノードが従来公知の燃料電池用電極であるものが挙げられる。
[Membrane electrode assembly]
The membrane electrode assembly according to the present invention is a membrane electrode assembly comprising a cathode, an anode, and a proton conductive membrane disposed between the cathode and the anode, and is selected from the group consisting of the cathode and the anode. Any one or more of the selected electrodes is the fuel cell electrode of the present invention described above. At this time, as the electrode that does not employ the fuel cell electrode of the present invention, a conventionally known fuel cell electrode, for example, a fuel cell electrode containing a platinum-based catalyst such as platinum-supported carbon, can be used. An example of a particularly preferred embodiment of the membrane electrode assembly of the present invention is one in which the cathode is the fuel cell electrode of the present invention and the anode is a conventionally known fuel cell electrode.

ここで、本発明の燃料電池用電極がガス拡散層を有する場合、本発明の膜電極接合体においてこのガス拡散層は、プロトン伝導膜から見て、上記電極触媒からなる層の反対側に配置される。 Here, when the fuel cell electrode of the present invention has a gas diffusion layer, in the membrane electrode assembly of the present invention, this gas diffusion layer is arranged on the opposite side of the layer consisting of the electrode catalyst when viewed from the proton conductive membrane. be done.

プロトン伝導膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系を用いた電解質膜または炭化水素系電解質膜などが一般的に用いられる。プロトン伝導膜の具体例としては、ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)、アシプレックス(登録商標)等のプロトン伝導性高分子電解質が挙げられる。
本発明の膜電極接合体は、従来公知の方法を用いて適宜形成することができる。
As the proton conductive membrane, for example, an electrolyte membrane using perfluorosulfonic acid or a hydrocarbon electrolyte membrane is generally used. Specific examples of proton conductive membranes include proton conductive polymer electrolytes such as Nafion (registered trademark), Flemion (registered trademark), and Aciplex (registered trademark).
The membrane electrode assembly of the present invention can be appropriately formed using a conventionally known method.

〔燃料電池〕
本発明の燃料電池は、上述した本発明の膜電極接合体を備える。ここで、本発明の典型的な態様において、本発明の燃料電池は、膜電極接合体を挟む態様でさらに2つの集電体を備える。
〔Fuel cell〕
The fuel cell of the present invention includes the membrane electrode assembly of the present invention described above. Here, in a typical embodiment of the present invention, the fuel cell of the present invention further includes two current collectors sandwiching the membrane electrode assembly.

本発明の燃料電池は、上述した本発明の燃料電池用電極を、カソード、アノード、または、カソードとアノードとの両方として有している。ここで、本発明の特に好適な態様において、前記燃料電池用電極は、カソードである。本発明の燃料電池用電極をカソードとして有し、従来公知の燃料電池用電極をアノードとして有する燃料電池は、高い電力密度が得られる点で特に好ましい。一方、高価な白金単体や白金合金の使用を減らすことができ、かつ、触媒能力の制御をより容易に行うことができるという観点からは、燃料電池が、上述した本発明の燃料電池用電極をカソードとアノードとの両方として有することが好ましい。 The fuel cell of the present invention has the above-described fuel cell electrode of the present invention as a cathode, an anode, or both a cathode and an anode. Here, in a particularly preferred embodiment of the present invention, the fuel cell electrode is a cathode. A fuel cell having the fuel cell electrode of the present invention as a cathode and a conventionally known fuel cell electrode as an anode is particularly preferable in that a high power density can be obtained. On the other hand, from the viewpoint of being able to reduce the use of expensive pure platinum or platinum alloys and making it easier to control the catalytic ability, it is possible to use the fuel cell electrode of the present invention as described above. It is preferable to have it as both a cathode and an anode.

また、前記集電体は、燃料電池用に一般的に採用される従来公知のものとすることができ、例えば、図6に図示したように、流路を内蔵した集電板の形状とすることができる。
燃料電池の外部から導入されるアノードガスは、アノード側に配された集電体を通じてアノードに供給され、燃料電池の外部から導入されるカソードガスは、カソード側に配された集電体を通じてカソードに供給される。前記アノードガスは、燃料となるガスであり、典型的には、水素である。ここでアノードガスが水素の場合、この水素は、ガソリン、メタノール、ジエチルエーテルまたは炭化水素等を改質して得られるものであっても良い。また、前記カソードガスは、メタノールまたはジエチルエーテル等であっても良い。
Further, the current collector may be of a conventionally known type that is generally adopted for fuel cells, for example, as shown in FIG. 6, it may be in the shape of a current collector plate with a built-in flow path. be able to.
Anode gas introduced from outside the fuel cell is supplied to the anode through a current collector placed on the anode side, and cathode gas introduced from outside the fuel cell is supplied to the cathode through a current collector placed on the cathode side. supplied to The anode gas is a gas that serves as a fuel, and is typically hydrogen. When the anode gas is hydrogen, this hydrogen may be obtained by reforming gasoline, methanol, diethyl ether, hydrocarbons, or the like. Furthermore, the cathode gas may be methanol, diethyl ether, or the like.

一方、燃料電池の外部から導入されるカソードガスは、酸化剤となるガスであり、酸素であっても良く、空気であっても良い。
本発明の好適な態様において、前記アノードガスは水素であり、前記カソードガスは酸素である。この態様では、本発明の燃料電池は、水素-酸素型燃料電池として用いられることになる。
On the other hand, the cathode gas introduced from the outside of the fuel cell is a gas that serves as an oxidizing agent, and may be oxygen or air.
In a preferred embodiment of the invention, the anode gas is hydrogen and the cathode gas is oxygen. In this embodiment, the fuel cell of the present invention will be used as a hydrogen-oxygen fuel cell.

〔発電方法〕
上述した本発明に係る電極触媒および燃料電池に関連して、本発明は、発電方法も提供するといえる。これは、本発明の電極触媒は、安価であり、且つ、燃料電池用電極として用いたときに触媒能力の制御が容易にできることに基づく。
〔Power generation method〕
In relation to the electrode catalyst and fuel cell according to the present invention described above, the present invention can also be said to provide a power generation method. This is based on the fact that the electrode catalyst of the present invention is inexpensive and the catalytic ability can be easily controlled when used as an electrode for a fuel cell.

本発明に係る発電方法は、上記電極触媒を用いて、燃料の酸化反応を行う工程、および/または、上記電極触媒を用いて、酸化剤の還元反応を行う工程を含む。すなわち、本発明に係る発電方法は、上記電極触媒を用いて燃料の酸化反応を行う工程と、上記電極触媒を用いて酸化剤の還元反応を行う工程とのうちの両方を含んでいてもよいし、あるいは、いずれか一方を含んでいてもよい。 The power generation method according to the present invention includes a step of performing an oxidation reaction of fuel using the above electrode catalyst, and/or a step of performing a reduction reaction of an oxidant using the above electrode catalyst. That is, the power generation method according to the present invention may include both a step of performing an oxidation reaction of a fuel using the above-mentioned electrode catalyst and a step of performing a reduction reaction of an oxidant using the above-mentioned electrode catalyst. However, it may also contain either one of them.

より具体的には、例えば、本発明に係る発電方法は、上記燃料電池用電極触媒を用いて水素分子から電子を放出させて水素イオンとする工程、および/または、上記燃料電池用電極触媒を用いて、酸素分子、水素イオンおよび電子を反応させて水を生成する工程を含む。 More specifically, for example, the power generation method according to the present invention includes a step of emitting electrons from hydrogen molecules to generate hydrogen ions using the above fuel cell electrode catalyst, and/or a step of using the above fuel cell electrode catalyst. The process involves reacting oxygen molecules, hydrogen ions, and electrons to produce water.

本発明に係る発電方法は、従来公知の方法により行えばよく、特に限定されるものではないが、一例を説明すると、燃料電池のアノード側に水素ガスを、カソード側に酸素を供給する。このとき水素ガスおよび酸素はバブラーを通して加湿してもよい。 The power generation method according to the present invention may be performed by a conventionally known method and is not particularly limited, but to explain one example, hydrogen gas is supplied to the anode side of a fuel cell, and oxygen is supplied to the cathode side. At this time, hydrogen gas and oxygen may be humidified through a bubbler.

アノード側から水素ガスが供給されると、水素ガスが上記燃料電池用電極触媒の作用によって水素分子から電子を放出して水素イオンとなる。この水素イオンは電解質膜を通過して対向するカソードに移動する。カソードでは、上記燃料電池用電極触媒の作用により、移動してきた水素イオンと、カソードに供給される酸素分子とが反応して水を生成する。このとき、電線に生じる電子の流れが直流電流として取り出される。 When hydrogen gas is supplied from the anode side, the hydrogen gas releases electrons from hydrogen molecules by the action of the fuel cell electrode catalyst and becomes hydrogen ions. These hydrogen ions pass through the electrolyte membrane and move to the opposing cathode. At the cathode, the hydrogen ions that have moved react with the oxygen molecules supplied to the cathode to generate water due to the action of the fuel cell electrode catalyst. At this time, the flow of electrons generated in the wire is extracted as a direct current.

以下に本発明の実施例について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
(材料および方法)
全ての実験は、標準のシュレンク技術及びグローブボックスを用いることによってN2又はAr雰囲気下で実施した。
Examples of the present invention will be specifically described below, but the present invention is not limited thereto.
(material and method)
All experiments were performed under N2 or Ar atmosphere by using standard Schlenk techniques and a glove box.

・各種金属錯体の調製
NiII(N22)は、文献(Inorg.Chem.,1990,4779-4788)に記載の方法によりNiII(N22)において記述されている方法によって調製した(N22=N,N’-dimethyl-3,7-diazanonane-1,9-dithiolato)。
・Preparation of various metal complexes Ni II (N 2 S 2 ) was prepared by the method described in the literature ( Inorg. Chem., 1990 , 4779-4788 ) . (N 2 S 2 =N,N'-dimethyl-3,7-diazanone-1,9-dithiolato).

[IrIII(η5-C5Me5)Cl22は、文献(Inorg.Chem.1990,29,2023-2025)に記載の方法により[IrIII(η5-C5Me5)Cl22において記述されている方法によって調製した(η5-C5Me5=1,2,3,4,5-pentamethylcyclopentadienyl)。 [Ir III5 -C 5 Me 5 )Cl 2 ] 2 was converted to [Ir III5 -C 5 Me 5 )Cl by the method described in the literature (Inorg. Chem. 1990, 29, 2023-2025). 2 ] (η 5 -C 5 Me 5 =1,2,3,4,5-pentamethylcyclopentadienyl).

[RhIII(η5-C5Me5)Cl22は、文献(Org.Lett.2004,6,2785-2788)に記載の方法により[IrIII(η5-C5Me5)Cl22において記述されている方法によって調製した。 [Rh III5 -C 5 Me 5 )Cl 2 ] 2 was converted to [Ir III5 -C 5 Me 5 )Cl by the method described in the literature (Org. Lett. 2004, 6, 2785-2788). 2 ] Prepared by the method described in 2 .

[NiII(H2O)(N22)(μ-H)RuII(η6-C6Me6)](NO3)は、文献(Science 2007,316,585-587)に記載の方法により調製した。 [Ni II (H 2 O) (N 2 S 2 ) (μ-H) Ru II6 -C 6 Me 6 )] (NO 3 ) is described in the literature (Science 2007, 316, 585-587). It was prepared by the method of

[NiIICl(N22)IrIIICl(η5-C5Me5)]は、文献(Angew. Chem. Int. Ed. 2013,56,9723-9726)に記載の方法において記述されている方法によって調製した。 [Ni II Cl(N 2 S 2 )Ir III Cl(η 5 -C 5 Me 5 )] is described in the method described in the literature (Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 56, 9723-9726). It was prepared by the method described below.

[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)]は、文献(特開2017-132671号公報)において記述されている方法によって調製した。 [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Cl(η 5 -C 5 Me 5 )] was prepared by the method described in the literature (JP 2017-132671 A).

・ガス及び溶媒
2ガス、O2ガスは、太陽東洋酸素株式会社から購入した。H2O は、和光純薬工業株式会社から購入した。
これらは、更に精製することなしに使用した。
- Gas and solvent H 2 gas and O 2 gas were purchased from Taiyo Toyo Sanso Co., Ltd. H 2 O was purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
These were used without further purification.

・紫外線可視スペクトル
紫外線可視スペクトルは、25℃にて日本分光V-670 UV-Visible-NIR分光計(セルの長さ0.1 cm)で測定した。
- Ultraviolet-visible spectrum The ultraviolet-visible spectrum was measured with a JASCO V-670 UV-Visible-NIR spectrometer (cell length 0.1 cm) at 25°C.

・ガスクロマトグラフィー-質量分析法(GC-MS)
ガスクロマトグラフィー-質量分析法(GC-MS)データは、SHIMADZU GCMS-QP 2010によって得た。
・Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)
Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) data were obtained by SHIMADZU GCMS-QP 2010.

・示差熱-熱重量同時測定(TG-DSC)
示差熱-熱重量同時測定(TG-DSC)データは、NETZCCH STA 449 F1 Jupiter分析器によって得た。
・Simultaneous differential thermal and thermogravimetric measurement (TG-DSC)
Differential thermal-thermogravimetric (TG-DSC) data were obtained on a NETZCCH STA 449 F1 Jupiter analyzer.

・X線光電子分光(XPS)
X線光電子分光(XPS)スペクトルは、AlアノードX線源を備え付けたULVAC PHI 5000 VersaProbe II systemによって得た。結合エネルギーは、サンプルと混合した金粉中の金元素のAu 4f7/2のピークで補正した。
・X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra were obtained on a ULVAC PHI 5000 VersaProbe II system equipped with an Al anode X-ray source. The binding energy was corrected by the Au 4f7/2 peak of elemental gold in the gold powder mixed with the sample.

・X線回折(XRD)法
X線回折(XRD)パターンは、45 kV及び200 mAで放出されるCu-Kα放射を備え付けたRigaku SmartLab {スキャン速度 0.02o min-1 (2θ = 20-90o)によって得た。
- X-ray diffraction (XRD) method X-ray diffraction (XRD) patterns were generated using a Rigaku SmartLab equipped with Cu-Kα radiation emitted at 45 kV and 200 mA {scan speed 0.02 o min -1 (2θ = 20- 90 o ).

・元素分析データ
元素分析データは、Yanaco CHN-coder MT-5及びパーキンエルマー2400 II シリーズCHNS/O 分析器によって得た。
- Elemental analysis data Elemental analysis data were obtained with a Yanaco CHN-coder MT-5 and a PerkinElmer 2400 II series CHNS/O analyzer.

・(走査型)透過電子顕微鏡((S)TEM)観察、及びエネルギー分散型X線分光法(EDS)マッピング
(走査型)透過電子顕微鏡((S)TEM)観察、及びエネルギー分散型X線分光法(EDS)マッピングデータは、JEOL JEM-ARM 200F equipped with a JEOL silicon drift detector (SDD) and a JEOL JED-2300T systemによって得た。
・(Scanning type) Transmission electron microscopy ((S)TEM) observation and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping (Scanning type) Transmission electron microscopy ((S)TEM) observation and Energy dispersive X-ray spectroscopy JEOL JEM-ARM 200F equipped with a JEOL silicon drift detector (SDD) and a JEOL JED-2300T system.

I.乾留触媒の合成
[実施例1-1]ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)]を用いたニッケル・ロジウム乾留触媒の合成
ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)](以下「ニッケル・ロジウムクロロ錯体」または「NiRh錯体」と呼ばれる場合がある。)(5mg) をカーボンブラック(5mg) と混合し、電気炉を取り付けた石英菅(以下「装置」)内に導入した。真空ポンプにより装置内を約20Paまで減圧した。その後サンプルを減圧下(15-20 Pa)にて1時間加熱した。加熱は、室温からの昇温で開始し、目標とする温度(以下「乾留温度」)に到達した後(室温から乾留温度に到るまでの所要時間はほぼ5分以内)、この温度で1時間保持することによって行った。加熱後、装置内の減圧を解いてからサンプルを装置から取り出し、装置外の大気中で当該サンプルを室温まで冷却し、サンプルを装置から取り出した。得られたサンプルは、以下の実施例において、ニッケル・ロジウム乾留触媒として用いた。
乾留温度を100-800℃の範囲内で変えながら、同様の合成を繰り返した。
I. Synthesis of carbonization catalyst [Example 1-1] Synthesis of nickel-rhodium carbonization catalyst using nickel-rhodium chloro complex [Ni II Cl (N 2 S 2 ) Rh III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )] Nickel・Rhodium chloro complex [Ni II Cl (N 2 S 2 ) Rh III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )] (hereinafter sometimes referred to as "nickel rhodium chloro complex" or "NiRh complex") (5 mg ) was mixed with carbon black (5 mg) and introduced into a quartz tube (hereinafter referred to as the "apparatus") equipped with an electric furnace. The pressure inside the apparatus was reduced to about 20 Pa using a vacuum pump. The samples were then heated under reduced pressure (15-20 Pa) for 1 hour. Heating starts by raising the temperature from room temperature, and after reaching the target temperature (hereinafter referred to as "carbonization temperature") (the time required to reach the carbonization temperature from room temperature is about 5 minutes), at this temperature 1. This was done by holding the time. After heating, the sample was taken out from the apparatus after releasing the vacuum inside the apparatus, cooled to room temperature in the atmosphere outside the apparatus, and then taken out from the apparatus. The obtained sample was used as a nickel-rhodium carbonization catalyst in the following examples.
Similar synthesis was repeated while changing the carbonization temperature within the range of 100-800°C.

[実施例1-2]ニッケル・イリジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)IrIIICl(η5-C5Me5)]を用いたニッケル・イリジウム乾留触媒の合成
ニッケル・ロジウムクロロ錯体の代わりにニッケル・イリジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)IrIIICl(η5-C5Me5)](以下「ニッケル・イリジウムクロロ錯体」または「NiIr錯体」と呼ばれる場合がある。)を用いたことを除き、実施例1-1と同様の乾留触媒合成実験を行なった。
[Example 1-2] Synthesis of nickel-iridium carbonization catalyst using nickel-iridium chloro complex [Ni II Cl (N 2 S 2 ) Ir III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )] Nickel-rhodium chloro complex Instead, a nickel-iridium chloro complex [Ni II Cl (N 2 S 2 ) Ir III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )] (hereinafter sometimes referred to as "nickel-iridium chloro complex" or "NiIr complex") A carbonization catalyst synthesis experiment was conducted in the same manner as in Example 1-1, except that .) was used.

[実施例1-3]ニッケル・ルテニウムヒドリド錯体[NiII(H2O)(N22)(μ-H)RuII(η6-C6Me6)](NO3)を用いたニッケル・ルテニウム乾留触媒の合成
ニッケル・ロジウムクロロ錯体の代わりにニッケル・ルテニウムヒドリド錯体[NiII(H2O)(N22)(μ-H)RuII(η6-C6Me6)](NO3)(以下「ニッケル・ルテニウムヒドリド錯体」または「NiRu錯体」と呼ばれる場合がある。)を用いたことを除き、実施例1-1と同様の乾留触媒合成実験を行なった。
[Example 1-3] Using nickel-ruthenium hydride complex [Ni II (H 2 O) (N 2 S 2 ) (μ-H) Ru II6 -C 6 Me 6 )] (NO 3 ) Synthesis of nickel-ruthenium carbonization catalyst Nickel-ruthenium hydride complex [Ni II (H 2 O) (N 2 S 2 ) (μ-H) Ru II6 -C 6 Me 6 ) was used instead of the nickel-rhodium chloro complex. ] (NO 3 ) (hereinafter sometimes referred to as "nickel-ruthenium hydride complex" or "NiRu complex"), a carbonization catalyst synthesis experiment was carried out in the same manner as in Example 1-1, except for using .

II.ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)]の熱分析
ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)](5mg)とカーボンブラック(5mg)を混合したサンプルを用い、示差熱-熱重量同時測定(TG-DSC)測定を行なった。ここで、TG-DSC測定は、窒素下(流量100mL/分)で行い、昇温速度を5℃/分とした。図1にTG-DSC測定の結果を示した。図1に示すTG-DSC曲線から、220℃付近から、吸熱反応を伴うサンプルの重量減少が観測され、ニッケル・ロジウムクロロ錯体の分解が上記温度から始めることが明らかとなった。
II. Thermal analysis of nickel-rhodium chloro complex [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Cl(η 5 -C 5 Me 5 )] Nickel-rhodium chloro complex [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Cl( Simultaneous differential thermal-thermogravimetry (TG-DSC) measurement was performed using a sample of a mixture of η 5 -C 5 Me 5 )] (5 mg) and carbon black (5 mg). Here, the TG-DSC measurement was performed under nitrogen (flow rate 100 mL/min), and the temperature increase rate was 5° C./min. Figure 1 shows the results of TG-DSC measurement. From the TG-DSC curve shown in FIG. 1, a weight loss of the sample accompanied by an endothermic reaction was observed from around 220° C., and it became clear that the decomposition of the nickel-rhodium chloro complex started at the above temperature.

III.乾留触媒の同定
(1)ニッケル・ロジウム乾留触媒のXPSによる分析
実施例1-1において様々な乾留温度(300℃、450℃、600℃、および800℃)で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒、及び、ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)]のそれぞれにつき、XPS測定を行った。ここで、XPS測定は、ニッケル・ロジウム乾留触媒またはニッケル・ロジウムクロロ錯体(5mg)とカーボンブラック(5mg)との混合物をサンプルとして行なった。図2にXPSの結果を示した。図2において、「1」とあるのは、ニッケル・ロジウムクロロ錯体を表す。
III. Identification of carbonization catalyst (1) Analysis of nickel-rhodium carbonization catalyst by XPS Nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at various carbonization temperatures (300°C, 450°C, 600°C, and 800°C) in Example 1-1, and , nickel rhodium chloro complex [Ni II Cl (N 2 S 2 )Rh III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )]. Here, the XPS measurement was performed using a mixture of a nickel-rhodium dry distillation catalyst or a nickel-rhodium chloro complex (5 mg) and carbon black (5 mg) as a sample. Figure 2 shows the XPS results. In FIG. 2, "1" represents a nickel-rhodium chloro complex.

(2)ニッケル・ロジウム乾留触媒のXRDによる分析
実施例1-1において様々な乾留温度(100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃)で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒、及び、ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)]のそれぞれにつき、XRD測定を行った。ここで、XRD測定は、ニッケル・ロジウム乾留触媒またはニッケル・ロジウムクロロ錯体(5mg)とカーボンブラック(5mg)との混合物をサンプルとして行なった。図3にXRDの結果を示した。
(2) XRD analysis of nickel-rhodium carbonization catalyst Synthesized at various carbonization temperatures (100°C, 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C) in Example 1-1 XRD measurements were performed on each of the nickel-rhodium dry distillation catalyst and the nickel-rhodium chloro complex [Ni II Cl (N 2 S 2 )Rh III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )]. Here, the XRD measurement was performed using a mixture of a nickel-rhodium dry distillation catalyst or a nickel-rhodium chloro complex (5 mg) and carbon black (5 mg) as a sample. FIG. 3 shows the XRD results.

図3の結果について、本発明者は以下のように推測している。
乾留を200℃以下で行って得られる乾留触媒においては、ニッケル・ロジウムクロロ錯体の一部が未反応のまま残存している。この乾留触媒における未反応のニッケル・ロジウムクロロ錯体以外の部分は、アモルファスの状態にあると考えられる。
Regarding the results shown in FIG. 3, the present inventor speculates as follows.
In the carbonization catalyst obtained by carbonization at 200° C. or lower, a portion of the nickel-rhodium chloro complex remains unreacted. The portions of this carbonization catalyst other than the unreacted nickel-rhodium chloro complex are considered to be in an amorphous state.

乾留を300~400℃で行って得られる乾留触媒には、Ni32と若干似ているが完全には同定できていないピークが認められる。このことから、この乾留触媒には、同定できていない何らかの固体が存在すると考えられる。 The carbonized catalyst obtained by carbonizing at 300 to 400°C has a peak that is somewhat similar to Ni 3 S 2 but has not been completely identified. From this, it is considered that some unidentified solid exists in this carbonization catalyst.

乾留を500℃で行って得られる乾留触媒には、Rh1715に類似した固体が生成し始めていると考えられる。
乾留を600℃で行って得られる乾留触媒は、乾留を300℃で行って得られる乾留触媒において認められる前記固体とRh1715に類似した固体とが混ざった状態と考えられる。
It is thought that a solid similar to Rh 17 S 15 has begun to form in the carbonized catalyst obtained by carbonizing at 500°C.
The carbonization catalyst obtained by carbonization at 600°C is considered to be a mixture of the solids found in the carbonization catalyst obtained by carbonization at 300°C and solids similar to Rh 17 S 15 .

乾留を700℃で行って得られる乾留触媒では、Rh1715に類似した固体のピーク強度が弱くなる。
乾留を800℃で行って得られる乾留触媒では、硫黄でドープされたRhNi合金もしくは硫黄でドープされたRhと類似する固体が生成していると考えられる。
In a carbonized catalyst obtained by carbonizing at 700° C., the peak intensity of a solid similar to Rh 17 S 15 becomes weak.
It is thought that a solid similar to a sulfur-doped RhNi alloy or sulfur-doped Rh is produced in the carbonization catalyst obtained by carbonization at 800°C.

(3)ニッケル・ロジウム乾留触媒の元素分析
実施例1-1において、様々な乾留温度(200 ℃、300 ℃、450 ℃、600 ℃、800 ℃)で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒、及び、ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)]のそれぞれにつき、元素分析を行った。ここで、元素分析は、ニッケル・ロジウム乾留触媒またはニッケル・ロジウムクロロ錯体(5mg)とカーボンブラック(5mg)との混合物をサンプルとして行い、C、H、N、Sの元素の定量を行なった。表1に元素分析の結果を示した。また、図4には、元素分析の結果をTGの結果と重ね合わせて示した。
(3) Elemental analysis of nickel-rhodium carbonization catalyst In Example 1-1, the nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at various carbonization temperatures (200 °C, 300 °C, 450 °C, 600 °C, 800 °C) and nickel - Elemental analysis was conducted for each of the rhodium chloro complexes [Ni II Cl (N 2 S 2 ) Rh III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )]. Here, elemental analysis was performed using a mixture of a nickel-rhodium dry distillation catalyst or a nickel-rhodium chloro complex (5 mg) and carbon black (5 mg) as a sample, and the elements C, H, N, and S were quantified. Table 1 shows the results of elemental analysis. Further, in FIG. 4, the results of elemental analysis are shown superimposed on the results of TG.

Figure 2023171977000005
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(4)ニッケル・ロジウム乾留触媒の(走査型)透過電子顕微鏡((S)TEM)観察、及びエネルギー分散型X線分光法(EDS)マッピングデータによる分析
実施例1-1において様々な乾留温度(200-800 ℃)で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒、及び、ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)]のそれぞれにつき、(S)TEM観察およびEDSマッピングを行い、ナノ粒子の分析を行なった。ここで、(S)TEM観察およびEDSマッピングは、ニッケル・ロジウム乾留触媒またはニッケル・ロジウムクロロ錯体(5mg)とカーボンブラック(5mg)との混合物のうちの1mgをサンプルとして行なった。図5に、600℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒について得られた、(S)TEM観察とEDSマッピングの結果を示した。
(4) Analysis using (scanning) transmission electron microscopy ((S)TEM) observation of nickel-rhodium carbonization catalyst and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping data In Example 1-1, various carbonization temperatures ( ( S _ _ _ _ _ ) TEM observation and EDS mapping were performed to analyze the nanoparticles. Here, (S)TEM observation and EDS mapping were performed using 1 mg of a mixture of a nickel-rhodium dry distillation catalyst or a nickel-rhodium chloro complex (5 mg) and carbon black (5 mg) as a sample. FIG. 5 shows the results of (S)TEM observation and EDS mapping obtained for the nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at 600°C.

IV.酸化・還元反応実験
[実施例2-1]ニッケル・ロジウム乾留触媒を用いたH2酸化反応実験
<メチレンブルーを電子アクセプターに用いたH2酸化反応実験>
実施例1-1において乾留温度を600℃として合成したニッケル・ロジウム乾留触媒と30当量のメチレンブルーを水中(pH5)で混合し、H2雰囲気下(0.1-0.8MPa)、30℃で6時間撹拌した。UV-visスペクトルで生成したメチレンブルーの還元体(ロイコメチレンブルー)を定量し、ターンオーバー数(TON)を算出した。この条件におけるTON[(ロイコメチレンブルーのモル数)/(乾留触媒のモル数)]は、表2に示すように17であった。
IV. Oxidation/reduction reaction experiment [Example 2-1] H 2 oxidation reaction experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst <H 2 oxidation reaction experiment using methylene blue as an electron acceptor>
The nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized in Example 1-1 with a carbonization temperature of 600°C and 30 equivalents of methylene blue were mixed in water (pH 5), and the mixture was heated at 30°C under an H 2 atmosphere (0.1-0.8 MPa). Stirred for 6 hours. The reduced form of methylene blue (leucomethylene blue) produced was quantified by UV-vis spectroscopy, and the turnover number (TON) was calculated. Under these conditions, TON [(number of moles of leucomethylene blue)/(number of moles of carbonization catalyst)] was 17 as shown in Table 2.

[比較例2-c1]異種二核錯体[NM]を用いたH2酸化反応実験
<メチレンブルーを電子アクセプターに用いたH2酸化反応実験>
乾留の有無による効果を確認するため、前記ニッケル・ロジウム乾留触媒に代えて、ニッケル・ロジウムクロロ錯体を用いたことを除き、実施例2-1と同様の実験を行った。
[Comparative Example 2-c1] H 2 oxidation reaction experiment using a heterogeneous dinuclear complex [NM] <H 2 oxidation reaction experiment using methylene blue as an electron acceptor>
In order to confirm the effect of the presence or absence of carbonization, an experiment similar to Example 2-1 was conducted, except that a nickel-rhodium chloro complex was used in place of the nickel-rhodium carbonization catalyst.

すなわち、[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)]と30当量のメチレンブルーを水中(pH7)で混合し、H2雰囲気下(0.1-0.8MPa)、30℃で6時間撹拌した。UV-visスペクトルで生成したメチレンブルーの還元体(ロイコメチレンブルー)を定量し、ターンオーバー数(TON)を算出した。この条件におけるTONは、表2に示すように4であった。 That is, [Ni II Cl(N 2 S 2 )Rh III Cl(η 5 -C 5 Me 5 )] and 30 equivalents of methylene blue were mixed in water (pH 7) and mixed in an H 2 atmosphere (0.1-0. 8 MPa) and stirred at 30° C. for 6 hours. The reduced form of methylene blue (leucomethylene blue) produced was quantified by UV-vis spectroscopy, and the turnover number (TON) was calculated. The TON under this condition was 4 as shown in Table 2.

[実施例3-1]ニッケル・ロジウム乾留触媒を用いたO2還元反応実験
実施例1-1において乾留温度を450℃として合成したニッケル・ロジウム乾留触媒のリン酸緩衝溶液(pH7)にH2を20分間バブリングした。反応溶液に182(2.0mL)をインジェクションし、25℃で5時間撹拌した。反応溶液をショートシリカゲルカラムに通すことで、触媒を除去した。反応溶液中に生成したH2 18O量をGC-MSにより定量し、ターンオーバー数(TON)を算出した。TON[{(H2 18Oのモル数)/(乾留触媒のモル数)}/2]は、表2に示すように、乾留触媒基準で1.7と求められた。
[Example 3-1] O 2 reduction reaction experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst H 2 was bubbled for 20 minutes. 18 O 2 (2.0 mL) was injected into the reaction solution, and the mixture was stirred at 25° C. for 5 hours. The catalyst was removed by passing the reaction solution through a short silica gel column. The amount of H 2 18 O produced in the reaction solution was determined by GC-MS, and the turnover number (TON) was calculated. As shown in Table 2, TON [{(number of moles of H 2 18 O)/(number of moles of carbonization catalyst)}/2] was determined to be 1.7 based on the carbonization catalyst.

[比較例3-c1]異種二核錯体[NM]を用いたO2還元反応実験
乾留の有無による効果を確認するため、前記ニッケル・ロジウム乾留触媒に代えて、ニッケル・ロジウムクロロ錯体を用いたことを除き、実施例3-1と同様の実験を行った。
[Comparative Example 3-c1] O 2 reduction reaction experiment using a heterogeneous dinuclear complex [NM] In order to confirm the effect of the presence or absence of carbonization, a nickel-rhodium chloro complex was used in place of the nickel-rhodium carbonization catalyst. Except for this, an experiment similar to Example 3-1 was conducted.

すなわち、[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)]のリン酸緩衝溶液(pH 7)にH2を20分間バブリングした。反応溶液に182(2.0 mL)をインジェクションし、25℃で5時間撹拌した。反応溶液をショートシリカゲルカラムに通すことで、錯体を除去した。反応溶液中に生成したH2 18O量をGC-MSにより定量し、ターンオーバー数(TON)を算出した。TON[{(H2 18Oのモル数)/(錯体のモル数)}/2]は、表2に示すように、NiRh錯体基準で0.5と求められた。 That is, H 2 was bubbled into a phosphate buffer solution (pH 7) of [Ni II Cl (N 2 S 2 ) Rh III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )] for 20 minutes. 18 O 2 (2.0 mL) was injected into the reaction solution, and the mixture was stirred at 25° C. for 5 hours. The complex was removed by passing the reaction solution through a short silica gel column. The amount of H 2 18 O produced in the reaction solution was determined by GC-MS, and the turnover number (TON) was calculated. As shown in Table 2, TON [{(number of moles of H 2 18 O)/(number of moles of complex)}/2] was determined to be 0.5 based on the NiRh complex.

Figure 2023171977000006
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V.金属錯体または乾留錯体を電極触媒として有する燃料電池についての水素-酸素燃料電池評価
V-1A.ニッケル・ロジウムクロロ錯体あるいはニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒として有する燃料電池についての水素-酸素燃料電池評価
[比較例4A-c0]ニッケル・ロジウムクロロ錯体をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)](5.0mg)とカーボンブラック(5.0mg)とを混合し、得られる混合物を耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、アノード触媒としてニッケル・ロジウムクロロ錯体を含むアノード電極(以下「アノード電極NiRhc0」)を作成した。
V. Hydrogen-oxygen fuel cell evaluation for fuel cells having metal complexes or carbonization complexes as electrode catalysts V-1A. Hydrogen-oxygen fuel cell evaluation of a fuel cell having a nickel-rhodium chloro complex or a nickel-rhodium carbonization catalyst as an anode catalyst [Comparative Example 4A-c0] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium chloro complex as an anode catalyst Nickel rhodium chloro complex [Ni II Cl (N 2 S 2 ) Rh III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )] (5.0 mg) and carbon black (5.0 mg) were mixed, and the resulting mixture was An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRhc0") containing a nickel-rhodium chloro complex as an anode catalyst was created by coating it on water-resistant carbon cloth (5 cm 2 ).

一方、Pt/C(11mg)をナフィオン(商標)溶液(59mg:ナフィオン/カーボン比=2(wt/wt))に加えて1時間超音波処理して得られる懸濁液を、耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、カソード触媒としてPt/Cを含むカソード電極(以下「カソード電極Pt」)を作成した。 On the other hand, Pt/C (11 mg) was added to Nafion (trademark) solution (59 mg: Nafion/carbon ratio = 2 (wt/wt)) and the suspension obtained by ultrasonication for 1 hour was mixed with water-resistant carbon cloth. (5 cm 2 ) to create a cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode Pt") containing Pt/C as a cathode catalyst.

また、ナフィオン(商標)膜212につき、3%過酸化水素水で1時間、1.0M硫酸水で1時間、および、脱イオン水で1時間、それぞれ煮沸することにより前処理を行った。
前記前処理を行ったナフィオン(商標)膜212を、前記アノード電極NiRhc0と前記カソード電極Ptとではさみ、膜電極接合体(MEA)を得た。このMEAは、カーボンクロスからなる層と、アノード触媒を含む層と、ナフィオン(商標)膜212からなる層と、カソード触媒を含む層と、カーボンクロスからなる層とをこの順番で有している。このMEAにおいて、ナフィオン(商標)膜212は、プロトン伝導膜として機能する。このMEAを燃料電池セル(5cm2)に組み込むことで、図6に示す構成を有する燃料電池とした。この燃料電池は、MEAの両側に、流路を内蔵した1対の集電板を有している。ここで、燃料電池の外部から導入されるアノードガスは、アノード側に配された集電板を通じてアノードに供給され、燃料電池の外部から導入されるカソードガスは、カソード側に配された集電板を通じてカソードに供給される。
Further, the Nafion (trademark) membrane 212 was pretreated by boiling it in 3% hydrogen peroxide solution for 1 hour, in 1.0 M sulfuric acid solution for 1 hour, and in deionized water for 1 hour.
The pretreated Nafion (trademark) membrane 212 was sandwiched between the anode electrode NiRhc0 and the cathode electrode Pt to obtain a membrane electrode assembly (MEA). This MEA has a layer made of carbon cloth, a layer containing an anode catalyst, a layer made of Nafion (trademark) membrane 212, a layer containing a cathode catalyst, and a layer made of carbon cloth in this order. . In this MEA, the Nafion™ membrane 212 functions as a proton conductive membrane. By incorporating this MEA into a fuel cell (5 cm 2 ), a fuel cell having the configuration shown in FIG. 6 was obtained. This fuel cell has a pair of current collector plates with built-in flow channels on both sides of the MEA. Here, anode gas introduced from outside the fuel cell is supplied to the anode through a current collector plate placed on the anode side, and cathode gas introduced from outside the fuel cell is supplied to the anode through a current collector plate placed on the cathode side. It is supplied to the cathode through the plate.

得られた燃料電池につき、アノードガスとして水素、カソードガスとして酸素を用い、60℃での燃料電池評価を行った。ここで、燃料電池評価は、燃料電池につきリニアスイープボルタンメトリーを用いて電流-電位特性を測定し、得られた電流-電圧特性曲線から最大電力密度を算出することによって行った。その結果、図9と表3に示すように電池として機能した。 The obtained fuel cell was evaluated at 60° C. using hydrogen as an anode gas and oxygen as a cathode gas. Here, the fuel cell evaluation was performed by measuring the current-potential characteristics of the fuel cell using linear sweep voltammetry, and calculating the maximum power density from the obtained current-voltage characteristic curve. As a result, as shown in FIG. 9 and Table 3, it functioned as a battery.

[比較例4A-c1]乾留温度100℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
実施例1-1において乾留温度100℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒100」)(5.0mg)を耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、アノード触媒としてNiRh乾留触媒100を含むアノード電極(以下「アノード電極NiRhc1」)を作成した。
[Comparative Example 4A-c1] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 100°C as an anode catalyst A nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 100°C in Example 1-1 ( An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRhc1") containing NiRh carbonization catalyst 100 as an anode catalyst was created by applying "NiRh carbonization catalyst 100" (5.0 mg) on a water-resistant carbon cloth (5 cm 2 ). did.

そして、アノード電極NiRhc0に代えてこのアノード電極NiRhc1を用いたことを除いては比較例4A-c0と同様に、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図9と表3に示すように電池として機能した。 Then, a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell were prepared and the fuel cell was evaluated in the same manner as in Comparative Example 4A-c0, except that this anode electrode NiRhc1 was used in place of the anode electrode NiRhc0. . As a result, as shown in FIG. 9 and Table 3, it functioned as a battery.

[比較例4A-c2]乾留温度200℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度200℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒200」)を用いたことを除いては比較例4A-c1と同様にアノード電極(以下「アノード電極NiRhc2」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図9と表3に示すように電池として機能した。
[Comparative Example 4A-c2] Fuel cell evaluation experiment when a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 200°C was used as an anode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, a carbonization temperature of 200°C in Example 1-1 was used. An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRhc2") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 4A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonization catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonization catalyst 200") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, as shown in FIG. 9 and Table 3, it functioned as a battery.

[実施例4A-1]乾留温度300℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度300℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒300」)を用いたことを除いては比較例4A-c1と同様にアノード電極(以下「アノード電極NiRh1」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図9と表3に示すように電池として機能した。
[Example 4A-1] Fuel cell evaluation experiment when a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 300°C was used as an anode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1 at a carbonization temperature of 300°C. An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRh1") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 4A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 300") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, as shown in FIG. 9 and Table 3, it functioned as a battery.

[実施例4A-2]乾留温度400℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度400℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒400」)を用いたことを除いては比較例4A-c1と同様にアノード電極(以下「アノード電極NiRh2」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図9と表3に示すように電池として機能した。
[Example 4A-2] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 400°C as an anode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1, a carbonization temperature of 400°C was used. An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRh2") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 4A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 400") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, as shown in FIG. 9 and Table 3, it functioned as a battery.

[実施例4A-3]乾留温度500℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度500℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒500」)を用いたことを除いては比較例4A-c1と同様にアノード電極(以下「アノード電極NiRh3」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図9と表3に示すように電池として機能した。
[Example 4A-3] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 500°C as an anode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1, a carbonization temperature of 500°C was used. An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRh3") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 4A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 500") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, as shown in FIG. 9 and Table 3, it functioned as a battery.

[実施例4A-4]乾留温度600℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度600℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒600」)を用いたことを除いては比較例4A-c1と同様にアノード電極(以下「アノード電極NiRh4」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図9と表3に示すように電池として機能した。また、図7に、燃料電池評価によって得られた電流密度に対するセル電圧及び出力密度の関係を表すチャートを示す。
[Example 4A-4] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 600°C as an anode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1, a carbonization temperature of 600°C was used. An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRh4") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 4A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 600") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, as shown in FIG. 9 and Table 3, it functioned as a battery. Further, FIG. 7 shows a chart showing the relationship between cell voltage and output density with respect to current density obtained by fuel cell evaluation.

[実施例4A-5]乾留温度700℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度700℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒700」)を用いたことを除いては比較例4A-c1と同様にアノード電極(以下「アノード電極NiRh5」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図9と表3に示すように電池として機能した。
[Example 4A-5] Fuel cell evaluation experiment when a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 700°C was used as an anode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1, a carbonization temperature of 700°C was used. An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRh5") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 4A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 700") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, as shown in FIG. 9 and Table 3, it functioned as a battery.

[実施例4A-6]乾留温度800℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度800℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒800」)を用いたことを除いては比較例4A-c1と同様にアノード電極(以下「アノード電極NiRh6」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図9と表3に示すように電池として機能した。
[Example 4A-6] Fuel cell evaluation experiment when a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 800°C was used as an anode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1, a carbonization temperature of 800°C was used. An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRh6") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 4A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 800") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, as shown in FIG. 9 and Table 3, it functioned as a battery.

V-1B.ニッケル・イリジウム乾留触媒をアノード触媒として有する燃料電池についての水素-酸素燃料電池評価
[実施例4B-1]乾留温度600℃で合成したニッケル・イリジウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
実施例1-2において乾留温度600℃で合成したニッケル・イリジウム乾留触媒(以下「NiIr乾留触媒600」)(5.0mg)を耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、アノード電極(以下「アノード電極NiIr1」)を作成した。
V-1B. Hydrogen-oxygen fuel cell evaluation of a fuel cell having a nickel-iridium carbonization catalyst as an anode catalyst [Example 4B-1] Fuel cell evaluation when a nickel-iridium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 600°C is used as an anode catalyst Experiment By applying the nickel-iridium carbonization catalyst (hereinafter referred to as "NiIr carbonization catalyst 600") (5.0 mg) synthesized at a carbonization temperature of 600°C in Example 1-2 on a water-resistant carbon cloth (5 cm 2 ), the anode An electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiIr1") was created.

そして、アノード電極NiRhc0に代えてこのアノード電極NiIr1を用いたことを除いては比較例4A-c0と同様に、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、表3に示すように電池として機能した。 Then, a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell were prepared and the fuel cell was evaluated in the same manner as in Comparative Example 4A-c0, except that this anode electrode NiIr1 was used in place of the anode electrode NiRhc0. . As a result, as shown in Table 3, it functioned as a battery.

V-1C.ニッケル・ルテニウム乾留触媒をアノード触媒として有する燃料電池についての水素-酸素燃料電池評価
[実施例4C-1]乾留温度600 ℃でニッケル・ルテニウム乾留触媒をアノード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
実施例1-3において乾留温度600℃で合成したニッケル・ルテニウム乾留触媒(以下「NiRu乾留触媒600」)(5.0mg)をカーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、アノード触媒としてニッケル・ルテニウム乾留触媒600を含むアノード電極(以下「アノード電極NiRu1」)を作成した。
V-1C. Hydrogen-oxygen fuel cell evaluation of a fuel cell having a nickel-ruthenium carbonization catalyst as an anode catalyst [Example 4C-1] Fuel cell evaluation experiment conducted using a nickel-ruthenium carbonization catalyst as an anode catalyst at a carbonization temperature of 600°C By applying the nickel-ruthenium carbonization catalyst (hereinafter referred to as "NiRu carbonization catalyst 600") (5.0mg) synthesized at a carbonization temperature of 600°C in Example 1-3 onto carbon cloth (5cm 2 ), the nickel-ruthenium carbonization catalyst was synthesized at a carbonization temperature of 600°C in Example 1-3. An anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRu1") containing a ruthenium carbonization catalyst 600 was created.

そして、アノード電極NiRhc0に代えてこのアノード電極NiRu1を用いたことを除いては比較例4A-c0と同様に、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、表3に示すように電池として機能した。 Then, a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell were prepared and the fuel cell was evaluated in the same manner as in Comparative Example 4A-c0, except that this anode electrode NiRu1 was used in place of the anode electrode NiRhc0. . As a result, as shown in Table 3, it functioned as a battery.

Figure 2023171977000007
Figure 2023171977000007

V-2A.ニッケル・ロジウムクロロ錯体あるいはニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード触媒として有する燃料電池についての水素-酸素燃料電池評価
[比較例5A-c0]ニッケル・ロジウムクロロ錯体をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)](5.0mg)とカーボンブラック(5.0mg)とを混合し、得られる混合物を耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、カソード触媒としてニッケル・ロジウムクロロ錯体を含むカソード電極(以下「カソード電極NiRhc0」)を作成した。
V-2A. Hydrogen-oxygen fuel cell evaluation of a fuel cell having a nickel-rhodium chloro complex or a nickel-rhodium carbonization catalyst as a cathode catalyst [Comparative Example 5A-c0] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium chloro complex as a cathode catalyst Nickel rhodium chloro complex [Ni II Cl (N 2 S 2 ) Rh III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )] (5.0 mg) and carbon black (5.0 mg) were mixed, and the resulting mixture was A cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRhc0") containing a nickel-rhodium chloro complex as a cathode catalyst was created by coating it on water-resistant carbon cloth (5 cm 2 ).

一方、Pt/C(11mg)をナフィオン(商標)溶液(59mg:ナフィオン/カーボン比=2(wt/wt))に加えて1時間超音波処理して得られる懸濁液を、耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、アノード触媒としてPt/Cを含むアノード電極(以下「アノード電極Pt」)を作成した。 On the other hand, Pt/C (11 mg) was added to Nafion (trademark) solution (59 mg: Nafion/carbon ratio = 2 (wt/wt)) and the suspension obtained by ultrasonication for 1 hour was mixed with water-resistant carbon cloth. (5 cm 2 ) to create an anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode Pt") containing Pt/C as an anode catalyst.

また、ナフィオン(商標)膜212につき、3%過酸化水素水で1時間、1.0M硫酸水で1時間、および、脱イオン水で1時間、それぞれ煮沸することにより前処理を行った。
前記前処理を行ったナフィオン(商標)膜212を、前記カソード電極NiRhc0と前記アノード電極Ptとではさみ、膜電極接合体(MEA)を得た。このMEAは、カーボンクロスからなる層と、アノード触媒を含む層と、ナフィオン(商標)膜212からなる層と、カソード触媒を含む層と、カーボンクロスからなる層とをこの順番で有している。このMEAを燃料電池セル(5cm2)に組み込むことで燃料電池とした。
Further, the Nafion (trademark) membrane 212 was pretreated by boiling it in 3% hydrogen peroxide solution for 1 hour, in 1.0 M sulfuric acid solution for 1 hour, and in deionized water for 1 hour.
The pretreated Nafion (trademark) membrane 212 was sandwiched between the cathode electrode NiRhc0 and the anode electrode Pt to obtain a membrane electrode assembly (MEA). This MEA has a layer made of carbon cloth, a layer containing an anode catalyst, a layer made of Nafion (trademark) membrane 212, a layer containing a cathode catalyst, and a layer made of carbon cloth in this order. . A fuel cell was prepared by incorporating this MEA into a fuel cell (5 cm 2 ).

得られた燃料電池につき、アノードガスとして水素、カソードガスとして酸素を用い、60℃での燃料電池評価を行った。ここで、燃料電池評価は、燃料電池につきリニアスイープボルタンメトリーを用いて電流-電位特性を測定し、得られた電流-電圧特性曲線から最大電力密度を算出することによって行った。その結果、表4に示すように電池として機能した。 The obtained fuel cell was evaluated at 60° C. using hydrogen as an anode gas and oxygen as a cathode gas. Here, the fuel cell evaluation was performed by measuring the current-potential characteristics of the fuel cell using linear sweep voltammetry, and calculating the maximum power density from the obtained current-voltage characteristic curve. As a result, as shown in Table 4, it functioned as a battery.

[比較例5A-c1]乾留温度100℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
実施例1-1において乾留温度100℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒100」)(5.0mg)を耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、カソード触媒としてNiRh乾留触媒100を含むカソード電極(以下「カソード電極NiRhc1」)を作成した。
[Comparative Example 5A-c1] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 100°C as a cathode catalyst A nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 100°C in Example 1-1 ( A cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRhc1") containing NiRh carbonization catalyst 100 as a cathode catalyst was created by applying "NiRh carbonization catalyst 100" (5.0 mg) on a water-resistant carbon cloth (5 cm 2 ). did.

そして、カソード電極NiRhc0に代えてこのカソード電極NiRhc1を用いたことを除いては比較例5A-c0と同様に、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図10と表4に示すように電池として機能した。 Then, a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell were prepared and the fuel cell was evaluated in the same manner as in Comparative Example 5A-c0, except that this cathode electrode NiRhc1 was used instead of the cathode electrode NiRhc0. . As a result, it functioned as a battery as shown in FIG. 10 and Table 4.

[比較例5A-c2]乾留温度200℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度200 ℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒200」)を用いたことを除いては比較例5A-c1と同様にカソード電極(以下「カソード電極NiRhc2」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図10と表4に示すように電池として機能した。
[Comparative Example 5A-c2] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 200°C as a cathode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, a carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 200°C in Example 1-1 was used. A cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRhc2") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 5A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonization catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonization catalyst 200") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, it functioned as a battery as shown in FIG. 10 and Table 4.

[実施例5A-1]乾留温度300℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度300℃で作成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒300」)を用いたことを除いては比較例5A-c1と同様にカソード電極(以下「カソード電極NiRh1」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図10と表4に示すように電池として機能した。
[Example 5A-1] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 300°C as a cathode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1, a carbonization temperature of 300°C was used. A cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRh1") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 5A-c1, except that the prepared nickel rhodium carbonized distillation catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 300") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, it functioned as a battery as shown in FIG. 10 and Table 4.

[実施例5A-2]乾留温度400℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度400℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒400」)を用いたことを除いては比較例5A-c1と同様にカソード電極(以下「カソード電極NiRh2」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図10と表4に示すように電池として機能した。
[Example 5A-2] Fuel cell evaluation experiment when using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 400°C as a cathode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1 at a carbonization temperature of 400°C A cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRh2") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 5A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 400") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, it functioned as a battery as shown in FIG. 10 and Table 4.

[実施例5A-3]乾留温度500℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度500℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒500」)を用いたことを除いては比較例5A-c1と同様にカソード電極(以下「カソード電極NiRh3」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図10と表4に示すように電池として機能した。
[Example 5A-3] Fuel cell evaluation experiment when a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 500°C was used as a cathode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, a carbonization temperature of 500°C in Example 1-1 was used. A cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRh3") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 5A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 500") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, it functioned as a battery as shown in FIG. 10 and Table 4.

[実施例5A-4]乾留温度600℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度600℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒600」)を用いたことを除いては比較例5A-c1と同様にカソード電極(以下「カソード電極NiRh4」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図10と表4に示すように電池として機能した。また、図8に、燃料電池評価によって得られた電流密度に対するセル電圧及び出力密度の関係を表すチャートを示す。
[Example 5A-4] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 600°C as a cathode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, a carbonization temperature of 600°C in Example 1-1 A cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRh4") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 5A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 600") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, it functioned as a battery as shown in FIG. 10 and Table 4. Further, FIG. 8 shows a chart showing the relationship between cell voltage and output density with respect to current density obtained by fuel cell evaluation.

[実施例5A-5]乾留温度700℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度700℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒700」)を用いたことを除いては比較例5A-c1と同様にカソード電極(以下「カソード電極NiRh5」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図10と表4に示すように電池として機能した。
[Example 5A-5] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 700°C as a cathode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1, a carbonization temperature of 700°C was used. A cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRh5") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 5A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonized catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonized distillation catalyst 700") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, it functioned as a battery as shown in FIG. 10 and Table 4.

[実施例5A-6]乾留温度800℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
NiRh乾留触媒100に代えて、実施例1-1において乾留温度800℃で合成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒800」)を用いたことを除いては比較例5A-c1と同様にカソード電極(以下「カソード電極NiRh6」)、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図10と表4に示すように電池として機能した。
[Example 5A-6] Fuel cell evaluation experiment using a nickel-rhodium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 800°C as a cathode catalyst Instead of the NiRh carbonization catalyst 100, in Example 1-1, a carbonization temperature of 800°C was used. A cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRh6") and a membrane electrode assembly (MEA) were prepared in the same manner as in Comparative Example 5A-c1, except that a synthesized nickel-rhodium carbonization catalyst (hereinafter referred to as "NiRh carbonization catalyst 800") was used. We also created a fuel cell and evaluated the fuel cell. As a result, it functioned as a battery as shown in FIG. 10 and Table 4.

V-2B.ニッケル・イリジウム乾留触媒をカソード触媒として有する燃料電池についての水素-酸素燃料電池評価
[実施例5B-1]乾留温度600℃で合成したニッケル・イリジウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
実施例1-2において乾留温度600℃で合成したニッケル・イリジウム乾留触媒(以下「NiIr乾留触媒600」)(5.0mg)を耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、カソード電極(以下「カソード電極NiIr1」)を作成した。
V-2B. Hydrogen-oxygen fuel cell evaluation of a fuel cell having a nickel-iridium carbonization catalyst as a cathode catalyst [Example 5B-1] Fuel cell evaluation when a nickel-iridium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 600°C is used as a cathode catalyst Experiment By applying the nickel-iridium carbonization catalyst (hereinafter referred to as "NiIr carbonization catalyst 600") (5.0 mg) synthesized at a carbonization temperature of 600°C in Example 1-2 onto a water-resistant carbon cloth (5 cm 2 ), the cathode An electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiIr1") was created.

そして、カソード電極NiRhc0に代えてこのカソード電極NiIr1を用いたことを除いては比較例5A-c0と同様に、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、表4に示すように電池として機能した。 Then, a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell were prepared and the fuel cell was evaluated in the same manner as in Comparative Example 5A-c0, except that this cathode electrode NiIr1 was used in place of the cathode electrode NiRhc0. . As a result, as shown in Table 4, it functioned as a battery.

V-2C.ニッケル・ルテニウム乾留触媒をカソード触媒として有する燃料電池についての水素-酸素燃料電池評価
[実施例5C-1]乾留温度600℃で合成したニッケル・ルテニウム乾留触媒をカソード触媒として用いたときの燃料電池評価実験
実施例1-3において乾留温度600℃で合成したニッケル・ルテニウム乾留触媒(以下「NiRu乾留触媒600」)(5.0mg)を耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、カソード電極(以下「カソード電極NiRu1」)を作成した。
V-2C. Hydrogen-oxygen fuel cell evaluation of a fuel cell having a nickel-ruthenium carbonization catalyst as a cathode catalyst [Example 5C-1] Fuel cell evaluation when a nickel-ruthenium carbonization catalyst synthesized at a carbonization temperature of 600°C is used as a cathode catalyst Experiment By applying the nickel-ruthenium carbonization catalyst (hereinafter referred to as "NiRu carbonization catalyst 600") (5.0 mg) synthesized at a carbonization temperature of 600°C in Example 1-3 onto a water-resistant carbon cloth (5 cm 2 ), the cathode An electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRu1") was created.

そして、カソード電極NiRhc0に代えてこのカソード電極NiRu1を用いたことを除いては比較例5A-c0と同様に、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、表4に示すように電池として機能した。 Then, a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell were prepared and the fuel cell was evaluated in the same manner as in Comparative Example 5A-c0, except that this cathode electrode NiRu1 was used in place of the cathode electrode NiRhc0. . As a result, as shown in Table 4, it functioned as a battery.

Figure 2023171977000008
Figure 2023171977000008

V-3A.ニッケル・ロジウムクロロ錯体あるいはニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード触媒及びカソード触媒として有する燃料電池についての水素-酸素燃料電池評価
[比較例6A-c0]ニッケル・ロジウムクロロ錯体をアノード触媒とカソード触媒の両方に用いたときの水素-酸素燃料電池評価
ニッケル・ロジウムクロロ錯体[NiIICl(N22)RhIIICl(η5-C5Me5)](5.0mg)とカーボンブラック(5.0mg)とを混合し、得られる混合物を耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、アノード電極(以下「アノード電極NiRhc0」)及びカソード電極(以下「カソード電極NiRhc0」)を作成した。
V-3A. Hydrogen-oxygen fuel cell evaluation for fuel cells having nickel-rhodium chloro complex or nickel-rhodium carbonization catalyst as anode catalyst and cathode catalyst [Comparative Example 6A-c0] Nickel-rhodium chloro complex as both anode catalyst and cathode catalyst Evaluation of hydrogen-oxygen fuel cell when using nickel-rhodium chloro complex [Ni II Cl (N 2 S 2 ) Rh III Cl (η 5 -C 5 Me 5 )] (5.0 mg) and carbon black (5.0 mg) ) and the resulting mixture was coated on a water-resistant carbon cloth (5 cm 2 ) to create an anode electrode (hereinafter referred to as "anode electrode NiRhc0") and a cathode electrode (hereinafter referred to as "cathode electrode NiRhc0").

また、ナフィオン(商標)膜212につき、3%過酸化水素水で1時間、1.0M硫酸水で1時間、および、脱イオン水で1時間、それぞれ煮沸することにより前処理を行った。
前記前処理を行ったナフィオン(商標)膜212を、前記カソード電極NiRhc0と前記アノード電極NiRhc0とではさみ、膜電極接合体(MEA)を得た。このMEAは、カーボンクロスからなる層と、アノード触媒を含む層と、ナフィオン(商標)膜212からなる層と、カソード触媒を含む層と、カーボンクロスからなる層とをこの順番で有している。このMEAを燃料電池セル(5cm2)に組み込むことで燃料電池とした。
Further, the Nafion (trademark) membrane 212 was pretreated by boiling it in 3% hydrogen peroxide solution for 1 hour, in 1.0 M sulfuric acid solution for 1 hour, and in deionized water for 1 hour.
The pretreated Nafion (trademark) membrane 212 was sandwiched between the cathode electrode NiRhc0 and the anode electrode NiRhc0 to obtain a membrane electrode assembly (MEA). This MEA has a layer made of carbon cloth, a layer containing an anode catalyst, a layer made of Nafion (trademark) membrane 212, a layer containing a cathode catalyst, and a layer made of carbon cloth in this order. . A fuel cell was prepared by incorporating this MEA into a fuel cell (5 cm 2 ).

得られた燃料電池につき、燃料電池評価を行った。ここで、燃料電池評価は、燃料電池につきリニアスイープボルタンメトリーを用いて電流-電位特性を測定し、得られた電流-電圧特性曲線から最大電力密度を算出することによって行った。その結果、表5に示すように電池として機能した。 Fuel cell evaluation was performed on the obtained fuel cell. Here, the fuel cell evaluation was performed by measuring the current-potential characteristics of the fuel cell using linear sweep voltammetry, and calculating the maximum power density from the obtained current-voltage characteristic curve. As a result, as shown in Table 5, it functioned as a battery.

[実施例6A-1]ニッケル・ロジウム乾留触媒をアノードとカソード触媒の両方に用いた水素-酸素燃料電池評価
実施例1-1において乾留温度600℃で作成したニッケル・ロジウム乾留触媒(以下「NiRh乾留触媒100」)(5.0mg)を耐水性カーボンクロス(5cm2)上に塗布することで、アノード電極(以下「アノード電極NiRh1」)及びカソード電極(以下「カソード電極NiRh1」)を作成した。
[Example 6A-1] Evaluation of a hydrogen-oxygen fuel cell using a nickel-rhodium carbonization catalyst as both anode and cathode catalysts A nickel-rhodium carbonization catalyst (hereinafter referred to as "NiRh") prepared at a carbonization temperature of 600°C in Example 1-1 An anode electrode (hereinafter referred to as ``anode electrode NiRh1'') and a cathode electrode ( hereinafter referred to as ``cathode electrode NiRh1'') were created by applying carbonized catalyst 100'' (5.0 mg) onto a water-resistant carbon cloth (5 cm 2 ). .

そして、アノード電極NiRhc0に代えてアノード電極NiRhc1を用い、かつ、カソード電極NiRhc0に代えてカソード電極NiRhc1を用いたことを除いては比較例6A-c0と同様に、膜電極接合体(MEA)および燃料電池の作成、並びに、燃料電池評価を行った。その結果、図11と表5に示すように電池として機能した。 Then, the membrane electrode assembly (MEA) and A fuel cell was created and the fuel cell was evaluated. As a result, it functioned as a battery as shown in FIG. 11 and Table 5.

Figure 2023171977000009
Figure 2023171977000009

VI.金属錯体または乾留錯体を電極触媒として有する燃料電池についての電極触媒能評価
[比較例7-c1]ニッケル・ロジウムクロロ錯体をアノード電極触媒、白金をカソード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のターフェルプロット及びインピーダンス測定による電極触媒能評価
参照電極として可逆水素電極を有する構成とした以外は比較例4A-c0と同様に燃料電池を作成し、得られた燃料電池につき、アノードガスとして水素、カソードガスとして酸素を用い、60℃でのターフェルプロット及びインピーダンススペクトルを得た。
VI. Electrocatalytic performance evaluation for fuel cells having metal complexes or carbonized complexes as electrode catalysts [Comparative Example 7-c1] Tafel of hydrogen-oxygen fuel cells using nickel-rhodium chloro complexes as anode electrode catalysts and platinum as cathode electrode catalysts Evaluation of electrode catalytic performance by plotting and impedance measurement A fuel cell was prepared in the same manner as Comparative Example 4A-c0 except that a reversible hydrogen electrode was used as the reference electrode. A Tafel plot and an impedance spectrum at 60° C. were obtained using oxygen as the sample.

ここで、ターフェルプロット及びインピーダンス測定は、いずれも、東洋テクニカ株式会社製燃料電池評価装置APM-09、Solartron Model 1287A Potentiostat/Galvanostat、および1255B Frequency Response Analyzerを用い、アノードにニッケル・ロジウムクロロ錯体を用い、カソードに白金を用い、参照電極には可逆水素電極を用い、測定温度を60℃として実施した。 Here, both the Tafel plot and the impedance measurement were performed using a fuel cell evaluation device APM-09 manufactured by Toyo Technica Co., Ltd., Solartron Model 1287A Potentiostat/Galvanostat, and 1255B Frequency Response Analyzer. using a nickel-rhodium chloro complex The measurements were carried out using platinum as the cathode, a reversible hydrogen electrode as the reference electrode, and a measurement temperature of 60°C.

得られたターフェルプロットを、図12に示す。ここで、図12において、点線は、IRフリー過電圧の比較的高い領域のプロットから得られる近似直線を表し、この近似直線をIRフリー過電圧の低い領域に外挿したときにおけるIRフリー過電圧0における値から交換電流密度を求めた。 The obtained Tafel plot is shown in FIG. 12. Here, in FIG. 12, the dotted line represents an approximate straight line obtained from a plot in a relatively high IR free overvoltage region, and the value at 0 of IR free overvoltage when this approximate straight line is extrapolated to a low IR free overvoltage region. The exchange current density was determined from

得られたインピーダンススペクトルを、図16に示す。
ターフェルプロットとインピーダンス測定から求めたニッケル・ロジウム錯体による水素酸化反応の交換電流密度は、表6に示すように0.0286 mA cm-2であった。
The obtained impedance spectrum is shown in FIG. 16.
The exchange current density of the hydrogen oxidation reaction by the nickel-rhodium complex determined from the Tafel plot and impedance measurement was 0.0286 mA cm -2 as shown in Table 6.

[実施例7-1]ニッケル・ロジウム乾留触媒をアノード電極触媒、白金をカソード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のターフェルプロット及びインピーダンス測定による電極触媒能評価
参照電極として可逆水素電極を有する構成とした以外は実施例4A-4と同様に燃料電池を作成し、得られた燃料電池につき、アノードガスとして水素、カソードガスとして酸素を用い、比較例7-c1と同様に60℃でのターフェルプロット及びインピーダンススペクトルを得た。このターフェルプロット及びインピーダンス測定は、アノードとしてニッケル・ロジウム乾留触媒(NiRh乾留触媒600)を用い、カソードとして白金を用い、参照電極として可逆水素電極を用いて行われたことになる。得られたターフェルプロットおよびインピーダンススペクトルを、それぞれ図13および図17に示す。
[Example 7-1] Electrocatalyst performance evaluation by Tafel plot and impedance measurement of a hydrogen-oxygen fuel cell using a nickel-rhodium carbonization catalyst as an anode electrode catalyst and platinum as a cathode electrode. Configuration with a reversible hydrogen electrode as a reference electrode. A fuel cell was produced in the same manner as in Example 4A-4, except that hydrogen was used as the anode gas, oxygen was used as the cathode gas, and Tafel was heated at 60°C in the same manner as in Comparative Example 7-c1. Plots and impedance spectra were obtained. This Tafel plot and impedance measurement were performed using a nickel-rhodium carbonization catalyst (NiRh carbonization catalyst 600) as an anode, platinum as a cathode, and a reversible hydrogen electrode as a reference electrode. The obtained Tafel plot and impedance spectrum are shown in FIG. 13 and FIG. 17, respectively.

ターフェルプロットとインピーダンス測定から求めた乾留触媒による水素酸化反応の交換電流密度は、表6に示すように13.9 mA cm-2であり、ニッケル・ロジウム錯体と比較して486倍に向上した。 The exchange current density of the hydrogen oxidation reaction using the carbonization catalyst determined from the Tafel plot and impedance measurement was 13.9 mA cm -2 as shown in Table 6, which was 486 times higher than that of the nickel-rhodium complex.

[比較例8-c1]ニッケル・ロジウムクロロ錯体をカソード電極触媒、白金をアノード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のターフェルプロット及びインピーダンス測定による電極触媒能評価
参照電極として可逆水素電極を有する構成とした以外は比較例5A-c0と同様に燃料電池を作成し、得られた燃料電池につき、アノードガスとして水素、カソードガスとして酸素を用い、比較例7-c1と同様に60℃でのターフェルプロット及びインピーダンススペクトルを得た。このターフェルプロット及びインピーダンス測定は、アノードとして白金を用い、カソードとしてニッケル・ロジウムクロロ錯体を用い、参照電極として可逆水素電極を用いて行われたことになる。得られたターフェルプロットおよびインピーダンススペクトルを、それぞれ図14および図18に示す。
[Comparative Example 8-c1] Electrocatalytic performance evaluation by Tafel plot and impedance measurement of a hydrogen-oxygen fuel cell using a nickel-rhodium chloro complex as a cathode electrode catalyst and platinum as an anode electrode catalyst Configuration with a reversible hydrogen electrode as a reference electrode A fuel cell was produced in the same manner as in Comparative Example 5A-c0, except that hydrogen was used as the anode gas, oxygen was used as the cathode gas, and Tafel was heated at 60°C in the same manner as in Comparative Example 7-c1. Plots and impedance spectra were obtained. This Tafel plot and impedance measurement were performed using platinum as an anode, a nickel rhodium chloro complex as a cathode, and a reversible hydrogen electrode as a reference electrode. The obtained Tafel plot and impedance spectrum are shown in FIG. 14 and FIG. 18, respectively.

ターフェルプロットとインピーダンス測定から求めたニッケル・ロジウム錯体による酸素還元反応の交換電流密度は、表6に示すように0.0161 mA cm-2であった。 The exchange current density of the oxygen reduction reaction by the nickel-rhodium complex determined from the Tafel plot and impedance measurement was 0.0161 mA cm -2 as shown in Table 6.

[実施例8-1]ニッケル・ロジウム乾留触媒をカソード電極触媒、白金をアノード電極触媒に用いた水素―酸素燃料電池のターフェルプロット及びインピーダンス測定による電極触媒能評価
参照電極として可逆水素電極を有する構成とした以外は実施例5A-4と同様に燃料電池を作成し、得られた燃料電池につき、アノードガスとして水素、カソードガスとして酸素を用い、比較例7-c1と同様に60℃でのターフェルプロット及びインピーダンススペクトルを得た。このターフェルプロット及びインピーダンス測定は、アノードとして白金を用い、カソードとしてニッケル・ロジウム乾留触媒(NiRh乾留触媒600)を用い、参照電極として可逆水素電極を用いて行われたことになる。得られたターフェルプロットおよびインピーダンススペクトルを、それぞれ図15および図19に示す。
[Example 8-1] Electrocatalyst performance evaluation by Tafel plot and impedance measurement of a hydrogen-oxygen fuel cell using a nickel-rhodium dry distillation catalyst as a cathode electrode catalyst and platinum as an anode electrode catalyst Configuration with a reversible hydrogen electrode as a reference electrode A fuel cell was produced in the same manner as in Example 5A-4, except that hydrogen was used as the anode gas, oxygen was used as the cathode gas, and Tafel was heated at 60°C in the same manner as in Comparative Example 7-c1. Plots and impedance spectra were obtained. This Tafel plot and impedance measurement were performed using platinum as an anode, a nickel-rhodium carbonization catalyst (NiRh carbonization catalyst 600) as a cathode, and a reversible hydrogen electrode as a reference electrode. The obtained Tafel plot and impedance spectrum are shown in FIG. 15 and FIG. 19, respectively.

ターフェルプロットとインピーダンス測定から求めた乾留触媒による酸素還元反応の交換電流密度は、表6に示すように10.5 mA cm-2であり、ニッケル・ロジウム錯体と比較して652倍に向上した。 The exchange current density of the oxygen reduction reaction using the carbonization catalyst determined from the Tafel plot and impedance measurement was 10.5 mA cm -2 as shown in Table 6, which was 652 times higher than that of the nickel-rhodium complex.

Figure 2023171977000010
Figure 2023171977000010

Claims (15)

第1の遷移金属M1および第2の遷移金属M2を構成元素として含む触媒成分と導電性材料とを含む電極触媒であって、
第1の遷移金属M1、第2の遷移金属M2、炭素、水素、窒素および硫黄を構成元素として含み、かつ、水素の含有量および窒素の含有量がともに1重量%未満である粒子であり、
当該粒子の表面に第1の遷移金属M1の硫化物と金属態の第2の遷移金属M2が観測される電極触媒。
An electrode catalyst comprising a catalyst component containing a first transition metal M1 and a second transition metal M2 as constituent elements and a conductive material,
Particles containing a first transition metal M1, a second transition metal M2, carbon, hydrogen, nitrogen and sulfur as constituent elements, and in which the hydrogen content and nitrogen content are both less than 1% by weight,
An electrode catalyst in which a sulfide of a first transition metal M1 and a second transition metal M2 in a metallic state are observed on the surface of the particles.
前記第1の遷移金属M1が、Ni,Mn、Fe、Co、Cu、およびZnからなる群より選ばれるいずれかであり、
前記第2の遷移金属M2が、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、およびPtからなる群より選ばれるいずれかである、請求項1に記載の電極触媒。
The first transition metal M1 is one selected from the group consisting of Ni, Mn, Fe, Co, Cu, and Zn,
The electrode catalyst according to claim 1, wherein the second transition metal M2 is any one selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, and Pt.
前記第1の遷移金属M1が、Niであり、
前記第2の遷移金属M2が、Ru、Rh、およびIrからなる群より選ばれるいずれかである、請求項1に記載の電極触媒。
the first transition metal M1 is Ni,
The electrode catalyst according to claim 1, wherein the second transition metal M2 is one selected from the group consisting of Ru, Rh, and Ir.
前記導電性材料が、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、およびカーボンフィブリルからなる群より選ばれるいずれかである、請求項1~3のいずれか1項に記載の電極触媒。 The conductive material is acetylene black, Vulcan, Ketjen black, black pearl, graphitized acetylene black, graphitized Vulcan, graphitized Ketjen black, graphitized black pearl, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and carbon. The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3, which is selected from the group consisting of fibrils. 下記工程1aおよび2aを含む、電極触媒の製造方法:
工程1a:下記式(1)
Figure 2023171977000011
(式(1)において、Mは、RuII、RhIIIまたはIrIIIである。Lはヘキサメチルベンゼン基またはペンタメチルシクロペンタジエニル基を表す。Xは、ハロゲン原子または水素原子、ヒドリドイオンを表し、Xが水素原子、ヒドリドイオンの場合、XはNiIIとブリッジを形成していても良い。Yは、ハロゲン原子またはH2Oを表す。l、mおよびnは、それぞれ独立して2~4の整数である。Rはそれぞれ独立して、炭素数1~5のアルキル基である。zは錯体の電荷を表し、0または2+である。)で表される金属錯体を導電性材料と混合し、混合物を得る工程;並びに、
工程2a:前記工程1aで得られた混合物を乾留させる工程。
A method for producing an electrode catalyst, including the following steps 1a and 2a:
Step 1a: Formula (1) below
Figure 2023171977000011
(In formula (1), M is Ru II , Rh III or Ir III . L represents a hexamethylbenzene group or a pentamethylcyclopentadienyl group. X represents a halogen atom, a hydrogen atom, or a hydride ion. and when X is a hydrogen atom or a hydride ion, X may form a bridge with Ni II . Y represents a halogen atom or H 2 O. l, m and n each independently represent 2 An integer of ~4.R is each independently an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms.z represents the charge of the complex and is 0 or 2+. and obtaining a mixture; and
Step 2a: A step of carbonizing the mixture obtained in step 1a.
前記工程2aが、真空下かつ100~800℃の温度で行われる、請求項5に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 5, wherein the step 2a is performed under vacuum and at a temperature of 100 to 800°C. 前記温度が300~800℃の範囲内である、請求項6に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 6, wherein the temperature is within a range of 300 to 800°C. 前記真空が、真空度10~20Paである、請求項6または7に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 6 or 7, wherein the vacuum has a degree of vacuum of 10 to 20 Pa. 前記導電性材料が、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、およびカーボンフィブリルからなる群より選ばれるいずれかである、請求項5~8のいずれか1項に記載の製造方法。 The conductive material is acetylene black, Vulcan, Ketjen black, black pearl, graphitized acetylene black, graphitized Vulcan, graphitized Ketjen black, graphitized black pearl, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and carbon. The manufacturing method according to any one of claims 5 to 8, wherein the manufacturing method is one selected from the group consisting of fibrils. 請求項8に記載の製造方法で得られた電極触媒。 An electrode catalyst obtained by the production method according to claim 8. 請求項1~4,10のいずれか1項に記載の電極触媒を含む燃料電池用電極。 A fuel cell electrode comprising the electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4 and 10. カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置されたプロトン伝導膜とを有する膜電極接合体であって、カソードとアノードとからなる群より選ばれるいずれか1以上が請求項11に記載の燃料電池用電極である膜電極接合体。 11. A membrane electrode assembly comprising a cathode, an anode, and a proton conductive membrane disposed between the cathode and the anode, the membrane electrode assembly comprising at least one selected from the group consisting of the cathode and the anode. A membrane electrode assembly which is an electrode for a fuel cell according to . 請求項12に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 12. 請求項11に記載の燃料電池用電極を、カソード、アノード、または、カソードとアノードとの両方として有する燃料電池。 A fuel cell comprising the fuel cell electrode according to claim 11 as a cathode, an anode, or both a cathode and an anode. 水素-酸素型燃料電池である請求項13または14に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 13 or 14, which is a hydrogen-oxygen fuel cell.
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