JP2023517822A - コアシェル触媒の後処理方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
Description
前記クエン酸又はエチレンジアミン四酢酸とコアシェル触媒における白金とのモル比は10~1000:1であり、
前記酸素を含有するガスにおける酸素の体積百分率は10~100%である。
コア材料を反応器に添加し、水を添加して混合し、硫酸溶液を添加し、撹拌を開始し、不活性ガスを流して反応器内の酸素を除去し、水素を流し、コア材料の表面に吸着された不純物を脱着し、不活性ガスを流して水素を除去し、酸素又は空気で結晶格子内に埋め込まれた水素を脱出させ、不活性ガスを流して溶液中の溶存酸素を除去するステップS1と、
不活性ガスを流し続け、撹拌を停止し、コア材料が沈降した後、電位CV走査を行い、20~40min静置するごとに10~70s撹拌を開始し、撹拌を停止し、コア材料が沈降した後、CV曲線が安定するまで電位CV走査を継続するステップS2と、
反応器に硫酸銅溶液を添加し、その間に開回路電位を記録し、硫酸銅溶液の添加が完了した後、撹拌を停止し、材料が沈降した後、定電位制御を行い、記録された電流が安定するまで、20~40min静置するごとに10~70s撹拌を開始するステップS3と、
白金イオン、クエン酸、硫酸を含有する前駆体溶液を調製し、不活性ガスを流し、白金前駆体溶液を得、定電位ステップが終了すると、電位制御を停止し、撹拌を開始し、白金前駆体溶液を滴下して銅-白金置換反応を行い、置換反応が完了し、濾過し、固体を保留し、洗浄し、乾燥すれば、コア溶解後処理されないコアシェル触媒を得るステップS4と、を含む。
コアシェル触媒の後処理反応に反応場所を提供するために用いられる反応器であって、その中に撹拌器が設けられる反応器と、
反応器に酸素又は純酸素を供給するために用いられるガス供給装置と、
反応器内の反応系の開回路電位を記録するために用いられる電気化学作業ステーションと、を含む。
一、コアシェル触媒の調製
(1)1000mgの炭素担体ナノパラジウムをガラス瓶に入れ、適量の超純水を添加して混合し、反応器内に注ぎ、硫酸溶液でガラス瓶をリンスし、反応器内の硫酸溶液の濃度が50mMになり、総体積が600mLになるまで、反応器内に注いだ。反応器内にアルゴンを30min流し、酸素を除去し、さらに水素を約40min流し、パラジウムコア表面に吸着された不純物を脱着させ、続いてアルゴンを30min流し、溶液中の溶存酸素を除去した。各ガス流しステップにおいて、いずれも300rpmで懸濁液を撹拌した。このステップが完了した後、銅-白金置換反応が終了するまで、反応器内にアルゴン又は窒素を流し続けた。
(1)銅-白金置換反応終了後、クエン酸(クエン酸:白金のモル比は約60:1)を含有する電解質溶液に空気を流し、クエン酸の濃度は40mMであり、12h撹拌し、その間に電気化学作業ステーションで開回路電位を記録し、反応が完了した時に開回路電位が0.97Vvs.RHEに安定した。
コアシェル触媒であって、その調製方法及び後処理方法は、実施例1と基本的に同じであるが、コアシェル触媒の後処理ステップにおいて、純酸素(酸素含有量が99.9992%である)を流す点で相違する。
市販の白金炭素触媒は、燃料電池触媒開発メーカーである田中貴金属株式会社から提供される。
コアシェル触媒であって、その調製方法及び後処理方法は、実施例1と基本的に同じであるが、コアシェル触媒の後処理ステップにおいて、電解質溶液にクエン酸を添加しない点で相違する。
コアシェル触媒であって、その調製方法及び後処理方法は、実施例1と基本的に同じであるが、コアシェル触媒の後処理ステップにおいて、酸素を含有するガスを流さず、アルゴンを流す点で相違する。
実施例1及び比較例1の触媒を選択し、同じ担持量で(アノード0.05mg/cm2、カソード0.11mg/cm2)、膜電極単電池法で触媒活性を試験した。試験条件は、水素/酸素、80℃、100%相対湿度、活性面積5cm2、1.5atm背圧である。
実施例1において、後処理されない触媒(Pd@Pt/C)、後処理された触媒(即ち実施例2、d-Pd@Pt/C)、及び市販の白金炭素触媒(即ち比較例1、Pt/C)に対して老化試験を行い、試験は、アメリカ合衆国エネルギー省が策定した老化試験方法を参照し、単電池膜電極老化試験条件は、水素/窒素、80℃、100%相対湿度、活性面積5cm2、1.5atm背圧、白金担持量0.1mg/cm2、3万回方形波サイクル、0.60、0.95V定電圧3秒保持である。試験結果は、図2に示すとおりであり、Pd@Pt/C質量活性減衰率は、50.0%であり、Pt/C質量活性減衰率は、55.7%であり、本発明の後処理方法で処理された触媒d-Pd@Pt/C質量活性減衰率は、22.3%のみである。また、老化試験のいずれの段階においても、d-Pd@Pt/CのPGM活性は、市販の白金炭素のPGM活性よりも顕著に大きい。
Claims (10)
- コアシェル触媒をクエン酸又はエチレンジアミン四酢酸を含有する電解質溶液に添加し、電解質溶液に酸素を含有するガスを流し、所定時間撹拌して反応させ、反応中に開回路電位を記録し、反応が完了した時に開回路電位を0.90~1.0Vvs.RHEに安定させるステップを含み、
前記クエン酸又はエチレンジアミン四酢酸とコアシェル触媒における白金とのモル比は10~1000:1であり、
前記酸素を含有するガスにおける酸素の体積百分率は10~100%である、ことを特徴とするコアシェル触媒の後処理方法。 - 前記コアシェル触媒は、パラジウム白金-コアシェル触媒、ルテニウム白金-コアシェル触媒、パラジウム合金白金-コアシェル触媒のうちの1つである、ことを特徴とする請求項1に記載のコアシェル触媒の後処理方法。
- 前記電解質溶液は、硫酸銅溶液であり、前記酸素を含有するガスは、空気又は純酸素である、ことを特徴とする請求項1に記載のコアシェル触媒の後処理方法。
- 前記クエン酸又はエチレンジアミン四酢酸の濃度は、5~50mMである、ことを特徴とする請求項1に記載のコアシェル触媒の後処理方法。
- 前記所定時間は、6~12hである、ことを特徴とする請求項1に記載のコアシェル触媒の後処理方法。
- 前記後処理方法は、反応が完了した後、濾過し、固体を保留し、洗浄し、乾燥すれば、コア溶解後処理されたコアシェル触媒を得る浄化ステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項1に記載のコアシェル触媒の後処理方法。
- 前記コアシェル触媒は、銅-白金置換反応により得られる、ことを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載のコアシェル触媒の後処理方法。
- 前記銅-白金置換反応は、具体的に、
コア材料を反応器に添加し、水を添加して混合し、硫酸溶液を添加し、撹拌を開始し、不活性ガスを流して反応器内の酸素を除去し、水素を流し、コア材料の表面に吸着された不純物を脱着し、不活性ガスを流して水素を除去し、酸素又は空気で結晶格子内に埋め込まれた水素を脱出させ、不活性ガスを流して溶液中の溶存酸素を除去するステップS1と、
不活性ガスを流し続け、撹拌を停止し、コア材料が沈降した後、電位CV走査を行い、20~40min静置するごとに10~70s撹拌を開始し、撹拌を停止し、コア材料が沈降した後、CV曲線が安定するまで電位CV走査を継続するステップS2と、
反応器に硫酸銅溶液を添加し、その間に開回路電位を記録し、硫酸銅溶液の添加が完了した後、撹拌を停止し、材料が沈降した後、定電位制御を行い、記録された電流が安定するまで、20~40min静置するごとに10~70s撹拌を開始するステップS3と、
白金イオン、クエン酸、硫酸を含有する前駆体溶液を調製し、不活性ガスを流し、白金前駆体溶液を得、定電位ステップが終了すると、電位制御を停止し、撹拌を開始し、白金前駆体溶液を滴下して銅-白金置換反応を行い、置換反応が完了し、濾過し、固体を保留し、洗浄し、乾燥すれば、コア溶解後処理されないコアシェル触媒を得るステップS4と、を含む、ことを特徴とする請求項7に記載のコアシェル触媒の後処理方法。 - 前記コア材料は、炭素担体ナノパラジウムである、ことを特徴とする請求項8に記載のコアシェル触媒の後処理方法。
- コアシェル触媒の後処理反応に反応場所を提供するために用いられる反応器であって、その中に撹拌器が設けられる反応器と、
反応器に酸素又は純酸素を供給するために用いられるガス供給装置と、
反応器内の反応系の開回路電位を記録するために用いられる電気化学作業ステーションと、を含む、ことを特徴とするコアシェル触媒の後処理システム。
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