JP4591504B2 - 触媒材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)導電性材料表面を、少なくとも2種以上の複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆する工程と、該多核錯体分子の被覆層に触媒金属を配位させる工程とを有する。
(2)少なくとも2種以上の複素単環式化合物に触媒金属を配位させる工程と、導電性材料表面を、該少なくとも2種以上の複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆する工程とを有する。
(4)複素単環式化合物に貴金属と遷移金属とが複合化された触媒金属を配位させる工程と、導電性材料表面を、該複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆する工程とを有する。
触媒
O2 + 4H+ + 4e− ―→ 2H2O (1)
<酸素の2+2電子還元>
触媒
O2 + 2H+ + 2e− ―→ H2O2 (2)
触媒
H2O2 + 2H+ + 2e− ―→ 2H2O (3)
[実施例1:ポリピロール/ポリアニリン複合系]
下記(a)〜(e)に示す5種類の触媒材料を作製した。
(a:比較例1−1)
ピロール電解重合→Co導入(「Co−PPy−C」と略記)
アニリン電解重合→Co導入(「Co−PAn−C」と略記)
ピロールとアニリンを同時電解重合→Co導入(「Co−PPy+PAn−C」と略記)
ピロール電解重合→アニリン電解重合→Co導入(「Co−PPy/PAn−C」と略記)
アニリン電解重合→ピロール電解重合→Co導入(「Co−PAn/PPy−C」と略記)
(1)ピロール5.4mlと炭素粒子(Ketjen、SGPおよびVulcan)3gを、支持電解質として過塩素酸アンモニウムを0.1M含むメタノール200mlに溶かした。30分間アルゴン脱気した後、流動床電極を用いて1.8Vの定電位法で45分間電解重合を行い、ポリピロール被覆炭素粒子を得た。
[CV(サイクリックボルタンメトリー)およびRDE]
(回転ディスク電極)測定:
測定装置:
ポテンショスタット[日厚計測DPGS−1]
ファンクションジェネレーター[日厚計測NFG−5]
X−Yレコーダー[理研電子D−72DG]
作用極:
エッジ面パイロリティックグラファイト(EPG)電極
参照極:
飽和カロメル電極(SCE)
対 極:
白金線
支持電解質: 1.0M HClO4 水溶液
掃引範囲: 600〜−600mV
掃引速度:100mV/sec(CV),10mV/sec(RDE)
回転速度:100,200,400,600,900rpm(RDE)
測定方法:
錯体単独でのCV測定では、錯体20mgをメタノール10mlに溶かし、そこから10μlをエッジ面パイロリティックグラファイト(EPG)電極上にキャストし、さらにナフィオンと2−プロパノールの混合溶液を8μlキャストしたものを電極として測定した。
(f:実施例2−1)
ピロール電解重合→Co及びPd導入(「Co+Pd−PPy−C」と略記)の大量合成を図3に示すフローに従って行った。又、図3に示すフローに従って、得られた「Co+Pd−PPy−C」を600℃の高温/常圧下で熱処理して熱処理物(「HT600−Co+Pd−PPy−C」と略記)を得た。
加湿 :アノード加湿器温度…75℃、カソード…60℃
背圧 :1atm
ガス流量:アノード…H2500cc、カソード…O21000cc
セル温度:80℃
電解質膜:Nafion(112)
上記実施例では、Pd:Co=1:2(原子比)であるが、貴金属であるPd比率を変えて触媒材料を作製し、RDE評価により、そのピーク電流を調べた。結果を、図5に示す。
図5の結果より、Pd比率が20〜60%でピーク電流が格段に向上することが分る。
(h:実施例3−1)
カーボン表面にポリピロールを電解重合後、コバルトを導入し、次いでイリジウムを導入し、触媒金属をコバルトとイリジウムの複合系とした後、600℃の熱処理を施す。図3に示された「Co+Pd−PPy−C」調製フローにおいて、Co導入後、[Ir(COD)Cl]2のキシレン溶液中でIrを導入した。Co及びIrの仕込み比は原子比で1:1である。その後、600℃、1hr、常圧下で熱処理をして「HT600−Co+Ir−PPy−C」を得た。
実施例3−1において、熱処理を施さなかった。(「Co−Ir−PPy−C」と略記)
「Co−PPy−C」の熱処理品を製造した。(「HT600―Co−PPy−C」と略記)
(k:実施例4−1)
カーボン表面にポリピロールを電解重合後、コバルトとロジウムを同時に導入し、触媒金属をコバルトとロジウムの複合系とした後、300℃、600℃、900℃の熱処理を施す。図3に示された「Co+Pd−PPy−C」調製フローにおいて、酢酸コバルトとテトラカルボニルジ−μ−クロロ−ジロジウム(I)を導入した。Co及びRhの仕込み比は原子比で1:1である。その後、300℃、1hr、常圧下で熱処理をして「HT300−Co+Rh−PPy−C」。600℃、1hr、常圧下で熱処理をして「HT600−Co+Rh−PPy−C」、900℃、1hr、常圧下で熱処理をして「HT900−Co+Rh−PPy−C」を得た。
実施例4−1において、熱処理を施さなかった(「Co−Rh−PPy−C」と略記)。
実施例4−1、比較例4−1のピーク電位及びピーク電流密度を調べた。表3に結果を示す。
(m:実施例5−1)
カーボン表面にポリピロールを電解重合後、コバルトとパラジウムを同時に導入し、触媒金属をコバルトとパラジウムの複合系とした触媒において、パラジウム原料として使用する酢酸パラジウムの純度を高めた。図3に示された「Co+Pd−PPy−C」調製フローにおいて、酢酸パラジウムの純度97.0%の試薬を用いた。CoとPdの仕込み比は原子比で1:2である。
実施例5−1において、酢酸パラジウムの純度99.8%の試薬を用いて、2度触媒を作製した。
測定装置: AXIS−HI((株)島津製作所)
X線源: MgKα線(1253.6eV)
印加電圧: 12kV
アノード電流: 10mA
Pass Energy: 40eV
(p:実施例6)
カーボン表面にポリピロールを電解重合後、酢酸コバルトと酢酸パラジウムを導入し、触媒金属をコバルトとパラジウムの複合系とした触媒系において、貴金属導入時の補助配位子として、ピロール、1−メチルイミダゾール、ピリジン、1,10−フェナントロリンを、コバルトの4倍のモル比で加えた。図2に示された「Co+Pd−PPy−C」調整フローにおいて、酢酸コバルト0.1gと酢酸パラジウムを導入した。Co及びPdの仕込み比は原子比で1:1である。熱処理は施さなかった。
実施例6において、補助配位子を添加しなかった。
実施例6、比較例6のピーク電位及びピーク電流密度を調べた。表5に結果を示す。
Claims (42)
- 少なくとも2種類以上の複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆された導電性材料の、該多核錯体分子の被覆層に触媒金属を配位せしめたことを特徴とする触媒材料。
- 前記触媒金属が、貴金属と遷移金属とが複合化されたものであることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の触媒材料。
- 複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆された導電性材料の、該多核錯体分子が構成する被覆層に貴金属と遷移金属とが複合化された触媒金属を配位せしめたことを特徴とする触媒材料。
- 前記複素単環式化合物がピロール、ジメチルピロール、ピロール−2−カルボキシアルデヒド、ピロール−2−アルコール、ビニルピリジン、アミノ安息香酸、アニリン及びチオフェンを基本骨格とする単環性化合物から選択されることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第3項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記多核錯体分子が、ポリピロール錯体、ポリビニルピリジン錯体、ポリアニリン錯体またはポリチオフェン錯体であることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第4項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子が、該複素単環式化合物を電解重合したものであることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第5項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記貴金属がパラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)から選択される1種以上であり、前記遷移金属がコバルト(Co)、鉄(Fe)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)から選択される1種以上であることを特徴とする請求の範囲第2項乃至第6項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記貴金属がイリジウム(Ir)であり、前記遷移金属がコバルト(Co)であることを特徴とする請求の範囲第2項乃至第7項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記貴金属がロジウム(Rh)であり、前記遷移金属がコバルト(Co)であることを特徴とする請求の範囲第2項乃至第7項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記貴金属がパラジウム(Pd)であり、前記遷移金属がコバルト(Co)であることを特徴とする請求の範囲第2項乃至第7項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記触媒金属に補助配位子として低分子複素環化合物を配位させることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第10項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記低分子複素環化合物がピリジン及び/又はフェナントロリンであることを特徴とする請求の範囲第11項に記載の触媒材料。
- 前記複合化された触媒金属を有する触媒材料中の貴金属含有量が20〜60wt%であることを特徴とする請求の範囲第2項乃至第12項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記複合化された触媒金属を有する触媒材料が、更に熱処理されていることを特徴とする請求の範囲第2項乃至第13項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記複合化された触媒金属を有する触媒材料の原料が、高純度化されていることを特徴とする請求の範囲第2項乃至第14項のいずれかに記載の触媒材料。
- 前記導電性材料が、金属、半導体、炭素系化合物及び導電性高分子から選択されることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第15項のいずれかに記載の触媒材料。
- 第2金属及び/又はそのイオンを更に含むことを特徴とする請求の範囲第1項乃至第16項のいずれかに記載の触媒材料。
- アニオンをドープしたものであることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第17項のいずれかに記載の触媒材料。
- 粒状物、ファイバー状物、中空状物またはコーン・ホーン状物であることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第18項のいずれかに記載の触媒材料。
- 導電性材料表面を、少なくとも2種以上の複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆する工程と、該多核錯体分子の被覆層に触媒金属を配位させる工程とを有することを特徴とする触媒材料の製造方法。
- 少なくとも2種以上の複素単環式化合物に触媒金属を配位させる工程と、導電性材料表面を、該少なくとも2種以上の複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆する工程とを有することを特徴とする触媒材料の製造方法。
- 前記触媒金属が、貴金属と遷移金属とが複合化されたものであることを特徴とする請求の範囲第20項または第21項に記載の触媒材料の製造方法。
- 導電性材料表面を、複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆する工程と、該多核錯体分子の被覆層に貴金属と遷移金属とが複合化された触媒金属を配位させる工程とを有することを特徴とする触媒材料の製造方法。
- 複素単環式化合物に貴金属と遷移金属とが複合化された触媒金属を配位させる工程と、導電性材料表面を、該複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆する工程とを有することを特徴とする触媒材料の製造方法。
- 前記導電性材料表面を、複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆する工程が、該導電性材料上において、ピロール、ビニルピリジン、アニリンまたはチオフェンを基本骨格とする複素単環性化合物を電解重合させるものであり、次いで前記該多核錯体分子の被覆層に触媒金属を配位させる工程が該多核錯体分子の被覆層に触媒金属またはその塩を作用させるものであることを特徴とする請求の範囲第20項乃至第24項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記複素単環式化合物に触媒金属を配位させる工程が、ピロール、ビニルピリジン、アニリンまたはチオフェンを基本骨格とする複素単環性化合物に触媒金属を配位させるものであり、次いで前記導電性材料表面を、該複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子で被覆する工程が、該配位物を、該導電性材料上に電解重合させるものであることを特徴とする請求の範囲第20項乃至第25項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記触媒金属を配位させた後、熱処理を施す工程を有することを特徴とする請求の範囲第20項乃至第26項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記複素単環式化合物がピロール、ジメチルピロール、ピロール−2−カルボキシアルデヒド、ピロール−2−アルコール、ビニルピリジン、アミノ安息香酸、アニリン及びチオフェンを基本骨格とする単環性化合物から選択されることを特徴とする請求の範囲第20項乃至第27項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記多核錯体分子が、ポリピロール錯体、ポリビニルピリジン錯体、ポリアニリン錯体またはポリチオフェン錯体であることを特徴とする請求の範囲第20項乃至第28項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記複素単環式化合物から導かれた多核錯体分子が、該複素単環式化合物を電解重合したものであることを特徴とする請求の範囲第20項乃至第29項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記貴金属がパラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)から選択される1種以上であり、前記遷移金属がコバルト(Co)、鉄(Fe)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)から選択される1種以上であることを特徴とする請求の範囲第20項乃至第30項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記貴金属がイリジウム(Ir)であり、前記遷移金属がコバルト(Co)であることを特徴とする請求の範囲第22項乃至第31項に記載の触媒材料の製造方法。
- 前記貴金属がロジウム(Rh)であり、前記遷移金属がコバルト(Co)であることを特徴とする請求の範囲第22項乃至第31項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記貴金属がパラジウム(Pd)であり、前記遷移金属がコバルト(Co)であることを特徴とする請求の範囲第22項乃至第31項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記触媒金属に補助配位子として低分子複素環化合物を配位させる工程を含むことを特徴とする請求の範囲第20項乃至第34項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記窒素含有低分子化合物がピリジン及び/又はフェナントロリンであることを特徴とする請求の範囲第35項に記載の触媒材料の製造方法。
- 前記複合化された触媒金属を有する触媒材料中の貴金属含有量が20〜60wt%であることを特徴とする請求の範囲第22項乃至第36項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記複合化された触媒金属を有する触媒材料の原料を、高純度化する工程を有することを特徴とする請求の範囲第22項乃至第37項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 前記導電性材料が、金属、半導体、炭素系化合物及び導電性高分子から選択されることを特徴とする請求の範囲第20項乃至第38項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 第2金属及び/又はそのイオンを更に含むことを特徴とする請求の範囲第20項乃至第39項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- アニオンをドープしたものであることを特徴とする請求の範囲第20項乃至第40項のいずれかに記載の触媒材料の製造方法。
- 請求の範囲第1項乃至第19項のいずれかに記載の触媒材料を燃料電池用触媒として含む燃料電池。
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