JP5106342B2 - Catalyst, method for producing the same and use thereof - Google Patents
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Description
本発明は触媒及びその製造方法ならびにその用途に関する。 The present invention relates to a catalyst, a method for producing the same, and uses thereof.
燃料電池には、電解質の種類や電極の種類により種々のタイプに分類され、代表的なものとしては、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型がある。この中でも低温(−40℃程度)から120℃程度で作動可能な固体高分子型燃料電池が注目を集め、近年、自動車用低公害動力源としての開発・実用化が進んでいる。固体高分子型燃料電池の用途としては、車両用駆動源や定置型電源が検討されているが、これらの用途に適用されるためには、長期間に渡る耐久性が求められている。 Fuel cells are classified into various types depending on the type of electrolyte and the type of electrode, and representative types include alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, and solid polymer type. Among them, a polymer electrolyte fuel cell that can operate at a low temperature (about −40 ° C.) to about 120 ° C. attracts attention, and in recent years, development and practical application as a low-pollution power source for automobiles is progressing. As a use of the polymer electrolyte fuel cell, a vehicle driving source and a stationary power source are being studied. However, in order to be applied to these uses, durability over a long period of time is required.
この高分子固体形燃料電池は、高分子固体電解質をアノードとカソードとで挟み、アノードに燃料を供給し、カソードに酸素または空気を供給して、カソードで酸素が還元されて電気を取り出す形式である。燃料には水素またはメタノールなどが主として用いられる。 In this polymer solid fuel cell, a polymer solid electrolyte is sandwiched between an anode and a cathode, fuel is supplied to the anode, oxygen or air is supplied to the cathode, and oxygen is reduced at the cathode to extract electricity. is there. Hydrogen or methanol is mainly used as the fuel.
従来、燃料電池の反応速度を高め、燃料電池のエネルギー変換効率を高めるために、燃料電池のカソード(空気極)表面やアノード(燃料極)表面には、触媒を含む層(以下「燃料電池用触媒層」とも記す。)が設けられていた。 Conventionally, in order to increase the reaction rate of the fuel cell and increase the energy conversion efficiency of the fuel cell, the fuel cell cathode (air electrode) surface or anode (fuel electrode) surface has a layer containing a catalyst (hereinafter referred to as “for fuel cell use”). Also referred to as “catalyst layer”).
この触媒として、一般的に貴金属が用いられており、貴金属の中でも高い電位で安定であり、活性が高い白金が、主として用いられてきた。しかし、白金は価格が高く、また資源量が限られていることから、代替可能な触媒の開発が求められていた。 As this catalyst, a noble metal is generally used, and platinum which is stable at a high potential and has a high activity among noble metals has been mainly used. However, since platinum is expensive and has limited resources, the development of an alternative catalyst has been sought.
また、カソード表面に用いる貴金属は酸性雰囲気下では、溶解する場合があり、長期間に渡る耐久性が必要な用途には適さないという問題があった。このため酸性雰囲気下で腐食せず、耐久性の優れ、高い酸素還元能を有する触媒の開発が強く求められていた。 In addition, the noble metal used on the cathode surface may be dissolved in an acidic atmosphere, and there is a problem that the noble metal is not suitable for applications that require long-term durability. Therefore, there has been a strong demand for the development of a catalyst that does not corrode in an acidic atmosphere, has excellent durability, and has high oxygen reducing ability.
白金に代わる触媒として、炭素、窒素、ホウ素等の非金属を含む材料が触媒として近年着目されている。これらの非金属を含む材料は、白金などの貴金属と比較して価格が安く、また資源量が豊富である。 In recent years, materials containing non-metals such as carbon, nitrogen, and boron have attracted attention as catalysts instead of platinum. These non-metal-containing materials are cheaper and have abundant resources than precious metals such as platinum.
非特許文献1では、ジルコニウムをベースとしたZrOxN化合物に、酸素還元能を示すことが報告されている。
Non-Patent
特許文献1では、白金代替材料として長周期表4族,5族及び14族の元素群から選ばれる1種以上の窒化物をふくむ酸素還元電極材料が開示されている。
しかしながら、これらの非金属を含む材料は、触媒として実用的に充分な酸素還元能が得られていないという問題点があった。 However, these materials containing non-metals have a problem that practically sufficient oxygen reducing ability is not obtained as a catalyst.
また、特許文献2では、炭化物、酸化物、窒化物を混合し、真空、不活性または非酸化性雰囲気下、500〜1500℃で熱処理をした炭窒酸化物が開示されている。
Further,
しかしながら、特許文献2に開示されている炭窒酸化物は、薄膜磁気ヘッドセラミックス基板材料であり、この炭窒酸化物を触媒として用いることは検討されていない。
However, the oxycarbonitride disclosed in
なお、白金は、上記燃料電池用の触媒としてだけでなく、排ガス処理用触媒または有機合成用触媒としても有用であるが、白金は価格が高く、また資源量が限られているため、これらの用途においても代替可能な触媒の開発が求められていた。
本発明はこのような従来技術における問題点の解決を課題としており、本発明の目的は、酸性電解質中や高電位で腐食せず、耐久性に優れ、高い酸素還元能を有する触媒を提供することにある。 An object of the present invention is to solve such problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a catalyst that does not corrode in an acidic electrolyte or at a high potential, has excellent durability, and has a high oxygen reduction ability. There is.
本発明者らは、上記従来技術の問題点を解決すべく鋭意検討した結果、一種以上の3族の遷移金属化合物と、結晶子サイズが1〜100nmの範囲である一種以上の4族または5族の遷移金属酸化物とを含む前記4族または5族の金属炭窒酸化物混合物が、酸性電解質中や高電位で腐食せず、耐久性に優れ、高い酸素還元能を有することを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-described problems of the prior art, the present inventors have found one or more Group 3 transition metal compounds and one or more Group 4 or 5 having a crystallite size in the range of 1 to 100 nm. It is found that the Group 4 or Group 5 metal oxynitride mixture containing a Group transition metal oxide does not corrode in an acidic electrolyte or at a high potential, has excellent durability, and has a high oxygen reducing ability, The present invention has been completed.
本発明は、たとえば以下の(1)〜(8)に関する。
(1)
一種以上の3族の遷移金属の化合物と、結晶子サイズが1〜100nmの範囲である一種以上の4族または5族の遷移金属の酸化物とを含む前記4族または5族の遷移金属の炭窒酸化物混合物であり、
前記3族の遷移金属が、イットリウムおよびセリウムからなる群から選ばれる一種以上であり、
前記4族または5族の遷移金属が、チタンである
ことを特徴とする燃料電池用電極触媒。
The present invention relates to the following (1) to (8) , for example.
(1)
Of the Group 4 or Group 5 transition metal comprising one or more Group 3 transition metal compounds and one or more Group 4 or Group 5 transition metal oxides having a crystallite size in the range of 1 to 100 nm. A carbonitride oxide mixture,
The Group 3 transition metal is at least one selected from the group consisting of yttrium and cerium;
The Group 4 or 5 transition metals are, fuel cell electrode catalyst which is a titanium down.
(2)
一種以上の3族の遷移金属の化合物と一種以上の4族または5族の遷移金属の酸化物とを含む金属炭窒化物混合物を得る工程と、
前記金属炭窒化物混合物を酸素含有ガス中で熱処理して金属炭窒酸化物混合物を得る工程とを含み、
前記3族の遷移金属が、イットリウムおよびセリウムからなる群から選ばれる一種以上であり、
前記4族または5族の遷移金属が、チタンである
ことを特徴とする(1)に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
(3)
(1)に記載の触媒を含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒層。
(2)
Obtaining a metal carbonitride mixture comprising one or more Group 3 transition metal compounds and one or more Group 4 or Group 5 transition metal oxides;
Heat-treating the metal carbonitride mixture in an oxygen-containing gas to obtain a metal carbonitride oxide mixture,
The Group 3 transition metal is at least one selected from the group consisting of yttrium and cerium;
The Group 4 or 5 transition metals The production method of an electrode catalyst for a fuel cell according to (1) that it is a titanium down.
(3)
A fuel cell electrode catalyst layer comprising the catalyst according to (1) .
(4)
さらに電子伝導性粒子を含むことを特徴とする(3)に記載の燃料電池用電極触媒層。
(5)
(3)または(4)に記載の燃料電池用電極触媒層と、多孔質支持層とを有することを特徴とする電極。
(4)
The electrode catalyst layer for a fuel cell according to (3) , further comprising electron conductive particles.
(5)
An electrode comprising the fuel cell electrode catalyst layer according to (3) or (4) and a porous support layer.
(6)
カソードとアノードと前記カソード及び前記アノードの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体であって、前記カソード及び/または前記アノードが(5)に記載の電極であることを特徴とする膜電極接合体。
(6)
A membrane electrode assembly having a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, wherein the cathode and / or the anode is an electrode according to (5) Membrane electrode assembly.
(7)
(6)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。
(7)
A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to (6) .
(8)
(6)に記載の膜電極接合体を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
(8)
Polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to (6).
本発明の触媒は、酸性電解質中や高電位で腐食せず、安定であり、高い酸素還元能を有し、かつ白金と比べ安価である。したがって、前記触媒を備えた燃料電池は、比較的安価で性能が優れている。 The catalyst of the present invention does not corrode in an acidic electrolyte or at a high potential, is stable, has a high oxygen reducing ability, and is inexpensive compared with platinum. Therefore, the fuel cell including the catalyst is relatively inexpensive and has excellent performance.
<触媒>
本発明の触媒は、一種以上の3族の遷移金属化合物と、結晶子サイズが1〜100nmの範囲である一種以上の4族または5族の遷移金属酸化物とを含む金属炭窒酸化物混合物からなることを特徴としている。
<Catalyst>
The catalyst of the present invention is a metal carbonitride oxide mixture containing one or more Group 3 transition metal compounds and one or more Group 4 or Group 5 transition metal oxides having a crystallite size in the range of 1 to 100 nm. It is characterized by consisting of.
本発明の触媒における3族の遷移金属化合物、4族または5族の遷移金属酸化物の割合や結晶子サイズは、リートベルト解析によって求めることができる。 The ratio and crystallite size of the Group 3 transition metal compound, Group 4 or Group 5 transition metal oxide in the catalyst of the present invention can be determined by Rietveld analysis.
従来から、複数の結晶相を有する物質の結晶構造を特定するための解析方法として「リートベルト解析」と呼ばれる解析法が知られている。以下、その詳細について説明する。 Conventionally, an analysis method called “Rietveld analysis” is known as an analysis method for specifying a crystal structure of a substance having a plurality of crystal phases. The details will be described below.
リートベルト解析では、まずX線回折法(XRD法)により被解析試料の実測回折パターンを得て、この実測回折パターンと、近似計算式に基づく計算回折パターンとを一致させるように、当該近似計算式に含まれる各種パラメータを精密化する、いわゆるパターンフィッティングという解析手法が用いられる。そして、このようにして各種パラメータが精密化されると、そのうちの特定のパラメータの値から、複数の結晶相(例えば単斜相、正方晶、立方晶)の割合や、各結晶子のサイズ結晶子径)を算出することができる。 In the Rietveld analysis, first, an approximated calculation is performed so that the measured diffraction pattern of the sample to be analyzed is obtained by the X-ray diffraction method (XRD method), and this measured diffraction pattern matches the calculated diffraction pattern based on the approximate calculation formula. An analysis technique called so-called pattern fitting that refines various parameters included in the equation is used. When various parameters are refined in this way, the ratio of a plurality of crystal phases (for example, monoclinic phase, tetragonal crystal, cubic crystal) and the size crystal of each crystallite are determined from the values of specific parameters. (Diameter) can be calculated.
この際、精密な解析パラメータを得るために、測定する回折角度2θは10〜110°であることが好ましい。同様に、測定する回折角度間隔は0.02°以下であることが好ましい。更に同様に、測定する時間は、得られるX線回折パターンの最大ピークの回折強度が5000以上になるように設定することが好ましい。このリートベルト解析をするためには、RIETAN−2000などのリートベルト解析用のソフトウェアを使用することができる。
本発明の触媒は、少なくとも一種以上の3族の遷移金属化合物を含む。3族の遷移金属元素はランタノイド、アクイノイドのいずれかであってもよい。
At this time, in order to obtain a precise analysis parameter, the diffraction angle 2θ to be measured is preferably 10 to 110 °. Similarly, the diffraction angle interval to be measured is preferably 0.02 ° or less. Further, similarly, the measurement time is preferably set so that the diffraction intensity of the maximum peak of the obtained X-ray diffraction pattern is 5000 or more. In order to perform this Rietveld analysis, software for Rietveld analysis such as RIETAN-2000 can be used.
The catalyst of the present invention contains at least one group 3 transition metal compound. The Group 3 transition metal element may be either a lanthanoid or an aquinoid.
特に、3族の遷移金属化合物の元素として好ましくは、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、サマリウム、ジスプロシウム及びホルミウムからなる群のいずれか一種以上である。 In particular, the element of the group 3 transition metal compound is preferably at least one member selected from the group consisting of scandium, yttrium, lanthanum, cerium, samarium, dysprosium, and holmium.
詳細は不明であるが、一般に3族の遷移金属元素は4族または5族の遷移金属酸化物中に固溶しやすい。4族または5族の遷移金属酸化物中では、3族の遷移金属元素は欠陥となり、4族または5族の遷移金属酸化物の結晶成長を抑制するため粒径が小さくなると考えられる。 Although details are unknown, in general, a Group 3 transition metal element is likely to be dissolved in a Group 4 or Group 5 transition metal oxide. In the group 4 or group 5 transition metal oxide, the group 3 transition metal element becomes a defect, and the particle size is considered to be small in order to suppress crystal growth of the group 4 or group 5 transition metal oxide.
粒径が小さくなると比表面積が大きくなり、触媒として好ましい。また、欠陥となる点が活性点として作用し、触媒活性を高めるものと推察している。 When the particle size is small, the specific surface area is large, which is preferable as a catalyst. Moreover, it is speculated that the point which becomes a defect acts as an active point and enhances the catalytic activity.
3族の遷移金属化合物の添加量は、金属種によって異なるが、触媒中の全遷移金属化合物中の0.1〜20モル%が好ましい。3族の遷移金属化合物の添加量が0.1モル%より少ないとその効果が少なくなる恐れがある。また、3族の遷移金属化合物の添加量が20モル%より多いと、金属炭窒酸化物混合物の触媒作用を減じてしまう恐れがあり好ましくない。 Although the addition amount of a group 3 transition metal compound changes with metal types, 0.1-20 mol% in all the transition metal compounds in a catalyst is preferable. If the amount of Group 3 transition metal compound added is less than 0.1 mol%, the effect may be reduced. Moreover, when there is more addition amount of a group 3 transition metal compound than 20 mol%, there exists a possibility that the catalytic action of a metal carbonitrous oxide mixture may be reduced, it is unpreferable.
3族の遷移金属元素は、4族または5族の遷移金属酸化物に一部固溶して作用していると考えているが、元素の種類やその添加量によっては3族の遷移金属酸化物として検出されることもある。 Group 3 transition metal elements are considered to be partly dissolved in group 4 or group 5 transition metal oxides, but depending on the type of element and the amount added, group 3 transition metal oxidation It may be detected as an object.
酸性電解質中や高電位で腐食しないことから、4族または5族の遷移金属のいずれか1つは金属炭窒酸化物であることが好ましい。特に、チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブのいずれか1つであることが好ましい。 It is preferable that any one of the Group 4 or Group 5 transition metal is a metal carbonitride because it does not corrode in the acidic electrolyte or at a high potential. In particular, any one of titanium, zirconium, tantalum, and niobium is preferable.
ここでいう、4族または5族の遷移金属酸化物とは、リートベルト解析で精密化して近似値として一致するものをいう。また、リートベルト解析で得られる4族または5族の遷移金属酸化物の1つの結晶子サイズが1〜100nmである。好ましくは、3〜80nmである。さらに好ましくは、5〜50nmである。結晶子サイズが1nmより小さいと粒子が凝集して扱いにくく好ましくない。結晶子サイズが100nmより大きいと、触媒面積が小さくなり高い酸素還元能が得られない恐れがあり好ましくない。
本発明の触媒の製造方法は特に限定されない。
The group 4 or group 5 transition metal oxide referred to here is one that has been refined by Rietveld analysis and matched as an approximate value. One crystallite size of the Group 4 or Group 5 transition metal oxide obtained by Rietveld analysis is 1 to 100 nm. Preferably, it is 3-80 nm. More preferably, it is 5-50 nm. If the crystallite size is smaller than 1 nm, it is not preferable because the particles are aggregated and difficult to handle. If the crystallite size is larger than 100 nm, the catalyst area becomes small and high oxygen reduction ability may not be obtained.
The method for producing the catalyst of the present invention is not particularly limited.
例えば、本発明は、3族の遷移金属化合物のうちいずれか一種を含み、4族または5族の遷移金属酸化物のいずれか一種を含む前記4族または5族の遷移金属炭窒化物混合物を得る工程と、前記金属炭窒化物混合物を酸素含有ガス中で熱処理することにより結晶子サイズが1〜100nmの前記金属酸化物を含む前記金属炭窒酸化物混合物を得る工程とを含む製造方法で得ることができる。 For example, the present invention includes the Group 4 or Group 5 transition metal carbonitride mixture including any one of the Group 3 transition metal compounds and any one of the Group 4 or Group 5 transition metal oxides. And obtaining the metal carbonitride oxide mixture containing the metal oxide having a crystallite size of 1 to 100 nm by heat-treating the metal carbonitride mixture in an oxygen-containing gas. Obtainable.
3族の遷移金属化合物のうちいずれか一種を含み、4族または5族の遷移金属酸化物のいずれか一種を含む前記4族または5族の遷移金属炭窒化物混合物の粒径が小さいほど、前記遷移金属炭窒化物を酸素含有不活性ガス中で熱処理することにより得られる前記金属炭窒酸化物の中の前記金属酸化物の結晶子サイズが小さくなると推察される。 The smaller the particle size of the Group 4 or Group 5 transition metal carbonitride mixture containing any one of Group 3 transition metal compounds and any one of Group 4 or Group 5 transition metal oxides, It is presumed that the crystallite size of the metal oxide in the metal carbonitride obtained by heat-treating the transition metal carbonitride in an oxygen-containing inert gas is reduced.
(金属炭窒化物を得る工程)
3族の遷移金属化合物のうちいずれか一種を含み、4族または5族の遷移金属酸化物のいずれか一種を含む前記4族または5族の遷移金属炭窒化物混合物を得る工程としては、
(I)本発明の金属組成になる3族、4族、5族の遷移金属、水素物、酸化物、炭化物、窒化物に適宜カーボンを添加したものを原料として、窒素雰囲気中などで熱処理することにより3族の遷移金属のうちいずれか1つを含み、4族または5族の遷移金属のいずれか1つを含む金属炭窒化物混合物を得る固相法。
(Step of obtaining metal carbonitride)
As a step of obtaining any one of the Group 3 transition metal compounds and obtaining the Group 4 or Group 5 transition metal carbonitride mixture containing any one of the Group 4 or Group 5 transition metal oxides,
(I) Heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere or the like using as a raw material a group 3, group 4, group 5 transition metal, hydride, oxide, carbide, or nitride appropriately added with carbon that has the metal composition of the present invention. A solid phase method for obtaining a metal carbonitride mixture containing any one of Group 3 transition metals and any one of Group 4 or Group 5 transition metals.
(II)錯体を原料とする液相法と組み合わせることによって粒径の小さい3族の遷移金属のうちいずれか1つを含み、4族または5族の遷移金属のいずれか1つを含む金属炭窒化物を得る方法。
などがあげられる。
(II) Metal charcoal containing any one of Group 3 transition metals having a small particle size by combining with a liquid phase method using a complex as a raw material, and containing any one of Group 4 or Group 5 transition metals Method to obtain nitride.
Etc.
次に、(I)の製法のなかから、金属酸化物、炭素を原料とする、3族の遷移金属化合物のうちいずれか一種を含み、4族または5族の遷移金属酸化物のいずれか一種を含む前記4族または5族の遷移金属炭窒化物混合物の製造方法について詳しく述べる。 Next, from the manufacturing method of (I), any one of group 3 transition metal compounds using metal oxide and carbon as a raw material is included, and any one of group 4 or group 5 transition metal oxides A method for producing the Group 4 or Group 5 transition metal carbonitride mixture containing the above will be described in detail.
4族または5族の遷移金属酸化物としては、特に規定ない。たとえば、ZrO、ZrO2、Zr2O5、の酸化ジルコニウムとしては、ZrO、ZrO2、Zr2O5、TiO、Ti3O4、TiO2、Ti3O5、TiNO2N−1等の酸化チタンが用いられる。なかでも、安価で容易に入手可能なZrO2、TiO2、が好ましい。 There are no particular restrictions on the Group 4 or Group 5 transition metal oxide. For example, ZrO, ZrO 2 , Zr 2 O 5, ZrO, ZrO, ZrO 2 , Zr 2 O 5, TiO, Ti 3 O 4 , TiO 2, Ti 3 O 5 , Ti N O 2N-1, etc. Titanium oxide is used. Of these, ZrO 2 and TiO 2 which are inexpensive and easily available are preferable.
3族の遷移金属酸化物としては、特に制限はない。例えば、Sc2O3,Y2O3,La2O3,CeO2,Sm2O3,Dy2O3,Ho2O3などがあげられる。
There are no particular restrictions on the Group 3 transition metal oxide. For example, such Sc 2 O 3, Y 2 O 3, La 2 O 3,
原料の炭素としては、カーボン、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、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、フラーレンが挙げられる。カーボンの粉末の粒径がより小さいと、比表面積が大きくなり、酸化物との反応がしやすくなるため好ましい。例えば、カーボンブラック(比表面積:100〜300m2/g、例えばキャボット社製 XC−72)などが好適に用いられる。 Examples of the raw material carbon include carbon, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, and fullerene. It is preferable that the particle size of the carbon powder is smaller because the specific surface area is increased and the reaction with the oxide is facilitated. For example, carbon black (specific surface area: 100 to 300 m 2 / g, for example, XC-72 manufactured by Cabot) is preferably used.
前記配合量(モル比)は、通常、4族または5族の遷移金属酸化物に対して、3族の遷移金属酸化物が0.1〜20モル%である。また、4族または5族の遷移金属酸化物と3族の遷移金属酸化物との合計に対して、炭素が1〜4モルである。好ましくは、炭素が2〜3モルである。 The compounding amount (molar ratio) is usually 0.1 to 20 mol% of the group 3 transition metal oxide with respect to the group 4 or group 5 transition metal oxide. Moreover, carbon is 1-4 mol with respect to the sum total of the group 4 or group 5 transition metal oxide and the group 3 transition metal oxide. Preferably, the carbon is 2-3 moles.
これら3族の遷移金属酸化物と4族または5族の遷移金属酸化物と炭素を十分に混合した後、窒素雰囲気中で熱処理する。 These group 3 transition metal oxides, group 4 or group 5 transition metal oxides, and carbon are sufficiently mixed and then heat-treated in a nitrogen atmosphere.
一般に、熱処理は、電気炉を用いて行う。熱処理の温度は1200℃〜2200℃の範囲であり、好ましくは1400〜1700℃の範囲である。前記熱処理温度が1200℃未満であると4族または5族の遷移金属のいずれか1つを含む金属炭窒化物混合物は得られない。焼成温度が低いほど、4族または5族の遷移金属のいずれか1つを含む金属炭窒化物混合物の粒径は小さくなるが、原料などが残存しやすくなる。2200℃以上であると焼結し粒径が大きくなり、本発明の結晶子サイズが1〜100nmの4族または5族の遷移金属酸化物を含む金属炭窒化物混合物は得られない。金属種にもよるが、1400〜1700℃の範囲で、原料の残存の少ない粒径の小さい4族または5族の遷移金属のいずれか1つを含む金属炭窒化物が得られる。
(金属炭窒酸化物を得る工程)
次に、上記製造方法で得られた金属炭窒化物混合物を、酸素を含むガス中で熱処理することにより、金属炭窒酸化物混合物を得る工程について説明する。
Generally, the heat treatment is performed using an electric furnace. The temperature of heat processing is the range of 1200 to 2200 degreeC, Preferably it is the range of 1400-1700 degreeC. When the heat treatment temperature is less than 1200 ° C., a metal carbonitride mixture containing any one of Group 4 or Group 5 transition metals cannot be obtained. The lower the firing temperature, the smaller the particle size of the metal carbonitride mixture containing any one of Group 4 or Group 5 transition metals, but the raw materials and the like are likely to remain. If the temperature is 2200 ° C. or higher, sintering will increase the particle size, and a metal carbonitride mixture containing a Group 4 or Group 5 transition metal oxide having a crystallite size of 1 to 100 nm of the present invention cannot be obtained. Although depending on the metal species, a metal carbonitride containing any one of Group 4 or Group 5 transition metals having a small particle size with little residual material can be obtained in the range of 1400 to 1700 ° C.
(Process to obtain metal carbonitride)
Next, the process of obtaining a metal carbonitride oxide mixture by heat-treating the metal carbonitride mixture obtained by the above production method in a gas containing oxygen will be described.
酸素を不活性ガスで希釈することで、酸化が均一に進行するようにコントロールすることができる。上記不活性ガスとしては、窒素、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガスまたはラドンガスが挙げられる。窒素またはアルゴンガスが、比較的入手しやすい点で特に好ましい。 By diluting oxygen with an inert gas, the oxidation can be controlled to proceed uniformly. Examples of the inert gas include nitrogen, helium gas, neon gas, argon gas, krypton gas, xenon gas, and radon gas. Nitrogen or argon gas is particularly preferred because it is relatively easy to obtain.
また、不活性ガスに水素を混在させてもよい。水素濃度は、0.0001〜10容量%が好ましく、0.05〜5容量%が特に好ましい。水素は、前記水素濃度が前記範囲内であると、均一な炭窒酸化物が形成する点で好ましい。水素濃度が0.0001容量%未満では、水素を混在させる効果が小さく好ましくない。また10容量%を超えると十分な酸化ができない恐れがあり好ましくない。 Further, hydrogen may be mixed in the inert gas. The hydrogen concentration is preferably 0.0001 to 10% by volume, particularly preferably 0.05 to 5% by volume. Hydrogen is preferable in that the hydrogen concentration is within the above range, a uniform carbonitride oxide is formed. If the hydrogen concentration is less than 0.0001% by volume, the effect of mixing hydrogen is small, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 10% by volume, there is a possibility that sufficient oxidation cannot be carried out.
当該工程における酸素濃度は、熱処理時間と熱処理温度に依存するが、0.0001〜10容量%が好ましく、0.03〜3容量%が特に好ましい。酸素濃度がこの範囲内であると、均一な金属炭窒酸化物混合物が形成する点で好ましい。 The oxygen concentration in this step depends on the heat treatment time and the heat treatment temperature, but is preferably 0.0001 to 10% by volume, particularly preferably 0.03 to 3% by volume. When the oxygen concentration is within this range, it is preferable in that a uniform metal oxynitride mixture is formed.
また、前記酸素濃度が0.0001容量%未満であると未酸化状態になる傾向があり、10容量%を超えると酸化が進み過ぎてしまう傾向がある。 Further, if the oxygen concentration is less than 0.0001% by volume, it tends to be in an unoxidized state, and if it exceeds 10% by volume, oxidation tends to proceed excessively.
当該工程における熱処理の温度は、通常は400〜1400℃の範囲であり、好ましくは600〜1200℃の範囲である。前記熱処理温度が前記範囲内であると、均一な金属炭窒酸化物混合物が形成する点で好ましい。前記熱処理温度が400℃未満であると酸化が進まない。1400℃以上であると酸化の進行が速く、コントロールできない恐れがある。 The temperature of the heat treatment in this step is usually in the range of 400 to 1400 ° C, preferably in the range of 600 to 1200 ° C. The heat treatment temperature within the above range is preferable in that a uniform metal oxycarbonitride mixture is formed. When the heat treatment temperature is less than 400 ° C., oxidation does not proceed. If it is 1400 ° C. or higher, the progress of oxidation is fast, and there is a possibility that it cannot be controlled.
当該工程における熱処理方法としては、整地法、攪拌法、落下法、粉末捕捉法などが挙げられる。 Examples of the heat treatment method in this step include a leveling method, a stirring method, a dropping method, a powder trapping method, and the like.
落下法とは、誘導炉中に微量の酸素を含む不活性ガスを流しながら、炉を所定の熱処理温度まで加熱し、該温度で熱的平衡を保った後、炉の加熱区域である坩堝中に原料である金属炭窒化物混合物を落下させ、熱処理する方法である。落下法の場合は、金属炭窒酸化物混合物の粒子の凝集及び成長を最小限度に抑制することができる点で好ましい。 In the dropping method, an inert gas containing a small amount of oxygen flows through an induction furnace, the furnace is heated to a predetermined heat treatment temperature, and after maintaining a thermal equilibrium at the temperature, the furnace is heated in a crucible that is a heating area of the furnace. In this method, the metal carbonitride mixture as a raw material is dropped and heat-treated. The dropping method is preferable in that the aggregation and growth of the particles of the metal carbonitride oxide mixture can be minimized.
粉末捕捉法とは、微量の酸素を含む不活性ガス雰囲気中で、金属炭窒化物混合物を飛沫にして浮遊させ、所定の熱処理温度に保たれた垂直の管状炉中に金属炭窒化物混合物を捕捉して、熱処理する方法である。 The powder trapping method means that the metal carbonitride mixture is suspended in a vertical tube furnace maintained at a predetermined heat treatment temperature by splashing and floating the metal carbonitride mixture in an inert gas atmosphere containing a small amount of oxygen. It is a method of capturing and heat-treating.
本発明の触媒としては、上述の製造方法等により得られる金属炭窒酸化物を、そのまま用いてもよいが、得られる金属炭窒酸化物混合物をさらに解砕し、より微細な粉末にしたものを用いてもよい。 As the catalyst of the present invention, the metal oxycarbonitride obtained by the above-described production method and the like may be used as it is, but the resulting metal oxycarbonitride mixture is further pulverized into a finer powder. May be used.
金属炭窒酸化物を解砕する方法としては、例えば、ロール転動ミル、ボールミル、媒体撹拌ミル、気流粉砕機、乳鉢、槽解機による方法等が挙げられ、金属炭窒酸化物をより微粒とすることができる点では、気流粉砕機による方法が好ましく、少量処理が容易となる点では、乳鉢による方法が好ましい。
<用途>
本発明の触媒は、白金触媒の代替触媒として使用することができる。
Examples of the method for crushing the metal carbonitride oxide include a roll rolling mill, a ball mill, a medium agitation mill, an airflow crusher, a mortar, a method using a tank disintegrator, and the like. The method using an airflow pulverizer is preferable, and the method using a mortar is preferable from the viewpoint that a small amount of processing is easy.
<Application>
The catalyst of the present invention can be used as an alternative catalyst for a platinum catalyst.
例えば、燃料電池用触媒、排ガス処理用触媒または有機合成用触媒として使用できる。 For example, it can be used as a catalyst for fuel cells, a catalyst for exhaust gas treatment, or a catalyst for organic synthesis.
本発明の燃料電池用触媒層は、前記触媒を含むことを特徴としている。 The fuel cell catalyst layer of the present invention is characterized by containing the catalyst.
本発明の燃料電池用触媒層は、アノード触媒層またはカソード触媒層のいずれにも用いることができる。本発明の燃料電池用触媒層は、高い酸素還元能を有し、酸性電解質中において高電位であっても腐蝕しがたい触媒を含むため、燃料電池のカソードに設けられる触媒層(カソード用触媒層)として有用である。特に固体高分子型燃料電池が備える膜電極接合体のカソードに設けられる触媒層に好適に用いられる。 The catalyst layer for a fuel cell of the present invention can be used for either an anode catalyst layer or a cathode catalyst layer. The catalyst layer for a fuel cell of the present invention includes a catalyst layer (catalyst catalyst for cathode) provided on the cathode of a fuel cell because it contains a catalyst having high oxygen reducing ability and hardly corroded even in a high potential in an acidic electrolyte. Layer). In particular, it is suitably used for a catalyst layer provided on the cathode of a membrane electrode assembly provided in a polymer electrolyte fuel cell.
本発明の燃料電池用触媒層には、さらに電子伝導性粉末を含むことが好ましい。前記触媒を含む燃料電池用触媒層がさらに電子伝導性粉末を含む場合には、還元電流をより高めることができる。電子伝導性粉末は、前記触媒に、電気化学的反応を誘起させるための電気的接点を生じさせるため、還元電流を高めると考えられる。 The catalyst layer for a fuel cell of the present invention preferably further contains an electron conductive powder. When the fuel cell catalyst layer containing the catalyst further contains an electron conductive powder, the reduction current can be further increased. The electron conductive powder is considered to increase the reduction current because it causes an electrical contact for inducing an electrochemical reaction in the catalyst.
前記電子伝導性粒子は通常、触媒の担体として用いられる。 The electron conductive particles are usually used as a catalyst carrier.
電子伝導性粒子としては、炭素、導電性高分子、導電性セラミクス、金属または酸化タングステンもしくは酸化イリジウムなどの導電性無機酸化物が挙げられ、それらを単独または組み合わせて用いることができる。特に、炭素は比表面積が大きいため、炭素単独または炭素とその他の電子伝導性粒子との混合物が好ましい。すなわち燃料電池用触媒層としては、前記触媒と、炭素とを含むことが好ましい。 Examples of the electron conductive particles include carbon, conductive polymers, conductive ceramics, metals, and conductive inorganic oxides such as tungsten oxide or iridium oxide, and these can be used alone or in combination. In particular, since carbon has a large specific surface area, carbon alone or a mixture of carbon and other electron conductive particles is preferable. That is, the fuel cell catalyst layer preferably contains the catalyst and carbon.
炭素としては、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、活性炭、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、フラーレンなどが使用できる。カーボンの粒径は、小さすぎると電子伝導パスが形成されにくくなり、また大きすぎると燃料電池用触媒層のガス拡散性が低下したり、触媒の利用率が低下する傾向があるため、10〜1000nmの範囲であることが好ましく、10〜100nmの範囲であることがよりに好ましい。 As carbon, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, fullerene and the like can be used. If the particle size of the carbon is too small, it becomes difficult to form an electron conduction path, and if it is too large, the gas diffusibility of the catalyst layer for fuel cells tends to decrease or the utilization factor of the catalyst tends to decrease. A range of 1000 nm is preferable, and a range of 10 to 100 nm is more preferable.
電子伝導性粒子が、炭素の場合、前記触媒と炭素との重量比(触媒:電子伝導性粒子)は、好ましくは4:1〜1000:1である。 When the electron conductive particles are carbon, the weight ratio of the catalyst to carbon (catalyst: electron conductive particles) is preferably 4: 1 to 1000: 1.
導電性高分子としては特に限定は無いが、例えばポリアセチレン、ポリ−p−フェニレン、ポリアニリン、ポリアルキルアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリインドール、ポリ−1,5−ジアミノアントラキノン、ポリアミノジフェニル、ポリ(o−フェニレンジアミン)、ポリ(キノリニウム)塩、ポリピリジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン等が挙げられる。これらの中でも、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェンが好ましく、ポリピロールがより好ましい。 The conductive polymer is not particularly limited. For example, polyacetylene, poly-p-phenylene, polyaniline, polyalkylaniline, polypyrrole, polythiophene, polyindole, poly-1,5-diaminoanthraquinone, polyaminodiphenyl, poly (o- Phenylenediamine), poly (quinolinium) salts, polypyridine, polyquinoxaline, polyphenylquinoxaline and the like. Among these, polypyrrole, polyaniline, and polythiophene are preferable, and polypyrrole is more preferable.
高分子電解質としては、燃料電池用触媒層において一般的に用いられているものであれば特に限定されない。具体的には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体(例えば、ナフィオン(デュポン社 5%ナフィオン溶液(DE521)など)、スルホン酸基を有する炭化水素系高分子化合物、リン酸などの無機酸をドープさせた高分子化合物、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体などが挙げられる。これらの中でも、ナフィオン(デュポン社 5%ナフィオン溶液(DE521))が好ましい。 The polymer electrolyte is not particularly limited as long as it is generally used in a fuel cell catalyst layer. Specifically, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group (for example, Nafion (DuPont 5% Nafion solution (DE521), etc.), a hydrocarbon polymer compound having a sulfonic acid group, and an inorganic acid such as phosphoric acid are used. Examples thereof include doped polymer compounds, organic / inorganic hybrid polymers partially substituted with proton-conductive functional groups, and proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution. Among them, Nafion (DuPont 5% Nafion solution (DE521)) is preferable.
前記触媒を、担体である前記電子伝導性粒子上に分散させる方法としては、気流分散、液中分散等の方法が挙げられる。液中分散は、溶媒中に触媒及び電子伝導性粒子を分散したものを、燃料電池用触媒層形成工程に使用できるため好ましい。液中分散としては、オリフィス収縮流による方法、回転せん断流による方法または超音波による方法等があげられる。液中分散の際、使用される溶媒は、触媒や電子伝導性粒子を浸食することがなく、分散できるものであれば特に制限はないが、揮発性の液体有機溶媒または水等が一般に使用される。 Examples of the method for dispersing the catalyst on the electron conductive particles as a support include air flow dispersion and dispersion in liquid. Dispersion in liquid is preferable because a catalyst and electron conductive particles dispersed in a solvent can be used in the fuel cell catalyst layer forming step. Examples of the dispersion in the liquid include a method using an orifice contraction flow, a method using a rotating shear flow, and a method using an ultrasonic wave. The solvent used for dispersion in the liquid is not particularly limited as long as it does not erode the catalyst or electron conductive particles and can be dispersed, but a volatile liquid organic solvent or water is generally used. The
また、触媒を、前記電子伝導性粒子上に分散させる際、さらに上記電解質と分散剤とを同時に分散させてもよい。 Further, when the catalyst is dispersed on the electron conductive particles, the electrolyte and the dispersing agent may be further dispersed at the same time.
燃料電池用触媒層の形成方法としては、特に制限はないが、たとえば、前記触媒と電子伝導性粒子と電解質とを含む懸濁液を、後述する電解質膜またはガス拡散層に塗布する方法が挙げられる。前記塗布する方法としては、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などが挙げられる。また、前記触媒と電子伝導性粒子と電解質とを含む懸濁液を、塗布法またはろ過法により基材に燃料電池用触媒層を形成した後、転写法で電解質膜に燃料電池用触媒層を形成する方法が挙げられる。 The method for forming the catalyst layer for the fuel cell is not particularly limited. For example, a method of applying a suspension containing the catalyst, the electron conductive particles, and the electrolyte to the electrolyte membrane or the gas diffusion layer to be described later. It is done. Examples of the application method include a dipping method, a screen printing method, a roll coating method, and a spray method. In addition, after forming a catalyst layer for a fuel cell on a base material by a coating method or a filtration method using a suspension containing the catalyst, electron conductive particles, and an electrolyte, the catalyst layer for a fuel cell is formed on the electrolyte membrane by a transfer method. The method of forming is mentioned.
本発明の電極は、前記燃料電池用触媒層と多孔質支持層とを有することを特徴としている。 The electrode of the present invention is characterized by having the fuel cell catalyst layer and a porous support layer.
本発明の電極はカソードまたはアノードのいずれの電極にも用いることができる。本発明の電極は、耐久性に優れ、触媒能が大きいので、カソードに用いるとより効果を発揮する。 The electrode of the present invention can be used as either a cathode or an anode. Since the electrode of the present invention is excellent in durability and has a large catalytic ability, it is more effective when used for a cathode.
多孔質支持層とは、ガスを拡散する層(以下「ガス拡散層」とも記す。)である。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や、軽量化のためにステンレス、耐食材を被服したアルミニウム箔が用いられる。 The porous support layer is a layer that diffuses gas (hereinafter also referred to as “gas diffusion layer”). The gas diffusion layer may be anything as long as it has electron conductivity, high gas diffusibility, and high corrosion resistance. Generally, carbon-based porous materials such as carbon paper and carbon cloth are used. Materials and aluminum foil coated with stainless steel and corrosion-resistant materials for weight reduction are used.
本発明の膜電極接合体は、カソードとアノードと前記カソード及び前記アノードの間に配置された電解質膜とを有する膜電極接合体であって、前記カソード及び/または前記アノードが、前記電極であることを特徴としている。 The membrane electrode assembly of the present invention is a membrane electrode assembly having a cathode, an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, wherein the cathode and / or the anode is the electrode. It is characterized by that.
電解質膜としては、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が、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜または多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。 As the electrolyte membrane, for example, an electrolyte membrane using a perfluorosulfonic acid system or a hydrocarbon electrolyte membrane is generally used. However, a membrane or porous body in which a polymer microporous membrane is impregnated with a liquid electrolyte is used. A membrane filled with a polymer electrolyte may be used.
また本発明の燃料電池は、前記膜電極接合体を備えることを特徴としている。 The fuel cell according to the present invention includes the membrane electrode assembly.
燃料電池の電極反応はいわゆる3相界面(電解質‐電極触媒‐反応ガス)で起こる。燃料電池は、使用される電解質などの違いにより数種類に分類され、溶融炭酸塩型(MCFC)、リン酸型(PAFC)、固体酸化物型(SOFC)、固体高分子型(PEFC)等がある。中でも、本発明の膜電極接合体は、固体高分子型燃料電池に使用することが好ましい。 Fuel cell electrode reactions occur at the so-called three-phase interface (electrolyte-electrode catalyst-reaction gas). Fuel cells are classified into several types depending on the electrolyte used, etc., and include molten carbonate type (MCFC), phosphoric acid type (PAFC), solid oxide type (SOFC), and solid polymer type (PEFC). . Especially, it is preferable to use the membrane electrode assembly of this invention for a polymer electrolyte fuel cell.
以下に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
[実施例1]
1.触媒の調製
二酸化セリウム0.17g(1mmol)、酸化チタン7.92g(99mmol)、カーボンブラック(キャボット社製、Vulcan72)3g(250mmol)をボールミルで十分に混合した。該混合物を1500℃で3時間、窒素雰囲気中で熱処理した。得られた物をボールミルで十分に粉砕し、炭窒化物混合物7.2gを得た。
得られたチタンの炭窒化物混合物300mgを、管状炉で、1000℃3時間、1.5容量%酸素ガスと4容量%水素を含有する窒素雰囲気中で熱処理した。得られたチタンの炭窒酸化物混合物(以下「触媒(1)」とも記す。)を十分に粉砕し、270mgを得た。
X‘Pert PRO MPDを用いてX線回折スペクトルを測定した。電圧45V,電流40mA、測定する回折角度2θは10〜110°とし、測定する回折角度間隔は0.016711°とした。
EXAMPLES The present invention will be described below in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[Example 1]
1. Preparation of catalyst 0.17 g (1 mmol) of cerium dioxide, 7.92 g (99 mmol) of titanium oxide, and 3 g (250 mmol) of carbon black (manufactured by Cabot, Vulcan 72) were sufficiently mixed by a ball mill. The mixture was heat-treated at 1500 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained product was sufficiently pulverized with a ball mill to obtain 7.2 g of a carbonitride mixture.
300 mg of the obtained titanium carbonitride mixture was heat-treated in a tube furnace at 1000 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere containing 1.5 vol% oxygen gas and 4 vol% hydrogen. The obtained titanium carbonitride oxide mixture (hereinafter also referred to as “catalyst (1)”) was sufficiently pulverized to obtain 270 mg.
X-ray diffraction spectra were measured using X'Pert PRO MPD. The voltage was 45 V, the current was 40 mA, the diffraction angle 2θ to be measured was 10 to 110 °, and the diffraction angle interval to be measured was 0.016711 °.
触媒(1)の粉末X線回折スペクトルを図1に示す。 The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (1) is shown in FIG.
理学電機社製リートベルト解析ソフトJADEを用いて、実測回折パターンより、チタンの炭窒酸化物混合物中の酸化チタンの結晶子サイズを求めた。得られた結果を表1に示す。
The crystallite size of titanium oxide in the titanium carbonitride oxide mixture was determined from the measured diffraction pattern using Rietveld analysis software JADE manufactured by Rigaku Corporation. The obtained results are shown in Table 1.
2.燃料電池用電極の製造
酸素還元能の測定は、次のように行った。触媒(1)0.095gとカーボンブラック(キャボット社製 XC−72)0.005gをイソプロピルアルコール:純水=2:1の重量比で混合した溶液10gに入れ、超音波で撹拌、縣濁して混合した。この混合物30μlをグラッシーカーボン電極(東海カーボン社製、径:5.2mm)に塗布し、120℃で1時間乾燥した。さらに、ナフィオン(デゥポン社 5%ナフィオン溶液(DE521))を10倍に純水で希釈したもの10μlを塗布し、120℃で1時間乾燥し、燃料電池用電極(1)を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode The oxygen reducing ability was measured as follows. Catalyst (1) 0.095 g and carbon black (Cabot XC-72, 0.005 g) were added to 10 g of a mixture of isopropyl alcohol: pure water = 2: 1 in a weight ratio, stirred with ultrasonic waves and suspended. Mixed. 30 μl of this mixture was applied to a glassy carbon electrode (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd., diameter: 5.2 mm) and dried at 120 ° C. for 1 hour. Further, 10 μl of Nafion (DuPont 5% Nafion solution (DE521)) diluted 10 times with pure water was applied and dried at 120 ° C. for 1 hour to obtain a fuel cell electrode (1).
3.酸素還元能の評価
このようにして作製した燃料電池用電極(1)の触媒能(酸素還元能)を以下の方法で評価した。
3. Evaluation of oxygen reducing ability The catalytic ability (oxygen reducing ability) of the thus produced fuel cell electrode (1) was evaluated by the following method.
まず、作製した燃料電池用電極(1)を、酸素雰囲気及び窒素雰囲気で、0.5mol/dm3の硫酸溶液中、30℃、5mV/秒の電位走査速度で分極し、電流−電位曲線を測定した。その際、同濃度の硫酸溶液中での可逆水素電極を参照電極とした。 First, the produced fuel cell electrode (1) was polarized in an oxygen atmosphere and a nitrogen atmosphere in a 0.5 mol / dm 3 sulfuric acid solution at 30 ° C. and a potential scanning speed of 5 mV / sec, and a current-potential curve was obtained. It was measured. At that time, a reversible hydrogen electrode in a sulfuric acid solution having the same concentration was used as a reference electrode.
上記測定結果から、酸素雰囲気での還元電流と窒素雰囲気での還元電流との差を求めた。
図2に、上記測定により得られた酸素還元電流−酸素還元電位曲線(以下「電流−電位曲線」とする。)を示す。
0.7V(vs.NHE)における電流値を表2に示す。酸素還元電流が大きいほど、燃料電池用電極(1)の触媒能(酸素還元能)が高いことを示す。
From the measurement results, the difference between the reduction current in the oxygen atmosphere and the reduction current in the nitrogen atmosphere was determined.
FIG. 2 shows an oxygen reduction current-oxygen reduction potential curve (hereinafter referred to as “current-potential curve”) obtained by the above measurement.
Table 2 shows current values at 0.7 V (vs. NHE). The larger the oxygen reduction current, the higher the catalytic ability (oxygen reducing ability) of the fuel cell electrode (1).
[実施例2]
1.触媒の調製
三酸化二イットリウム0.81g(2.5mmol)、酸化チタン7.6g(95mmol)、カーボンブラック(キャボット社製、Vulcan72)3g(250mmol)をボールミルで十分に混合した。該混合物を1500℃で3時間、窒素雰囲気中で熱処理した。得られた物をボールミルで十分に粉砕し、炭窒化物混合物7.4gを得た。
得られたチタンの炭窒化物混合物300mgを、管状炉で、1000℃3時間、1.5容量%酸素ガスと4容量%水素を含有する窒素雰囲気中で熱処理した。得られたチタンの炭窒酸化物混合物(以下「触媒(2)」とも記す。)を十分に粉砕し、275mgを得た。
[Example 2]
1. Catalyst Preparation 0.81 g (2.5 mmol) of yttrium trioxide, 7.6 g (95 mmol) of titanium oxide, and 3 g (250 mmol) of carbon black (manufactured by Cabot, Vulcan 72) were sufficiently mixed by a ball mill. The mixture was heat-treated at 1500 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained product was sufficiently pulverized with a ball mill to obtain 7.4 g of a carbonitride mixture.
300 mg of the obtained titanium carbonitride mixture was heat-treated in a tube furnace at 1000 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere containing 1.5 vol% oxygen gas and 4 vol% hydrogen. The obtained titanium carbonitride oxide mixture (hereinafter also referred to as “catalyst (2)”) was sufficiently pulverized to obtain 275 mg.
実施例1と同様にして X線回折スペクトルを測定した。触媒(2)の粉末X線回折スペクトルを図3に示す。 The X-ray diffraction spectrum was measured in the same manner as in Example 1. The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (2) is shown in FIG.
実施例1と同様にしてリートベルト解析を行い、チタンの炭窒酸化物混合物中の酸化チタンの結晶子サイズを求めた。得られた結果を表1に示す。 Rietveld analysis was performed in the same manner as in Example 1 to determine the crystallite size of titanium oxide in the titanium carbonitride oxide mixture. The obtained results are shown in Table 1.
2.燃料電池用電極の製造
前記触媒(2)を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用電極(2)を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode A fuel cell electrode (2) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst (2) was used.
3.酸素還元能の評価
前記燃料電池用電極(2)を用いた以外は実施例1と同様にして触媒能(酸素還元能)を評価した。
3. Evaluation of oxygen reduction ability Catalytic ability (oxygen reduction ability) was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the fuel cell electrode (2) was used.
図4に、当該測定により得られた電流−電位曲線を示す。 FIG. 4 shows a current-potential curve obtained by the measurement.
0.7V(vs.NHE)における電流値を表2に示す。
[実施例3]
1.触媒の調製
二酸化セリウム0.09g(0.5mmol)、酸化ジルコニウム12.3g(99.5mmol)、カーボンブラック(キャボット社製、Vulcan72)3g(250mmol)をボールミルで十分に混合した。該混合物を1700℃で3時間、窒素雰囲気中で熱処理した。得られた物をボールミルで十分に粉砕し、ジルコニウムの炭窒化物混合物11.3gを得た。
得られたジルコニウムの炭窒化物混合物300mgを、管状炉で、1000℃3時間、0.75容量%酸素ガスと4容量%水素を含有する窒素雰囲気中で熱処理した。得られたジルコニウムの炭窒酸化物混合物(以下「触媒(3)」とも記す。)を十分に粉砕し、280mgを得た。
実施例1と同様にして X線回折スペクトルを測定した。触媒(3)の粉末X線回折スペクトルを図5に示す。
実施例1と同様にして リートベルト解析を行い、ジルコニウムの炭窒酸化物混合物中の酸化ジルコニウムの単斜晶と正方晶の結晶子サイズを求めた。得られた結果を表3に示す。
Table 2 shows current values at 0.7 V (vs. NHE).
[Example 3]
1. Preparation of catalyst 0.09 g (0.5 mmol) of cerium dioxide, 12.3 g (99.5 mmol) of zirconium oxide, and 3 g (250 mmol) of carbon black (manufactured by Cabot, Vulcan 72) were sufficiently mixed by a ball mill. The mixture was heat-treated at 1700 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained product was sufficiently pulverized with a ball mill to obtain 11.3 g of a zirconium carbonitride mixture.
300 mg of the obtained zirconium carbonitride mixture was heat-treated in a tube furnace at 1000 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere containing 0.75 vol% oxygen gas and 4 vol% hydrogen. The obtained zirconium carbonitride oxide mixture (hereinafter also referred to as “catalyst (3)”) was sufficiently pulverized to obtain 280 mg.
The X-ray diffraction spectrum was measured in the same manner as in Example 1. The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (3) is shown in FIG.
Rietveld analysis was performed in the same manner as in Example 1, and the monoclinic and tetragonal crystallite sizes of zirconium oxide in the zirconium carbonitride oxide mixture were determined. The obtained results are shown in Table 3.
2.燃料電池用電極の製造
前記触媒(3)を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用電極(3)を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode A fuel cell electrode (3) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst (3) was used.
3.酸素還元能の評価
前記燃料電池用電極(3)を用いた以外は実施例1と同様にして触媒能(酸素還元能)を評価した。
3. Evaluation of oxygen reduction ability Catalytic ability (oxygen reduction ability) was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the fuel cell electrode (3) was used.
図6に、当該測定により得られた電流−電位曲線を示す。
0.5V(vs.NHE)における電流値を表4に示す。
FIG. 6 shows a current-potential curve obtained by the measurement.
Table 4 shows current values at 0.5 V (vs. NHE).
[実施例4]
1.触媒の調製
三酸化二イットリウム1.61g(5mmol)、酸化ジルコニウム7.6g(90mmol)、カーボン(キャボット社製、Vulcan72)3g(250mmol)をボールミルで十分に混合した。該混合物を1700℃で3時間、窒素雰囲気中で熱処理した。得られた物をボールミルで十分に粉砕し、ジルコニウムの炭窒化物混合物11.6gを得た。
得られたジルコニウムの炭窒化物混合物300mgを、管状炉で、1000℃3時間、0.75容量%酸素ガスと4容量%水素を含有する窒素雰囲気中で熱処理した。得られたジルコニウムの炭窒酸化物混合物(以下「触媒(4)」とも記す。)を十分に粉砕し、275mgを得た。
[Example 4]
1. Preparation of catalyst 1.61 g (5 mmol) of yttrium trioxide, 7.6 g (90 mmol) of zirconium oxide, and 3 g (250 mmol) of carbon (manufactured by Cabot, Vulcan 72) were sufficiently mixed by a ball mill. The mixture was heat-treated at 1700 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained product was sufficiently pulverized with a ball mill to obtain 11.6 g of a carbonitride mixture of zirconium.
300 mg of the obtained zirconium carbonitride mixture was heat-treated in a tube furnace at 1000 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere containing 0.75 vol% oxygen gas and 4 vol% hydrogen. The obtained zirconium carbonitride oxide mixture (hereinafter also referred to as “catalyst (4)”) was sufficiently pulverized to obtain 275 mg.
実施例1と同様にして X線回折スペクトルを測定した。触媒(4)の粉末X線回折スペクトルを図7に示す。
実施例1と同様にして リートベルト解析を行い、ジルコニウムの炭窒酸化物混合物中の酸化ジルコニウムの単斜晶と正方晶の結晶子サイズを求めた。得られた結果を表3に示す。
The X-ray diffraction spectrum was measured in the same manner as in Example 1. The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (4) is shown in FIG.
Rietveld analysis was performed in the same manner as in Example 1, and the monoclinic and tetragonal crystallite sizes of zirconium oxide in the zirconium carbonitride oxide mixture were determined. The obtained results are shown in Table 3.
2.燃料電池用電極の製造
前記触媒(4)を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用電極(4)を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode A fuel cell electrode (4) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst (4) was used.
3.酸素還元能の評価
前記燃料電池用電極(4)を用いた以外は実施例1と同様にして触媒能(酸素還元能)を評価した。
3. Evaluation of oxygen reduction ability Catalytic ability (oxygen reduction ability) was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the fuel cell electrode (4) was used.
図8に、当該測定により得られた電流−電位曲線を示す。
0.5V(vs.NHE)における電流値を表4に示す。
[比較例1]
1.触媒の調製
酸化チタン8.0g(100mmol)、カーボンブラック(キャボット社製、Vulcan72)3g(250mmol)をボールミルで十分に混合した。該混合物を1500℃で3時間、窒素雰囲気中で熱処理した。得られた物をボールミルで十分に粉砕し、チタンの炭窒化物混合物7.2gを得た。
得られたチタンの炭窒化物混合物300mgを、管状炉で、1000℃3時間、1.5容量%酸素ガスと4容量%水素を含有する窒素雰囲気中で熱処理した。得られたチタンの炭窒酸化物混合物(以下「触媒(5)」とも記す。)を十分に粉砕し、275mgを得た。
実施例1と同様にして X線回折スペクトルを測定した。触媒(5)の粉末X線回折スペクトルを図9に示す。
実施例1と同様にして リートベルト解析を行い、チタンの炭窒酸化物混合物中の酸化チタンの結晶子サイズを求めた。得られた結果を表1に示す。
FIG. 8 shows a current-potential curve obtained by the measurement.
Table 4 shows current values at 0.5 V (vs. NHE).
[Comparative Example 1]
1. Catalyst Preparation 8.0 g (100 mmol) of titanium oxide and 3 g (250 mmol) of carbon black (manufactured by Cabot, Vulcan 72) were mixed thoroughly with a ball mill. The mixture was heat-treated at 1500 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained product was sufficiently pulverized with a ball mill to obtain 7.2 g of a titanium carbonitride mixture.
300 mg of the obtained titanium carbonitride mixture was heat-treated in a tube furnace at 1000 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere containing 1.5 vol% oxygen gas and 4 vol% hydrogen. The obtained titanium carbonitride oxide mixture (hereinafter also referred to as “catalyst (5)”) was sufficiently pulverized to obtain 275 mg.
The X-ray diffraction spectrum was measured in the same manner as in Example 1. The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (5) is shown in FIG.
Rietveld analysis was performed in the same manner as in Example 1 to determine the crystallite size of titanium oxide in the titanium carbonitride oxide mixture. The obtained results are shown in Table 1.
2.燃料電池用電極の製造
前記触媒(5)を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用電極(5)を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode A fuel cell electrode (5) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst (5) was used.
3.酸素還元能の評価
前記燃料電池用電極(5)を用いた以外は実施例1と同様にして触媒能(酸素還元能)を評価した。
3. Evaluation of oxygen reduction ability Catalytic ability (oxygen reduction ability) was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the fuel cell electrode (5) was used.
図10に、当該測定により得られた電流−電位曲線を示す。 FIG. 10 shows a current-potential curve obtained by the measurement.
0.7V(vs.NHE)における電流値を表2に示す。
[比較例2]
1.触媒の調製
酸化ジルコニウム12.3g(100mmol)、カーボンブラック(キャボット社製、Vulcan72)3g(250mmol)をボールミルで十分に混合した。該混合物を1500℃で3時間、窒素雰囲気中で熱処理した。得られた物をボールミルで十分に粉砕し、ジルコニウムの炭窒化物混合物11.9gを得た。
得られたジルコニウムの炭窒化物混合物300mgを、管状炉で、1000℃3時間、0.75容量%酸素ガスと4容量%水素を含有する窒素雰囲気中で熱処理した。得られたジルコニウムの炭窒酸化物混合物(以下「触媒(6)」とも記す。)を十分に粉砕し、275mgを得た。
Table 2 shows current values at 0.7 V (vs. NHE).
[Comparative Example 2]
1. Preparation of Catalyst Zirconium oxide (12.3 g, 100 mmol) and carbon black (manufactured by Cabot, Vulcan 72) (3 g, 250 mmol) were sufficiently mixed by a ball mill. The mixture was heat-treated at 1500 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained product was sufficiently pulverized by a ball mill to obtain 11.9 g of a zirconium carbonitride mixture.
300 mg of the obtained zirconium carbonitride mixture was heat-treated in a tube furnace at 1000 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere containing 0.75 vol% oxygen gas and 4 vol% hydrogen. The obtained zirconium carbonitride oxide mixture (hereinafter also referred to as “catalyst (6)”) was sufficiently pulverized to obtain 275 mg.
実施例1と同様にして X線回折スペクトルを測定した。触媒(6)の粉末X線回折スペクトルを図11に示す。 The X-ray diffraction spectrum was measured in the same manner as in Example 1. The powder X-ray diffraction spectrum of the catalyst (6) is shown in FIG.
実施例1と同様にして リートベルト解析を行い、ジルコニウムの炭窒酸化物混合物中の酸化ジルコニウムの単斜晶と正方晶の結晶子サイズを求めた。得られた結果を表3に示す。 Rietveld analysis was performed in the same manner as in Example 1, and the monoclinic and tetragonal crystallite sizes of zirconium oxide in the zirconium carbonitride oxide mixture were determined. The obtained results are shown in Table 3.
2.燃料電池用電極の製造
前記触媒(6)を用いた以外は実施例1と同様にして燃料電池用電極(6)を得た。
2. Production of Fuel Cell Electrode A fuel cell electrode (6) was obtained in the same manner as in Example 1 except that the catalyst (6) was used.
3.酸素還元能の評価
前記燃料電池用電極(5)を用いた以外は実施例1と同様にして触媒能(酸素還元能)を評価した。
3. Evaluation of oxygen reduction ability Catalytic ability (oxygen reduction ability) was evaluated in the same manner as in Example 1 except that the fuel cell electrode (5) was used.
図12に、当該測定により得られた電流−電位曲線を示す。
0.5V(vs.NHE)における電流値を表4に示す。
FIG. 12 shows a current-potential curve obtained by the measurement.
Table 4 shows current values at 0.5 V (vs. NHE).
本発明の製造方法より得られた触媒は、酸性電解質中や高電位で腐食せず、耐久性に優れ、高い酸素還元能を有するので、燃料電池用触媒層、電極、電極接合体または燃料電池に用いることができる。
The catalyst obtained from the production method of the present invention does not corrode in an acidic electrolyte or at a high potential, has excellent durability, and has a high oxygen reducing ability. Therefore, a catalyst layer for a fuel cell, an electrode, an electrode assembly, or a fuel cell Can be used.
Claims (8)
前記3族の遷移金属が、イットリウムおよびセリウムからなる群から選ばれる一種以上であり、
前記4族または5族の遷移金属が、チタンである
ことを特徴とする燃料電池用電極触媒。 Of the Group 4 or Group 5 transition metal comprising one or more Group 3 transition metal compounds and one or more Group 4 or Group 5 transition metal oxides having a crystallite size in the range of 1 to 100 nm. A carbonitride oxide mixture,
The Group 3 transition metal is at least one selected from the group consisting of yttrium and cerium;
The Group 4 or 5 transition metals are, fuel cell electrode catalyst which is a titanium down.
前記金属炭窒化物混合物を酸素含有ガス中で熱処理して金属炭窒酸化物混合物を得る工程とを含み、
前記3族の遷移金属が、イットリウムおよびセリウムからなる群から選ばれる一種以上であり、
前記4族または5族の遷移金属が、チタンである
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。 Obtaining a metal carbonitride mixture comprising one or more Group 3 transition metal compounds and one or more Group 4 or Group 5 transition metal oxides;
Heat-treating the metal carbonitride mixture in an oxygen-containing gas to obtain a metal carbonitride oxide mixture,
The Group 3 transition metal is at least one selected from the group consisting of yttrium and cerium;
The Group 4 or 5 transition metals The production method of an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 1, characterized in that the titanium emission.
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