JP5493085B2 - カソード材料 - Google Patents
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Description
燃料電池のカソード上では、酸素または空気中に含まれる酸素が還元的に分解し、酸素イオンになるか又は、プロトンと反応して水分子を容易に作る電極触媒反応を進行させる必要がある。従来、この酸素還元分解電極触媒反応に適する電極として、Pt/導電性炭素が用いられてきた。しかし、その電流密度は低く、酸素還元分解反応開始電位もまた、十分高いものではなかった。
しかし、家庭用に燃料電池を普及させるためには、高性能でかつ、安価な燃料電池の作成が必要不可欠である。その観点から、従来のPt/導電性炭素よりも、カソード性能の高い電極触媒の開発が望まれてきた。
発明2は、発明1のカソード材料において、前記Pt粒子表面に、Pt1価が5体積%以上存在していることを特徴とする。
発明3は、発明1または発明2のカソード材料において、前記Pt粒子表面に、Pt2価が、10体積%以上存在することを特徴とする。
発明4は、発明1から発明3のカソード材料において、前記Pt粒子表面に、Pt4価が存在しても10体積%以下であることを特徴とする。
発明5は、発明1から発明4のカソード材料上において、Pt粒子の比表面積が10m2/g以上(COストリピング法による)であることを特徴とする。
発明6は、発明1から発明5のいずれかのカソード材料において、セリア粒子の比表面積が20m2/g以上70m2/g以下(B.E.T法にによる)であることを特徴とする。
発明7は、発明1から発明6のいずれかのカソード材料において、その組成を示す一般式をXPt/YCeO2/Zcarbon(Z=100−X−Y)としたとき、0.01≦X≦70、20≦Y≦40であることを特徴とする。
発明8は、発明1から発明7のいずれかに記載のカソード材料において、CeO2上に拡散するPtの領域が活性サイトとなることを特徴とする。
発明9は、発明8のカソード材料において、前記活性サイトの面積が1×102平方ナノメーター以上4×102平方ナノメーター以下であることを特徴とする。
発明10は、発明1から発明9のいずれかのカソード材料において、Ce3+/Ce4+比が1.0以上となることを特徴とする。
さらに、本発明は、従来、存在することが知られていなかったPt1価およびイオン化したPtであるPt2価を、PtとCeO2界面に十分な量形成し、このPt1価およびPt2価を構成成分とするクラスターを活性サイトとするカソード材料であるか、好ましくは、Pt1価およびPt2価とCeO2界面を通して、CeO2表面上にPtが拡散して広がる領域(界面層領域)が広く、さらに好ましくは、その界面層にPt2価が、10体積%以上40体積%以下存在した領域が、活性サイトとなるPt/CeO2複合カソード材料を使用することにより、燃料電池などに利用可能なカソード特性を大幅に改良することに成功したものであり、今後、燃料電池を始め、各種センサー等において使用され、それらの性能アップと、優れた性能の長期安定性に大いに寄与するものと期待される。とりわけ、近年注目されている高分子形燃料電池の小型化、高出力化には大いに寄与するものと期待され、産業界におけるその利用価値は極めて大きいし、重大である。
CeO2表面では、Pt粒子が拡散により原子状態で広がり、Pt+−Ce3+−酸素欠陥及びPt2+−Ce3+−酸素欠陥からなるユニークなナノヘテロクラスターを形成すると考えられる。このナノヘテロクラスターが活性サイトとなり、高いカソード活性が生まれると考えられるが明確なものではない。
Ptは一般には、金属Ptが一番効果的であると思われているが、既存のPtの性能を超える活性サイトをつくるためには、イオン化したPtを含むヘテロクラスターサイトを作成するのが望ましい。
本発明では、従来確認されていなかった1価をPtとCeO2界面に存在させること(Ptを含むヘテロクラスターサイトが表面にあらわれていることを意味する)で、Ptを用いた従来のものに比し、その性能を飛躍的に向上できたものと考えられる。
好ましくは、このPt1価とCeO2界面を通して、CeO2表面上にPtが拡散して広がる領域(界面層領域)が広く、この界面層領域にもPt+−Ce3+−酸素欠陥クラスターが活性サイトとして存在することで、カソード性能の向上が期待できる。
さらに好ましくは、上記界面層領域に、Pt2+−Ce3+−酸素欠陥からなるクラスターが、十分な量形成されていることで、このクラスターも活性サイトとして機能するので、カソード性能の向上が期待できる。
このヘテロクラスターの効果については、いまだ十分には解明されていないが、本実施例で示したように、イオン化したPt(Pt1価または2価)を安定に、PtとCeO2界面及び、CeO2表面に存在させるために、より好ましくはCe3価が、表面にあらわれるCeの4価に対して5割以上存在することで、上記範囲が安定に確保されるので好ましい。
なお、Pt1価やPt2価は、通常の光電子分光法や、放射光を用いた高エネルギー光電子分光法を用いて定量的に測定することができ、高電子分光により得られるPt4fスペクトルにおいて72.1eV(スピン7/2)と75.3eV(スピン5/2)にPt1価特有のピークが現れ、72.9eV(スピン7/2)と76.1eV(スピン5/2)にPt2価特有のピークが現れることから、容易に確認することができる。なお、Pt4価のスピン5/2のピークは、他のピークと重なりあい、定量的に評価することが難しいので、78.1eV付近のPt4価(スピン7/2)のピークの存在割合を用いて、表面のPt4価を評価することが好ましい。
Pt1価の量が、5体積%を下回ると、全体のPt量に占めるクラスター活性サイトの体積%が小さすぎて、カソード活性向上に与える十分な効果が得られないために好ましくない。一方、Pt1価の量は多い方が好ましいが、Pt1価は主としてPtとCeO2の界面及びその極近傍において存在すると考えられるために、そもそも大量には現れにくいものであることから、20体積%程度あれば十分に、カソード特性の改善効果は現れるので、Pt1価の存在量は、20体積%程度あれば十分である。
Pt2価の量は、Pt2価カチオンがPtとCeO2の界面を通して、CeO2表面上に拡散することから、Pt1価よりも多くカソード上に現れるが、10体積%を下回ると、Pt2+−Ce3+−酸素欠陥からなるクラスター量が少なくなり、カソード性能の向上に十分に寄与しないことから好ましくなく、40体積%を超えても効果の向上が見込めない。
Pt4価の量は、Ptの4価が、きわめて不活性であるので、表面の4価のPtが現れると、その分だけ活性は低下する傾向にあるので、Ptの4価の存在割合は、10体積%以下になることが好ましい。
なお、金属Pt(Pt0価)は、Pt1価、2価および4価の体積%をすべて合算して、100から引いた値として求められる。
さらに、PtとCeO2の界面及びその近傍に広がるクラスターの領域は、1×102平方ナノメーター以上4×102平方ナノメーター以下であることが好ましい。この範囲を下回ると、カソード上に現れるクラスターからなる活性サイトが表面に占める割合が少なすぎて、カソード特性の向上が確認できないことから好ましくなく、一方、PtがCeO2表面に拡散する領域は、担持処理の温度を上げればあげるほど広がるが、PtとCeO2の粒成長も顕著になりカソード全体の活性が低下するので4×102平方ナノメーターを越える範囲になるようにすることは、カソード特性を向上させるには至らないため、4×102平方ナノメーター以下であれば十分である。
上記のような、イオン化したPtとCeからなるクラスターを、電極表面に作製する場合には、Ceの価数が通常の4価のみでは、極所的な電荷が中和せず、結果として、クラスターが不安定になるので好ましくない。カソード活性を向上させるクラスターが、表面に安定に形成されるためには、Ce3+が
Ce4+よりも多く、カソード表面に存在する必要がある。よって、Ce3+/Ce4+が、1.0を超える必要があるが、Ce3+はもともと不安定であることから、実際上は、この比が1.0以上2.0以下の範囲になるようなカソード材料を作製することで、イオン化した白金を含むクラスターの安定性は高まり、結果としてカソード特性の安定性も向上するので好ましい。
またその上限は、50 m2/g以下、好ましくは45m2/g以下、より好ましくは40m2/g以下とするのが望ましい。
この比表面積の値は、大きいほうが、活性は大きくなるが、この値を上記範囲以上にするには、高真空環境やパルスレーザーを用いるなど、特殊な処理環境が必要となる。この意味で上記上限は、下記した実験No.2での処理環境における上限値である。本実施例を基に、高真空環境やパルスレーザーを用いることで、比表面積を大きくすることを否定するものではない。
CeO2粒子は、B.E.T法(Brunauer−Emmett−Teller法)により測定されたCeO2粒子の比表面積は大きいほうが望ましく、具体的には、20m2/g以上、好ましくは25m2/g以上、より好ましくは30m2/g以上とするのが望ましい。
この比表面積が小さいと、CeO2粒子の表面活性が低くなり、Pt1価やPt2価を含むナノヘテロクラスター構造が作成しにくくなる。
その上限は、70m2/g以下、好ましくは75m2/g以下、より好ましくは60m2/g以下あることが望ましい。
この範囲を上回るようなCeO2粒子は、メソポア構造を有するものが主流となるが、そのようなCeO2粒子を用いると、Pt粒子がメソ孔に落ちてしまうか、または、表面ではなく、多孔体構造を有するCeO2粒子の内部にPt1価やPt2価を含むナノヘテロクラスターを形成することになり、こうしたクラスターは、酸素分子が、電極最表面から、多孔体内部深くにはとどきにくいことから、電極活性の向上にはつながらなくなりやすい。
このことより、Zは、10wt%以上、好ましくは15wt%以上、より好ましくは20wt%以上とするのが望ましく、その上限は79wt%以下、好ましくは77wt%以下、より好ましくは75wt%以下とするのが望ましい。
活性発現の主役であるPt量は過少であると、酸素の還元分解反応が十分に行われず、結果として、燃料電池の発電特性が向上しないことから好ましくない。この意味でXは、1wt%以上、好ましくは3wt%以上、より好ましくは5wt%以上とするのが望ましい。
またXは、20wt%を超えるとその使用量に見合った性能の向上は得られにくくなるので、希少元素をより有効利用の観点から、50wt%以下、好ましくは30wt%以下、より好ましくは20wt%以下とするのが望ましい。
さらに、ヘテロクラスター構造を安定化させるうえで必要不可欠なCeO2は、過小になると、Pt1価やPt2価が十分に生成しなくなり、酸素の還元分解反応が十分に行われず、結果として、燃料電池の発電特性が向上しないことから好ましくない。この意味でYは、20wt%以上、好ましくは23wt%以上、より好ましくは25wt%以上とするのが望ましい。
またYを過剰にしても、CeO2自体の導電性がひくいため、かえってカソード全体の抵抗値を高め、カソード性能の低下をまねくので、40wt%以下、好ましくは38wt%以下、より好ましくは35wt%以下とするのが好ましい。
ここで、電位の単位として採用されるRHEとは、Reversible Hydrogen Electrodeを意味し、電位を定量的に評価するうえでの指標として一般的に採用されている単位である。
また、4電子反応とは、
O2 + 4H+ + 4e− ―> 2H2O (1.2 V vs. RHE)
であらわされる電極反応のことであり、この反応式で示されるような反応が起こらなければ、燃料電池などの電極としては好ましくない。さらに上記の式から分かるように、理論電位は約1.2V(vs.RHE)であることから、カソード性能が高い電極は、この値に近い酸素還元反応開始電位を示すことが求められる。
この4電子反応を示すか否かは、電極性能を測定するに際し、電極自体を回転させ、その回転数を変化させながら、電流値を測定するKoutecky−Levich プロットを行うことで容易に判定することができる。
このKoutecky−Levich プロットを詳しく説明すると、今、Ikをactivated current, ωを電極の回転数とすると、両者の間には、以下の関係が成り立つことが知られている。
I−1=Ik −1+B−1ω―1/2
ここで、B=0.62nFAD02 2/3v−1/6CO2
と定義される物理量であり、F,A,v,D02,CO2の値を用いて計算される。Fはファラデー定数、Aは測定に用いた電極面積(本実験では、0.196cm2)、vは動粘性係数(通常1.07×10−2cm2s−1を用いて計算する)、D02は酸素拡散係数(通常2.16×10−5cm2s−1を用いて計算する)、CO2は電解質溶液の濃度(本実験では、1.03×10−3moll−1として計算)。
上記Bを求める式の中のnが4に近い値を示す場合、4電子反応であると認定できることが知られていることから、容易に実験から4電子反応であることは確かめることはできる。
以上のべたように、本発明では、燃料電池などのカソードとして有用な材料を提案することが可能になる。
まず、ナノサイズのCeO2粒子を作製するために、硝酸セリウム水溶液(濃度0.5M以上3M以下)を調整する。
原料水溶液の濃度は、溶液から沈殿物を得た場合の、沈殿物の結晶相を決める重要な要素となる。以下に、この結晶相を作製することが大切な理由を説明する。
そのためには、CeO2自身の表面活性が高い必要がある。このCeO2の表面活性は、沈殿物が結晶化しており、かつその結晶化した沈殿物も複数の結晶からなる場合にきわめて高い表面活性をもつことが分かっている。その詳しい理由は定かではないが、結晶化した沈殿物は、その結晶相特有の自形を持っており、ナノレベルで異なる自形をもつ結晶が入り組んだ状態で表面を形成する粒子を、焼成することで、得られたCeO2粒子の表面は、ナノレベルで起伏に富んだ表面となり、この表面が、すでに述べたヘテロクラスター活性サイトを作成する上で、きわめて有効に働くと考えられる。
よって、得られた沈殿物が非晶質状態ではなく結晶化した状態となる条件を探して合成を行うことが好ましい。
硝酸セリウム水溶液の濃度が、上記範囲を下回ると、沈殿物が非晶質状態となり、焼成したあとも十分な結晶化がおこらず、非晶質状態の未反応物質が残りやすくなり、CeO2粒子の表面活性は低下するので好ましくなく、上記範囲を上回ると、沈殿物の凝集が大きくなりすぎるため、乾燥し、焼成したのち得られるCeO2粒子の表面活性が低下するので好ましくない。
その理由は、沈殿に含まれる結晶相が、炭酸塩や水酸化物であると、きわめて小さい針状の結晶が表面に現れやすくなり、結果としてPtとのヘテロクラスターを合成することが容易になるからである。また、沈澱剤水溶液の濃度は、上記の範囲であることが好ましい。
この濃度範囲を下回ると、沈殿生成物の結晶化が十分に進まず、沈殿物を乾燥したのち、焼成して得られるCeO2粒子の表面活性が高まらないために、カソード活性を高める上で必要な、ヘテロクラスター活性サイトをカソード表面上に、十分に作れないために好ましくない。一方、上記濃度範囲を上回ると、沈殿生成物の凝集が大きくなり、いくら乾燥後に粉砕処理を行っても、焼成後に得られる CeO2粒子の表面活性が高まらないことから好ましくない。
硝酸セリウム水溶液の沈澱剤水溶液中への滴下速度は、毎分0.1mlから毎分1mlの速度で滴下することが好ましい。この滴下速度範囲を上回る速度で滴下が行われると、沈殿生成物の凝集が著しくなり、いくら乾燥後に粉砕処理を行っても、焼成後に得られるCeO2粒子の表面活性が高まらないことから好ましくない。また、上記範囲を下回る滴下速度を用いても、それなりの効果しか得られないことから、実用上は、上記の滴下速度の下限値を採用すれば十分である。
こうして得られた沈澱生成物は、原料中に含まれている微量の不純物を除去する目的で、水洗を行い、のちに凝集をおこさないように、室温近傍において乾燥不活性ガス中において乾燥処理を行い、その上で、300℃以上500℃以下の温度、酸素流通下において仮焼し、結晶性CeO2ナノ粉末を作製することが好ましい。上記焼成温度範囲を下回ると、CeO2前駆体の熱分解が十分に進まず、粒子のすべてがホタル石型のCeO2ナノ粉末にならないため、カソード活性が高まらないことから好ましくない。
一方、上記焼成温度を上回ると、ホタル石型のCeO2粒子にはなるものの、粒成長が著しくなり、結果としてカソード活性が低下することから好ましくない。この焼成の際の酸素ガスの流量には特段の制約はないが、あまり早い流速で、大量の流量の酸素を流すことは、安全性、粉末の飛散による収率の低下、などの面から問題があると思われるので、150ml/minから300ml/minの流速で、焼成を行えば十分である。また、焼成時間は、あまり長時間の焼成を行うことは、粒成長を引き起こすことにつながり好ましくなく、あまり短時間の処理でも、未反応物質が残存し、カソード活性の低下を引き起こす可能性があるので、1時間以上4時間程度の焼成処理を行うことが好ましい。
これらの粉末を混合し、混合時に用いた溶媒(通常は蒸留水)を、不活性ガス流通下において蒸発させ乾燥した後、300℃以上500℃以下の温度で、水素流通下において仮焼するのが適切である。この温度範囲を下回ると、H2PtCl6 ・6H2Oの熱分解が不十分なものとなり、不純物が電極表面に残るばかりでなく、PtとCeO2の反応によってうまれる、本発明特有のヘテロクラスター活性サイトの形成が阻害され、結果としてカソード特性が低下するので好ましくない。一方、この温度範囲を上回ると、ヘテロクラスター活性サイトの形成よりも、H2PtCl6 ・6H2Oの熱分解により生じる金属Ptの凝集が著しくなり、かえって、有効な活性サイトであるヘテロクラスター活性サイトのカソード表面での生成が阻害されるので好ましくない。
上述のように、本発明により開示した作成法を用いることで、通常のPt電極では得られない高いカソード性能が得られるようになることから、この合成条件を特定し、実施することが、望ましいカソード特性を安定に得る上で極めて重要である。
組成が20wt%Pt/30wt%CeO2/50wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、55度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度400rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分0.5ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、55℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。(図1参照)
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、0.1モル/リットルの塩化白金酸水溶液とカーボンブラックを蒸留水中に分散した溶液の混合溶液中に分散させ、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、得られた乾燥粉末を、石英製のU字管に移したのち、U字管の口を密封した状態のまま、乾燥用グローブボックスから取り出し、電気炉に装填し、ガス導入管に接続後、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、400度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。カソード粉末中のCeO2粉末の概観を走査型電子顕微鏡により観察した結果を図2に示す。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、25m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は40m2/gであった。
ここでカソード表面に現れたPtの表面積を測定するために用いたCOストリッピング法の手順を以下に示す。
COストリッピング法とは、カソード表面に存在するPt元素表面に、COを吸着させ、その吸着量を測定し、その測定値から、カソード表面のPt比表面積を知る手法である。この測定を行うために、まず、電極粉末を、エタノールと混合し、2gl−1の溶液を調製する。この溶液を十分に攪拌したのち、マイクロピペットを用いて、5マイクロリットル採取し、金電極上にのせ、このカソード材料を載せた金電極を、60度に加熱した乾燥器内で30分間乾燥したのち、0.5Mの硫酸水溶液中にこの電極を挿入し、0Vから1.5V(vs.RHE)の電位を、毎秒50mVでスイープし、0.05から0.4V vs.RHEの間に現れる、H+の脱離ピークを定量し、その面積からH+の脱離に用いられた電荷を算出した。このとき、1cm2の電極表面に吸着したH+の脱離には、210マイクロクーロンの電荷が必要であることが知られていることから、脱離ピーク面積から求めた電荷を、210マイクロクーロンで割ることで、カソード表面の活性サイト表面積を算出できるという方法である。
この方法で求めた値を、カソード作成のために用いたPt量で割ることで、カソード表面におけるPtの比表面積を求めた。
透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、5nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、光電子分光法を用いて観察し、その割合を定量したところ、すべてのPt(金属Pt, 1価Pt、2価PtおよびPt4価)に対して、Pt1価は8体積%、Pt2価は40体積%の値を示し、一方で、4価のPtはトレース程度(7体積%)観察された(図3に白金4fスペクトル測定結果の例を示す)。イオン化された白金の存在が明確に分かるように、図3には、市販の白金電極(Johnson Matthey社製)の白金電極から観察された白金4fスペクトルの測定結果を合わせて示した(図3の下の図)。この比較から、通常のPtカソードでは、観察されないデータとして、本発明におけるカソード材料の表面には、明瞭にイオン化された白金の電子状態が現れていることが分かる。
Ce3価および4価の割合は、Pt同様、光電子分光法を用いて、Ce3dのシグナル中に現れるCe3価とCe4価のピーク面積から、その比を算出して決定した。その結果、Ce3+/Ce4+比は、1.5であった。
加えて、CeO2上に拡散したPtの領域は、図4に示す高分解能電子顕微鏡(加速電圧:200keV)を用いて観察した領域を、画像解析ソフト(画像解析ソフトウエア、Mac−View Ver4, Mountech Co.Ltd.)を用いて、面積計算を行ったところ、130nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、濃度1モル/リットルの H2SO4 水溶液中において、電極表面に、毎分5ミリリットルで酸素を吹きこみながら、金電極を2000rpmの速度で回転させ、毎分10mV の走査速度で、ボルタンメトリーにより、カソード触媒活性の評価を行った。
その結果、酸素還元反応は、図5に示すような曲線となり、高い活性を示すことが分かった。酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、図5で得られたデータをもとに、図6に示すターフェル・プロットを作製し、この直線が、電流密度値0.01A/cm2の値に記した軸と交差する点をもって、決定した。
図6に電流密度をkinetic current densityと記載してあるが、これは、電流密度が、回転電極の回転数により変化することに由来する。高い回転数では、電極表面における酸素還元反応が促進されることから、電極の回転数が速くなるにつれ、電流密度は高くなる傾向を示す。
そこで、本実施例のように、回転数を2000rpmにした場合の電流密度を、特別に、電極の回転数により規定される電流密度であることを明記するために、kinetic current densityと図に表記しており、
以後、特段断りのない限りにおいては、電流密度は、電極の回転数は2000rpmにおける値をさす。
図6から見積もられる電位は、0.98V (vs.RHE)と高いものであった。
この際、電極の回転数は1500rpmから3000rpmまで、500rpmずつ変化させ、Koutecky−Levich プロットを用いたカソード反応解析を同時に行った。
定電位で、電極の回転数を変化させて得られる、Koutecky−Levich プロットが図7であり、この図中の各直線の傾きから求めたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
組成が0.05wt%Pt/35wt%CeO2/64.95wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸水素アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度800rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分0.5ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、48時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、350℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、0.5モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、450度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、40m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は50m2/gであり、
透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、4nm及び25nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が6体積%、Pt2価が28体積%、及びPt4価が3体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、1.4であった。
加えて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、110nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.99V (vs.RHE)と十分に高いものであり、同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
組成が40wt%Pt/25wt%CeO2/45wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と7.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、55度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度400rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、55℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、300℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、300度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、25m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は60m2/gであり、 透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、5nm及び25nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が19体積%、Pt2価が37体積%及びPt4価が4体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、1.7であった。
加えて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、160nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、1.05V (vs.RHE)と十分に高いものであり、同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
組成が20 wt%Pt/25wt%CeO2/55wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、400度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、35m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は45m2/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、4nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が8体積%、Pt2価が29体積%及びPt4価が3体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、1.4であった。
加えて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、120nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.94V (vs.RHE)と十分に高いものであり、同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
組成が20wt%Pt/30wt%CeO2/50wt%Cになるように、出発原料として、2.5モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と7.5モル/リットルの炭酸水素アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、攪拌速度400rpmにおいて十分に攪拌しながら、58度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、硝酸セリウム水溶液を毎分0.1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、58℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、350℃の温度で1時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、0.06モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、350度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、28m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は48m2/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、5nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が9体積%、Pt2価が27体積%及びPt4価が3体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、1.4であった。
くわえて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、109nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.96V (vs.RHE)と十分に高いものであり、同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
組成が0.005wt%Pt/30wt%CeO2/69.995wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、400度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、28m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は45m2/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、5nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が2体積%、Pt2価が7体積%及びPt4価が12体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.2であった。
くわえて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、10nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.76V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約2であり、2電子反応(H2O2が生成する反応)であり、燃料電池用電極として好ましい電極ではないことが分かった。
組成が20wt%Pt/5wt%CeO2/75wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、700度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、10m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は45m2/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、19nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が3体積%、Pt2価が8体積%及びPt4価が14体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.2であった。
加えて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、13nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.79V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
組成が20wt%Pt/30wt%CeO2/50wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、90度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度1000rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、90℃の温度で、24時間熟成を行った。ただし、回転数が早いことから、一部の溶液が飛散し、収量がわずかに低下した。また、90度という高い温度における沈殿生成に伴い、生成した沈殿が大きく成長し、攪拌を停止後、直ちに沈殿に沈降が確認された。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、800度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、8m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は5m2/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、19nm及び68nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が3体積%、Pt2価が6体積%及びPt4価が15体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.3であった。
加えて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、20nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.72V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
組成が20wt%Pt/30wt%CeO2/50wt%Cになるように、出発原料として、10モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と12モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、24時間熟成を行った。生成した前駆体の粒径は大変大きく、攪拌操作停止後に、ただちに沈殿生成物の沈殿が確認された。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、900℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、400度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、28m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は8m2/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、5nm及び60nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が1体積%、Pt2価が6体積%及びPt4価が16体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.3であった。
加えて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、20nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.72V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
組成が20wt%Pt/30wt%CeO2/50wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、60度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、60℃の温度で、20分間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、200度の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成したが、実験No.1同様のホタル石単一の結晶相は確認できず、炭酸塩、水酸化物に帰属されるピークが、X線回折試験により確認された。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、900度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、5m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子を含む混合物の比表面積は6m2/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、20nm及び58nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価のピークは観察されず、Pt2価は5体積%、Pt4価は19体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.3であった。
加えて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、18nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.73V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
組成が20wt%Pt/30wt%CeO2/50wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、60度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、60℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO2粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO2粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、200度、20分間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、7m2/g、B.E.T法により測定されたCeO2粒子の比表面積は35m2/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeO2の粒子径は、それぞれ、20nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が1体積%、Pt2価が3体積%及びPt4価が14体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.2であった。
加えて、CeO2上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、15nm2であった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.75V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
高分子形燃料電池は、現在、家庭用燃料電池として、多くの家庭で利用され始めているが、実際に集合住宅などで用いるのは、その大きさが大きく、かつ寿命も3年程度と短い。
大きさを小さくするためには、燃料電池の性能を向上させ、燃料電池デバイスの大きさを小さくする必要がある。カソード上における大きな過電圧による損失は、燃料電池デバイスの性能を大きく低下させるが、一方、このカソード上の損失を小さくすることは、燃料電池の性能を大きく向上させることにつながり、燃料電池を集合住宅においても活用する道を拓くものと期待される。
また、燃料電池の寿命は、固体電解質膜の劣化と、電極性能の劣化が大きな要因とされている。そこで、燃料電池用カソードの高性能化を達成し、家庭で用いる電源として機能を十分に保障する期間を長くすることで、実用上の家庭用燃料電池の寿命を延ばすことにつながり、燃料電池の普及が、いっそう促進されるものと期待される。
本発明は、まさにこのニーズに対応した新規カソード材料を提供するもので、高性能なPt/CeO2/導電性炭素系ナノへテロソード材料を用いることで、燃料電池の小型化・実用上の長寿命化につながり、結果として燃料電池デバイスの一般家庭への普及が大いに促進されるものと考えられることから、今後大いに利用されることが期待される。また本発明の優れた特性を有する電極材料は、極めて多角的且つ基本的な観点に立脚してナノレベルで新たな知見を得、その上で開発することに成功したものであるところから、極めて安定した品質が保証され、今後は、燃料電池のみならず、各種技術分野において優れた固体電解質として供され、且つ利用されるものと期待される。とくに、白金使用量の少ない高性能電極であるころからその利用範囲は広く、新産業創出へと発展することが期待される。
Claims (9)
- Pt粒子を電極物質とし、炭素粒子を導電物質としたカソード材料であって、前記Pt粒子がセリア粒子表面に担持されているとともに、前記Pt粒子表面に、Pt1価が5体積%以上存在することを特徴とするカソード材料。
- 請求項1に記載のカソード材料において、Pt2価が、10体積%以上存在することを特徴とするカソード材料。
- 請求項1または2のいずれかに記載のカソード材料において、Pt4価の存在割合が、10体積%以下でありかつ4電子反応を示すことを特徴とするカソード材料。
- 請求項1から3のいずれかに記載のカソード材料において、Pt粒子の比表面積が20m 2 /g以上(COストリピング法による)であることを特徴とするカソード材料。
- 請求項1から4のいずれかに記載のカソード材料において、セリア粒子の比表面積が20m 2 /g以上70m 2 /g以下(B.E.T法による)であることを特徴とするカソード材料。
- 請求項1から5のいずれかに記載のカソード材料において、その組成を示す一般式を X Pt/ Y CeO 2 / Z carbon(Z=100−X−Y)としたとき、0.01≦X≦70、20≦Y≦40であることを特徴とするカソード材料。
- 請求項1から6のいずれかに記載のカソード材料において、CeO 2 上に拡散したPtの領域が活性サイトとなることを特徴とするカソード材料。
- 請求項7に記載のカソード材料において、前記活性サイトの面積が1×10 2 平方ナノメーター以上4×10 2 平方ナノメーター以下であることを特徴とするカソード材料。
- 請求項1から8のいずれかに記載のカソード材料において、Ce 3+ /Ce 4+ 比が1.0以上となることを特徴とし、かつ4電子反応を示すことを特徴とするカソード材料。
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