JP5540294B2 - Method for producing electrode catalyst for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用電極触媒の製造方法に関する。さらに詳しくは、固体高分子型燃料電池(PEFC)に好適に使用することができる、コバルト、鉄等のポルフィリン錯体と遷移金属のポリ酸とを主要な触媒成分原料とした、有機−無機ハイブリッド燃料電池用触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell. More specifically, an organic-inorganic hybrid fuel using a porphyrin complex such as cobalt or iron and a polyacid of a transition metal as main catalyst component materials, which can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). The present invention relates to a method for producing a battery catalyst.

近年、クリーンなエネルギー源として、燃料電池が注目されている。燃料電池の中でも、特に固体高分子型燃料電池(PEFC)は、室温動作が可能であり、かつ小型化が可能であるので、ノートパソコン、携帯電話等の携帯機器から、自動車、鉄道、民生用産業用コジェネレーション、発電所等の多様な用途や規模をカバーするエネルギー源として期待されている。
固体高分子型燃料電池(PEFC)は、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)やリン酸型燃料電池(PAFC)等の燃料電池に比べて、高発電効率、高電流密度であり、諸物性に優れているものである。
In recent years, fuel cells have attracted attention as clean energy sources. Among the fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), in particular, can be operated at room temperature and can be miniaturized, so it can be used for mobile devices such as laptop computers and mobile phones for automobiles, railways, and consumer use. It is expected as an energy source covering various uses and scales such as industrial cogeneration and power plants.
The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has higher power generation efficiency and higher current density than various fuel cells such as molten carbonate fuel cells (MCFC) and phosphoric acid fuel cells (PAFC), and has various physical properties. It is excellent.

固体高分子型燃料電池(PEFC)は、その中央部分に、プロトン(水素イオン)を水素極から空気極へ移動させるための50μm程度のフィルム状イオン交換膜があり、このイオン交換膜に高分子膜を採用した燃料電池である。この高分子膜の両側には、触媒層が存在し、水素極には、白金触媒、白金・ルテニウム触媒が使用され、空気極には、白金触媒が使用されている。さらに、グラファイト等の特殊構造を有する炭素系材料を使用して、白金等の貴金属触媒成分の量を向上させた構成も提案されている(例えば、特許文献1乃至特許文献3を参照)。   The polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a film-like ion exchange membrane of about 50 μm for moving protons (hydrogen ions) from the hydrogen electrode to the air electrode at the center. This is a fuel cell employing a membrane. A catalyst layer exists on both sides of the polymer film, a platinum catalyst and a platinum / ruthenium catalyst are used for the hydrogen electrode, and a platinum catalyst is used for the air electrode. Furthermore, the structure which improved the quantity of noble metal catalyst components, such as platinum, using the carbon-type material which has special structures, such as a graphite, is proposed (for example, refer patent document 1 thru | or patent document 3).

しかしながら、上述したグラファイト等の特殊構造を有する炭素系材料を使用した燃料電池用触媒は、いわゆる白金系貴金属触媒であり、白金をその触媒成分とするものである。白金は非常に高価であるため、燃料電池の普及の障害となっている、という問題点を有する。
また、白金系貴金属触媒は、燃料として炭化水素やメタノール等の改質ガスを使用した場合に、改質ガスに含まれる一酸化炭素と反応して失活してしまう、という問題がある。
However, the above-mentioned fuel cell catalyst using a carbon-based material having a special structure such as graphite is a so-called platinum-based noble metal catalyst, which uses platinum as its catalyst component. Since platinum is very expensive, it has a problem that it is an obstacle to the spread of fuel cells.
In addition, when a reformed gas such as hydrocarbon or methanol is used as a fuel, the platinum-based noble metal catalyst has a problem that it reacts with carbon monoxide contained in the reformed gas and deactivates.

このような観点から、燃料電池用触媒成分に白金を使用しない、非白金触媒の開発が行われており、燃料電池用触媒成分に白金を使用する代わりに、ポルフィリンやフタロシアニンといった、N4−大環状配位子を有する鉄(Fe)やコバルト(Co)の錯体が研究されている。鉄(Fe)やコバルト(Co)錯体においては、カーボンに担持した錯体を600℃付近の温度で熱処理した際に形成される活性点が高活性である一方、耐久性が低いといわれている。このことから耐久性向上のために酸性条件下で安定な酸化物を原料とした触媒の開発がなされている。例えば含浸法により調製したカーボン担持コバルトタングステン触媒を窒化処理した触媒が開示されている。しかしながら、上記触媒の酸化還元開始電位(ORR開始電位)及び定常分極線における電流密度(リニアスイープボルタモメトリー:LSV)測定値は、白金系触媒と対比して十分ではなく、実用化レベルの触媒活性や耐久性が未だ十分でないという問題点を有する。   From this point of view, development of a non-platinum catalyst that does not use platinum as a fuel cell catalyst component has been carried out. Instead of using platinum as a fuel cell catalyst component, N4-macrocycles such as porphyrin and phthalocyanine are used. Complexes of iron (Fe) and cobalt (Co) having a ligand have been studied. In the iron (Fe) and cobalt (Co) complexes, the active sites formed when the carbon-supported complex is heat-treated at a temperature around 600 ° C. are highly active, but the durability is low. For this reason, in order to improve durability, a catalyst using an oxide that is stable under acidic conditions as a raw material has been developed. For example, a catalyst obtained by nitriding a carbon-supported cobalt tungsten catalyst prepared by an impregnation method is disclosed. However, the oxidation-reduction starting potential (ORR starting potential) of the catalyst and the current density (linear sweep voltammetry: LSV) measured at the stationary polarization line are not sufficient as compared with the platinum-based catalyst, and the catalyst at a practical level. There is a problem that the activity and durability are not yet sufficient.

なお、本件特許出願人は、本件発明に関連する文献公知発明が記載された刊行物として、以下の技術文献を開示する。   In addition, this patent applicant discloses the following technical literature as a publication in which the literature well-known invention relevant to this invention was described.

特開2005−19332号公報JP 2005-19332 A 特開2008−123810号公報JP 2008-123810 A 特開2006−058578号公報JP 2006-058578 A

上述した状況に鑑み、本発明の課題は、燃料電池用電極触媒成分に高価な白金を全く使用することなく、いわゆる白金系貴金属燃料電池用電極触媒に匹敵する程度の十分な触媒活性及び耐久性を有する電極触媒を、簡易かつ容易に、しかも安価に製造することにある。   In view of the above-described situation, the object of the present invention is to use sufficient platinum as a fuel cell electrode catalyst component, and sufficient catalytic activity and durability comparable to a so-called platinum-based noble metal fuel cell electrode catalyst. It is to manufacture an electrode catalyst having a simple, easy and low cost.

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、コバルトのポルフィリン錯体とカーボン(炭素)とポリタングステン酸とを混合し、所定の温度範囲で熱処理することにより、得られる燃料電池用電極触媒が、ORR特性等の諸物性に優れたものであることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、以下の技術的事項から構成される。即ち
(1)燃料電池用電極触媒を製造する方法であって、
コバルト、鉄、ニッケル、クロム、マンガンから選ばれる1種以上の金属元素を中心金属とするポルフィリン錯体と、炭素系材料と、タングステンを中心金属とするポリ酸とを混合して前駆体を作製する工程と、
前記前駆体を500℃〜600℃の温度範囲内で熱処理することにより、電極触媒を形成する工程とを有する
燃料電池用電極触媒の製造方法。
(2)前記ポルフィリン錯体として、5,10,15,20−テトラキス(N−メチル−4−ピリジル)ポルフィリナトコバルト(II)・4トルエンスルホナートを使用する、(1)に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
(3)前記ポリ酸として、アンモニウムメタタングステートを使用する、(1)に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
(4)前記ポリ酸として、HPW1240又はFePW1240を使用する、(1)に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
(5)前記炭素系材料は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンから選ばれる1種以上の炭素系微粒子を使用する、(1)に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
(6)前記炭素系微粒子は、炭素間結合部分に窒素原子が導入された炭素微粒子を使用する、(5)に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have obtained a fuel cell obtained by mixing a cobalt porphyrin complex, carbon (carbon), and polytungstic acid and heat-treating them in a predetermined temperature range. The inventors have found that the electrode catalyst is excellent in various physical properties such as ORR characteristics, and have completed the present invention.
The present invention is composed of the following technical matters. That is, (1) a method for producing a fuel cell electrode catalyst,
A precursor is prepared by mixing a porphyrin complex having one or more metal elements selected from cobalt, iron, nickel, chromium, and manganese as a central metal, a carbon-based material, and a polyacid having tungsten as a central metal. Process,
And a step of forming an electrode catalyst by heat-treating the precursor within a temperature range of 500 ° C. to 600 ° C. A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell.
(2) The fuel cell according to (1), wherein 5,10,15,20-tetrakis (N-methyl-4-pyridyl) porphyrinatocobalt (II) .4 toluenesulfonate is used as the porphyrin complex. A method for producing an electrode catalyst.
(3) The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to (1), wherein ammonium metatungstate is used as the polyacid.
(4) The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to (1), wherein H 3 PW 12 O 40 or FePW 12 O 40 is used as the polyacid.
(5) The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to (1), wherein the carbon-based material uses at least one carbon-based fine particle selected from carbon black, carbon nanotube, carbon nanohorn, and fullerene.
(6) The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to (5), wherein the carbon-based fine particles are carbon fine particles in which nitrogen atoms are introduced into carbon-carbon bond portions.

本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法によれば、触媒成分として白金を使用することなく、白金を電極触媒成分とする電極触媒と同程度の触媒活性及び耐久性を有する電極触媒成分を製造することができる。
また、本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法によれば、初期の大きな活性劣化がなく、従来提案されている非白金触媒と比較して、高い活性を有し、かつ、高い耐久性を有する電極触媒を製造することができる。
さらに、本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法によれば、触媒成分として白金を使用することなく、安価な燃料電池用電極触媒を提供することができる。例えば、本発明では、ポリ酸のカーボンに対する強い親和性を利用することにより、触媒原料となるコバルト等のポルフィリン錯体を無駄なく、カーボンに担持することができ、経済的であり、かつ触媒調製が非常に容易となる。同時に、電極触媒成分として白金を使用していないことから、改質ガス等の燃料ガス中に一酸化炭素が存在した場合であっても、電極触媒成分の劣化が全くない、という利点を有する。
According to the method for producing a fuel cell electrode catalyst of the present invention, without using platinum as a catalyst component, an electrode catalyst component having the same catalytic activity and durability as an electrode catalyst containing platinum as an electrode catalyst component is produced. can do.
In addition, according to the method for producing an electrode catalyst for a fuel cell of the present invention, there is no initial large activity deterioration, and it has high activity and high durability as compared with a conventionally proposed non-platinum catalyst. The electrode catalyst which has can be manufactured.
Furthermore, according to the method for producing a fuel cell electrode catalyst of the present invention, an inexpensive fuel cell electrode catalyst can be provided without using platinum as a catalyst component. For example, in the present invention, by utilizing the strong affinity of polyacid for carbon, a porphyrin complex such as cobalt as a catalyst raw material can be supported on carbon without waste, and it is economical and catalyst preparation is possible. It will be very easy. At the same time, since platinum is not used as the electrode catalyst component, there is an advantage that there is no deterioration of the electrode catalyst component even when carbon monoxide is present in the fuel gas such as the reformed gas.

サイクリックボルタンメトリー(CV)の測定方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the measuring method of cyclic voltammetry (CV). 未熱処理状態の各試料のCV曲線を比較した図である。It is the figure which compared the CV curve of each sample of an unheat-processed state. 熱処理温度を変えた各試料のCV曲線を比較した図である。It is the figure which compared the CV curve of each sample which changed heat processing temperature. 600℃で熱処理したCV曲線を比較した図である。It is the figure which compared the CV curve heat-processed at 600 degreeC. カーボン粒子を変えたCV曲線を比較した図である。It is the figure which compared the CV curve which changed the carbon particle. 実施例1、実施例2、比較例1、対照例1の各試料の定常分極曲線を比較した図である。It is the figure which compared the stationary polarization curve of each sample of Example 1, Example 2, the comparative example 1, and the control example 1. FIG. A、B 耐久性試験の前後におけるLSV測定の結果を示す図である。A, B It is a figure which shows the result of the LSV measurement before and behind a durability test. 三電極測定の測定方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the measuring method of a three-electrode measurement. ディスク電極への触媒の塗布量と0.8Vvs.RHEでの電流密度の値との関係を示す図である。The amount of catalyst applied to the disk electrode and 0.8 Vvs. It is a figure which shows the relationship with the value of the current density in RHE. 各試料の定常分極曲線を比較した図である。It is the figure which compared the stationary polarization curve of each sample. 図10の0.8V付近の拡大図である。It is an enlarged view of 0.8V vicinity of FIG. 各試料のTafel plotを比較した図である。It is the figure which compared Tafel plot of each sample. 各試料の反応電子数を比較した図である。It is the figure which compared the number of reaction electrons of each sample. 各試料の過酸化水素発生量を比較した図である。It is the figure which compared the hydrogen peroxide generation amount of each sample. 各試料の定常分極曲線を比較した図である。It is the figure which compared the stationary polarization curve of each sample. 図15の0.8V付近の拡大図である。It is an enlarged view of 0.8V vicinity of FIG. 熱処理温度と、Co2+/(Co2++Co3+)の比の値及び過酸化水素の発生量との関係を示す図である。And the heat treatment temperature is a diagram showing the relationship between the ratio of the value and the amount of generated hydrogen peroxide Co 2+ / (Co 2+ + Co 3+). 金属イオンの電荷/イオン半径の比と0.8Vにおける電流密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ratio of the electric charge / ion radius of a metal ion, and the current density in 0.8V.

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法は、コバルト、鉄、ニッケル、クロム、マンガンから選ばれる1種以上の金属元素を中心金属とするポルフィリン錯体と、炭素系材料と、遷移金属を中心金属とするポリ酸(例えば、ポリタングステン酸)とを混合して前駆体を作製する工程と、この前駆体を500℃〜600℃の温度範囲内で熱処理することにより、電極触媒を作製する工程とを有するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The method for producing a fuel cell electrode catalyst according to the present invention comprises a porphyrin complex having one or more metal elements selected from cobalt, iron, nickel, chromium, and manganese as a central metal, a carbon-based material, and a transition metal as a central metal. A step of preparing a precursor by mixing a polyacid (for example, polytungstic acid), and a step of preparing an electrode catalyst by heat-treating the precursor within a temperature range of 500 ° C. to 600 ° C. It is what has.

まず、本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法において、第一成分として使用されるポルフィリン錯体は、下記の化学式で表される構造を基本的な構造とする、ポルフィリン錯体である。即ち、ポルフィリンのメソ位にカチオン性置換基を有するものであれば、特に限定されるものではない。
ポルフィリン錯体の中心金属Mとしては、コバルトが最も好ましく、鉄、ニッケル、クロム、マンガン、マグネシウム、アルミニウム等の元素であることが好ましい。例えば、中心金属Mをコバルトのみとしたコバルトポルフィリン錯体としても良いし、また、中心金属Mをコバルトと鉄とをモル比1:0.1〜1で混合したコバルト−鉄ポルフィリン錯体としても良い。
First, in the method for producing an electrode catalyst for a fuel cell of the present invention, the porphyrin complex used as the first component is a porphyrin complex having a basic structure as a structure represented by the following chemical formula. That is, it is not particularly limited as long as it has a cationic substituent at the meso position of porphyrin.
The central metal M of the porphyrin complex is most preferably cobalt, and is preferably an element such as iron, nickel, chromium, manganese, magnesium, or aluminum. For example, a cobalt porphyrin complex in which the central metal M is only cobalt may be used, or the central metal M may be a cobalt-iron porphyrin complex in which cobalt and iron are mixed at a molar ratio of 1: 0.1-1.

Figure 0005540294
Figure 0005540294

上記一般式を満たすコバルトポルフィリン錯体としては、具体的には、例えば、5,10,15,20−テトラキス(N−メチル−4−ピリジル)ポルフィリナトコバルト(II)・4トルエンスルホナート(CoTMPyP・4Tosyl)、5,10,15,20−テトラキス[4−(トリメチル)フェニル]ポルフィリナトコバルト(II)・4トルエンスルホナート等を例示することができる。上記コバルトポルフィリン錯体の中でも、構造が容易で製造が容易である、5,10,15,20−テトラキス(N−メチル−4−ピリジル)ポルフィリナトコバルト(II)・4トルエンスルホナート(CoTMPyP・4Tosyl)が好ましい。
上記コバルトポルフィリン錯体は、水溶性の化合物であり、公知の方法によって製造することができる。一般的には、ポルフィリンスルホン酸にピロールとアルデヒドを酸性下で縮合反応させることによって、製造することができる。例えば、ピリジン−4−アルデヒドとピロールとを適当な割合で混合し、プロピオン酸中で加熱し、その後それぞれのポルフィリン類をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製し、ヨウ化メチルによってN−メチルピリジニウムイオンに変換することによって製造することができる。なお、化合物の精製には、シリカゲルカラムクロマトグラフィーを使用し、移動相には、クロロホルム−メタノールを使用することができる。
Specific examples of the cobalt porphyrin complex satisfying the above general formula include, for example, 5,10,15,20-tetrakis (N-methyl-4-pyridyl) porphyrinatocobalt (II) .4 toluenesulfonate (CoTMPyP.multidot. 4Tosyl), 5,10,15,20-tetrakis [4- (trimethyl) phenyl] porphyrinatocobalt (II) .4 toluenesulfonate and the like. Among the above-described cobalt porphyrin complexes, 5,10,15,20-tetrakis (N-methyl-4-pyridyl) porphyrinatocobalt (II) · 4 toluenesulfonate (CoTMPyP · 4Tosyl) is easy in structure and easy to produce. ) Is preferred.
The cobalt porphyrin complex is a water-soluble compound and can be produced by a known method. Generally, it can be produced by subjecting porphyrin sulfonic acid to a condensation reaction of pyrrole and aldehyde under acidic conditions. For example, pyridine-4-aldehyde and pyrrole are mixed at an appropriate ratio, heated in propionic acid, and then each porphyrin is purified by silica gel column chromatography and converted to N-methylpyridinium ion by methyl iodide. Can be manufactured. In addition, silica gel column chromatography can be used for the purification of the compound, and chloroform-methanol can be used for the mobile phase.

本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法において、第二成分として使用されるポリ酸としては、ポリ酸を形成することができる遷移金属を含むポリ酸であれば、特に限定されるものではない。具体的には、タングステン、モリブデン、バナジウム、クロム、マンガン、ニオブ等の周期律表第5A族乃至第7A族に属する遷移金属を中心金属とするポリ酸を例示することができる。
上記ポリ酸の中でも、特に好ましくは、タングステンを中心金属とし、その構造がいわゆるKeggin-type(一般式:XM1240 n−、Xは、周期率表第3B族乃至第5B族元素を表す。Mは、W(タングステン)を示す。n=3〜7の整数を表す。)又はDawson-type(一般式:X1862 6−)及びM19 n−(n=3〜7の整数を表す。)に属するポリタングステン酸が好ましい。具体的に、例えば、アンモニウムメタタングステート(NH4)6・[H2W12O40]・nH2O、12−タングストリン酸(H3[PW12O40]・nH2O)のように、W1240 4−の他、W1032 4−、PW1139 7−、SiW1139 8−、P1761 10−等をアニオンとして含むポリ酸を使用することができる。上記タングステンのポリ酸の中でも、耐酸性の観点から、耐酸性が最も高い、12−タングストリン酸(H3[PW12O40]・nH2O)が最も好ましい。この12−タングストリン酸を使用することにより、製造される電極触媒において高い活性が得られる。
また、12−タングストリン酸と同様の構造を有する化合物として、H8−nn+1224・xHO(特に、X=P,Si)を使用することができる。さらに、この化合物の水素を他の金属元素で置換した、金属交換ポリオキソタングステートMn/3PW1240(Mn+=Mg,Ca,Sc,Y,ランタノイド,Ti,Zr,Hf,V,Nd,Ta,Cr,Mo,Mn,Fe,Ru,Co,Ni,Cu,Ag,Zn,Al,Ga,Sn,Bi,Se)を使用することもできる。この金属交換ポリオキソタングステートの中では、特に、製造される電極触媒において高い活性が得られる、FePW1240が好ましい。さらに、上記ポリタングステン酸の他にも、ヘテロポリリン酸アニオン(ポリオキソメタレート)やこの化合物の中心金属に種々の遷移金属、Cs等のアルカリ金属、Mg等のアルカリ土類金属、ランタノイド、セリウム等のランタノイド類を交換した化合物も使用することができる。
In the method for producing an electrode catalyst for a fuel cell of the present invention, the polyacid used as the second component is not particularly limited as long as it is a polyacid containing a transition metal capable of forming a polyacid. . Specifically, polyacids having a transition metal belonging to Groups 5A to 7A of the periodic table such as tungsten, molybdenum, vanadium, chromium, manganese, niobium, etc. as a central metal can be exemplified.
Among the polyacids, tungsten is particularly preferably used as a central metal, and the structure thereof is a so-called Keggin-type (general formula: XM 12 O 40 n− , X represents a group 3B to group 5B element in the periodic table). M represents W (tungsten, n represents an integer of 3 to 7) or Dawson-type (general formula: X 2 M 18 O 62 6− ) and M 6 O 19 n− (n = 3) Represents an integer of ˜7). Specifically, for example, ammonium metatungstate (NH 4 ) 6 · [H 2 W 12 O 40 ] · nH 2 O, 12-tungstophosphoric acid (H 3 [PW 12 O 40 ] · nH 2 O) In addition to W 12 O 40 4− , a polyacid containing W 10 O 32 4− , PW 11 O 39 7− , SiW 11 O 39 8− , P 2 W 17 O 61 10− and the like as an anion is used. be able to. Among the tungsten polyacids, 12-tungstophosphoric acid (H 3 [PW 12 O 40 ] · nH 2 O) having the highest acid resistance is most preferable from the viewpoint of acid resistance. By using this 12-tungstophosphoric acid, high activity is obtained in the produced electrode catalyst.
Further, 12-a-tungstophosphoric compound having the same structure and the acid, H 8-n X n + W 12 O 24 · xH 2 O ( in particular, X = P, Si) can be used. Further, metal-exchanged polyoxotungstate M n / 3 PW 12 O 40 (M n + = Mg, Ca, Sc, Y, lanthanoid, Ti, Zr, Hf, V, in which hydrogen of this compound is substituted with another metal element. Nd, Ta, Cr, Mo, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, Sn, Bi, Se) can also be used. Among these metal exchange polyoxotungstates, FePW 12 O 40 is particularly preferable because high activity is obtained in the produced electrocatalyst. In addition to the above polytungstic acid, the heteropolyphosphate anion (polyoxometalate) and the central metal of this compound include various transition metals, alkali metals such as Cs, alkaline earth metals such as Mg, lanthanoids, cerium Compounds obtained by exchanging lanthanoids such as these can also be used.

本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法において、第三成分として使用される炭素系材料は、上記第一成分と上記第二成分を担持させて電極触媒を構成するためのものである。第三成分として使用される炭素系材料としては、カーボンを主成分とし、直径3.0〜500nm程度の炭素の微粒子で電気伝導性を有する炭素系材料であれば、特に制限されるものではない。上記炭素系材料としては、いわゆるカーボンブラックは、勿論のこと、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、シリコンナノチューブ等の炭素系素材を使用することができる。そして、上記炭素系材料として、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンから選ばれる1種以上の炭素系微粒子を使用することが好ましい。さらに、この炭素系微粒子として、炭素間結合部分に窒素原子が導入された炭素微粒子を使用することが好ましい。ポリ酸の炭素系材料への吸着力の観点から、これらの炭素系材料には、表面官能基が存在し、その表面官能基としては電子供与性であることが好ましい。例えば、ピリジン、ピロール、アミノ基等の非共有電子対を有する電子供与基が存在することが好ましい。
また、炭素系材料の表面積が大きいほど、第一成分及び第二成分を多く担持させることが可能になるので、電極触媒の活性を向上させることができる。
炭素系材料の具体例としては、固体高分子燃料電池用電極触媒の担体として一般的に使用されているバルカン(Vulcan XC−72R)、ケッチェンブラック(Ketjen Black)、ブラックパール(Ketjen Black Pearl 2000)等を例示することができる。これらの炭素系材料の諸物性については、例えば、バルカン(Vulcan XC−72R)は、表面積252m2/g、粒径30nm、電気伝導性4Scm-1であり、ブラックパール(Ketjen Black Pearl 2000)は、表面積1475m2/g、粒径15nmである。
In the method for producing a fuel cell electrode catalyst of the present invention, the carbon-based material used as the third component is for constituting the electrode catalyst by supporting the first component and the second component. The carbon-based material used as the third component is not particularly limited as long as it is a carbon-based material having carbon as a main component and carbon fine particles having a diameter of about 3.0 to 500 nm and having electrical conductivity. . As the carbon-based material, carbon-based materials such as carbon nanotubes, carbon nanohorns, fullerenes, and silicon nanotubes can be used as well as so-called carbon black. And it is preferable to use 1 or more types of carbon type microparticles | fine-particles chosen from carbon black, a carbon nanotube, carbon nanohorn, and fullerene as said carbon type material. Further, as the carbon-based fine particles, it is preferable to use carbon fine particles in which a nitrogen atom is introduced into a carbon-carbon bond portion. From the viewpoint of the adsorptive power of polyacids to carbon-based materials, these carbon-based materials have surface functional groups, and the surface functional groups are preferably electron-donating. For example, it is preferable that an electron-donating group having an unshared electron pair such as pyridine, pyrrole, and amino group is present.
Moreover, since the larger the surface area of the carbon-based material, the more the first component and the second component can be supported, the activity of the electrode catalyst can be improved.
Specific examples of carbon-based materials include Vulcan XC-72R, Ketjen Black, and Ketjen Black Pearl 2000, which are commonly used as supports for electrode catalysts for solid polymer fuel cells. ) And the like. Regarding various physical properties of these carbon-based materials, for example, Vulcan XC-72R has a surface area of 252 m 2 / g, a particle size of 30 nm, and an electric conductivity of 4 Scm −1 , and Black Pearl (Ketjen Black Pearl 2000) is Surface area of 1475 m 2 / g and particle size of 15 nm.

次に、本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法においては、第一成分のポルフィリン錯体と第二成分のポリ酸の二成分を必須触媒成分とし、これを担体である第三成分の炭素系材料に担持させて、燃料電池用電極触媒の前駆体とする。このように本発明においては、上記三成分系とすることによって、第二成分であるポリ酸が、第三成分の炭素系材料であるカーボンに強く吸着し、この吸着作用によるカーボンの更なる微粒子化が進行することを特徴とする。また同時に、炭素系材料であるカーボンの内部構造へのポリ酸及びポルフィリン錯体の導入を図ることができる。
つまり、本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法においては、カーボンの微粒子化及び電極触媒成分である第一成分のポルフィリン錯体と第二成分のポリ酸の炭素系材料であるカーボンへの導入の2つの作用により、触媒活性及び耐久性の向上を図ることができるものである。
Next, in the method for producing an electrode catalyst for a fuel cell of the present invention, the two components of the first component porphyrin complex and the second component polyacid are used as essential catalyst components, and this is the third component carbon-based carrier. It is made to carry | support to material and it is set as the precursor of the electrode catalyst for fuel cells. As described above, in the present invention, by using the above-mentioned ternary system, the polyacid as the second component is strongly adsorbed to the carbon as the carbon material of the third component, and further fine particles of carbon by this adsorption action. It is characterized by the progress of conversion. At the same time, it is possible to introduce a polyacid and a porphyrin complex into the internal structure of carbon, which is a carbon-based material.
In other words, in the method for producing an electrode catalyst for a fuel cell of the present invention, carbon fine particles and introduction of a first component porphyrin complex as an electrode catalyst component and a second component polyacid into carbon as a carbon-based material. The catalytic activity and durability can be improved by two actions.

即ち、上記燃料電池用電極触媒の前駆体において、第二成分としてタンスグテンのポリ酸(ポリタングステン酸)を使用することにより、ポリ酸中の酸化タングステン(WOx)がカーボンの微細構造内部に侵入して、さらにカーボンの微細化を促進しているものと考えられる。
また、第一成分であるカチオン性ポルフィリン錯体と、第二成分であるアニオン性ポリタングステン酸との自己組織化が起こり、錯体の分散が進むと考えられる。
本発明においては、このように酸化タングステン(WOx)の還元による第三成分である炭素系材料内部へのプロトンの拡散が進み、各成分の界面が増大するものと考えられる。その結果、燃料電極触媒成分の三相界面が増大することにより、電極触媒活性及び耐久性を向上させることができる。
そして、本発明の製造方法では、触媒成分として白金を使用しないため、安価な燃料電池用触媒を提供することができる。また、触媒成分として白金を使用しないため、改質ガス等の燃料ガス中に一酸化炭素が存在している場合でも電極触媒成分の劣化が全くなくなる。
That is, in the precursor of the fuel cell electrode catalyst, by using tansugten polyacid (polytungstic acid) as the second component, tungsten oxide (WOx) in the polyacid penetrates into the carbon microstructure. Therefore, it is thought that further refinement of carbon is promoted.
In addition, it is considered that self-organization of the cationic porphyrin complex as the first component and the anionic polytungstic acid as the second component occurs, and the dispersion of the complex proceeds.
In the present invention, it is considered that the diffusion of protons into the carbon-based material, which is the third component due to the reduction of tungsten oxide (WOx), progresses and the interface of each component increases. As a result, the electrode catalyst activity and durability can be improved by increasing the three-phase interface of the fuel electrode catalyst component.
And since the manufacturing method of this invention does not use platinum as a catalyst component, an inexpensive catalyst for fuel cells can be provided. Further, since platinum is not used as a catalyst component, even when carbon monoxide is present in a fuel gas such as a reformed gas, the electrode catalyst component is not deteriorated at all.

第一成分のポルフィリン錯体と第二成分のポリ酸の二成分を触媒成分とし、これを担体である第三成分の炭素系材料に担持した燃料電池用電極触媒の前駆体を製造するためには、これらの成分を溶媒中で、混合し、所定時間攪拌することによって行う。使用する溶媒としては、各触媒成分が拡散し混合することができ、混合後に燃料電池用電極触媒の前駆体を容易に乾燥できる溶媒であれば、特に制限されるものではない。例えば、水、水−アルコールの混合物を例示することができる。攪拌手段としては、例えばスターラーを例示することができ、スターラーによって所定の回転数により攪拌する。
各成分を混合する順序は特に限定されるものではなく、二成分を混合してから残りの一成分を混合する方法や、三成分を同時に混合する方法が可能である。具体的には、例えば、第一成分のポルフィリン錯体と第三成分の炭素系材料とを混合して、その後に第二成分であるポリ酸を混合させる方法が挙げられる。
In order to produce a precursor of a fuel cell electrode catalyst in which two components, a porphyrin complex of the first component and a polyacid of the second component are used as a catalyst component and supported on a third component carbon-based material as a carrier These components are mixed in a solvent and stirred for a predetermined time. The solvent to be used is not particularly limited as long as each catalyst component can be diffused and mixed and the precursor of the fuel cell electrode catalyst can be easily dried after mixing. For example, water and a water-alcohol mixture can be exemplified. As a stirring means, a stirrer can be illustrated, for example, and it stirs with a predetermined rotation speed with a stirrer.
The order of mixing each component is not particularly limited, and a method of mixing two components and then mixing the remaining one component, or a method of mixing three components simultaneously is possible. Specifically, for example, there is a method in which a porphyrin complex as a first component and a carbon-based material as a third component are mixed and then a polyacid as a second component is mixed.

上記各成分を混合、攪拌終了後に下層の燃料電池用電極触媒の前駆体と上層の溶媒とを分離して、上記前駆体を採取し、その後乾燥させる。さらに、メノウ鉢等により前駆体の粉砕を行い、更に微粒子化を行う。
上記前駆体は、炭素系材料であるカーボンのグラファイト構造がピラーの役割をする上記ポリ酸によって押し広げられた構造を採っており、これにより活性点への酸素の拡散を容易にしているものと考えられる。
After the above components are mixed and stirred, the precursor of the lower layer fuel cell electrode catalyst and the upper layer solvent are separated, and the precursor is collected and then dried. Further, the precursor is pulverized with an agate bowl or the like, and further finely divided.
The precursor has a structure in which the graphite structure of carbon, which is a carbon-based material, is expanded by the polyacid acting as a pillar, thereby facilitating the diffusion of oxygen to the active site. Conceivable.

さらに、本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法においては、上記各電極触媒成分を混合し、攪拌して製造した燃料電池用電極触媒の前駆体を、所定温度かつ所定時間にて熱処理を行う。熱処理を施すことにより、さらに各電極触媒成分の三相界面が増大する。
熱処理を行う所定の温度は、500℃〜600℃の範囲内であることが好ましい。好ましくは、525℃〜585℃であり、最も好ましくは550℃で処理することが好ましい。処理温度が500℃未満であると、十分な活性及び耐久性を得ることができないため、好ましくない。処理温度が600℃を超えると、電極触媒の構造が不安定となり好ましくない。
Further, in the method for producing a fuel cell electrode catalyst according to the present invention, the precursor of the fuel cell electrode catalyst produced by mixing and stirring each of the above electrode catalyst components is heat-treated at a predetermined temperature and for a predetermined time. . By performing the heat treatment, the three-phase interface of each electrode catalyst component further increases.
The predetermined temperature at which the heat treatment is performed is preferably in the range of 500 ° C to 600 ° C. Preferably, it is 525 degreeC-585 degreeC, It is preferable to process at 550 degreeC most preferably. A treatment temperature of less than 500 ° C. is not preferable because sufficient activity and durability cannot be obtained. When the treatment temperature exceeds 600 ° C., the structure of the electrode catalyst becomes unstable, which is not preferable.

熱処理を行うために、所定量の上記燃料電池用電極触媒前駆体の粉末を、熱処理用の装置や熱処理炉に入れる。例えば、石英リアクターに入れる。
そして、室温からスタートして、所定時間、所定の流量で不活性ガスをパージし、その後、不活性ガスの流量を減少させて、所定の昇温速度にて目的温度まで昇温し、所定時間保持して熱処理を行う。熱処理後、放冷し、燃料電池用電極触媒を得る。
In order to perform the heat treatment, a predetermined amount of the above-mentioned fuel cell electrode catalyst precursor powder is put into a heat treatment apparatus or a heat treatment furnace. For example, put in a quartz reactor.
Then, starting from room temperature, the inert gas is purged at a predetermined flow rate for a predetermined time, and then the flow rate of the inert gas is decreased and the temperature is raised to a target temperature at a predetermined temperature increase rate for a predetermined time. Hold and heat-treat. After the heat treatment, it is allowed to cool to obtain a fuel cell electrode catalyst.

本発明の燃料電池用電極触媒の製造方法によって製造される燃料電池用電極触媒を、以下、「本発明に係る燃料電池用電極触媒」と呼ぶこととする。
本発明に係る燃料電池用電極触媒は、特に固体高分子形燃料電池(PEFC)用の電極触媒として用いて好適である。
Hereinafter, the fuel cell electrode catalyst produced by the method for producing a fuel cell electrode catalyst of the present invention will be referred to as a “fuel cell electrode catalyst according to the present invention”.
The fuel cell electrode catalyst according to the present invention is particularly suitable as an electrode catalyst for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC).

固体高分子形燃料電池(PEFC)は、電解質を介して、水素を導入する一方の極(アノード又は燃料極)と、酸素を導入する反対極(カソード又は空気極)とを配置して、各極にそれぞれ導線等を接続して、構成される。
そして、本発明に係る燃料電池用電極触媒は、上記アノード及び/又はカソードの電極用触媒として使用することができるが、カソード又は空気極側の触媒として用いて好適である。また、ダイレクトメタノール方への適用も可能である。
なお、本発明に係る燃料電池用電極触媒を、カソード又は空気極側の触媒だけではなく、アノード又は燃料極側の触媒としても使用することも可能である。
In the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), one electrode (anode or fuel electrode) for introducing hydrogen and an opposite electrode (cathode or air electrode) for introducing oxygen are arranged via an electrolyte. It is configured by connecting a lead wire or the like to each pole.
The fuel cell electrode catalyst according to the present invention can be used as the above-mentioned anode and / or cathode electrode catalyst, but is preferably used as a catalyst on the cathode or air electrode side. Moreover, application to the direct methanol method is also possible.
The fuel cell electrode catalyst according to the present invention can be used not only as a catalyst on the cathode or air electrode side but also as a catalyst on the anode or fuel electrode side.

本発明に係る燃料電池用電極触媒を、燃料電池用電極に使用するには、例えば、電極(例えば、カソード又は空気極)に、電極触媒を分散した液を塗布して乾燥させればよい。
また、電極触媒を使用して、所謂MEA(膜・電極接合体)を構成しても良い。
In order to use the fuel cell electrode catalyst according to the present invention for a fuel cell electrode, for example, a liquid in which the electrode catalyst is dispersed may be applied to an electrode (for example, a cathode or an air electrode) and dried.
Also, a so-called MEA (membrane / electrode assembly) may be formed using an electrode catalyst.

以下、本発明について、実施例を用いて説明するが、本発明は何らこれに限定されるものではない。   Hereinafter, although this invention is demonstrated using an Example, this invention is not limited to this at all.

(実施例1)
上記第一成分のポルフィリン錯体として5,10,15,20−テトラキス(N−メチル−4−ピリジル)ポルフィリナトコバルト(II)・4トルエンスルホナート(CoTMPyP・4Tosyl)を使用し、上記第二成分のポリ酸としてアンモニウムメタタングステートを使用し、上記第三成分の炭素系材料としてバルカン(VulcanXC−72R)を使用して、以下の手順によって、燃料電池用電極触媒の試料を作製した。
まず、4mgのCoClをメタノール5mlに混合し、攪拌して第1の溶液を得た。
また、19.8mgのHTMPyP・4Tosylをイオン交換水5mlに混合し、攪拌して第2の溶液を得た。
次に、第1の溶液を第2の溶液に加えて、さらに2,6−ルチジンを数滴加えて、2日間攪拌した。
このようにして、上記第一成分として、水溶性錯体である、5,10,15,20−テトラキス(N−メチル−4−ピリジル)ポルフィリナトコバルト(II)・4トルエンスルホナート(CoTMPyP・4Tosyl)のイオン交換水水溶液を得た。
Example 1
As the porphyrin complex of the first component, 5,10,15,20-tetrakis (N-methyl-4-pyridyl) porphyrinatocobalt (II) · 4 toluenesulfonate (CoTMPyP · 4Tosyl) is used, and the second component is used. A sample of a fuel cell electrode catalyst was prepared by the following procedure using ammonium metatungstate as the polyacid and Vulcan (Vulcan XC-72R) as the third component carbonaceous material.
First, 4 mg of CoCl 2 was mixed with 5 ml of methanol and stirred to obtain a first solution.
Moreover, 19.8 mg of H 2 TMPyP · 4 Tosyl was mixed with 5 ml of ion-exchanged water and stirred to obtain a second solution.
Next, the first solution was added to the second solution, a few drops of 2,6-lutidine were further added, and the mixture was stirred for 2 days.
Thus, as the first component, 5,10,15,20-tetrakis (N-methyl-4-pyridyl) porphyrinatocobalt (II) .4 toluenesulfonate (CoTMPyP.4 Tosyl) which is a water-soluble complex. ) Was obtained.

次に、このCoTMPyP・4Tosylのイオン交換水水溶液に、上記第三成分の炭素系材料として、46.2mgのカーボン粉末(バルカン:VulcanXC−72R粉末)を加えて、1時間ほど攪拌した。
その後、上記第二成分として、42.9mgの(NH4)6・[H2W12O40]・nH2Oを使用して調整した(NH4)6・[H2W12O40]・nH2O水溶液を滴下して、さらに1時間ほど攪拌した。
(NH4)6・[H2W12O40]・nH2Oを加えた際に、カーボン粉末の微粒子化が見られ、無色透明の上澄み溶液とカーボンの沈殿が生成した。
得られた沈殿を濾過してメタノール約20mlで洗浄した後に、120℃で12時間乾燥した。このようにして、電極触媒を作製するための前駆体を得た。
Next, 46.2 mg of carbon powder (Vulcan: Vulcan XC-72R powder) was added to the CoTMPyP · 4Tosyl ion exchange water aqueous solution as the third component carbon-based material, followed by stirring for about 1 hour.
Then, as the second component, (NH 4) of 42.9mg 6 · [H 2 W 12 O 40] · nH were adjusted using 2 O (NH 4) 6 · [H 2 W 12 O 40] -An nH 2 O aqueous solution was dropped, and the mixture was further stirred for about 1 hour.
When (NH 4 ) 6 · [H 2 W 12 O 40 ] · nH 2 O was added, fine particles of the carbon powder were observed, and a colorless and transparent supernatant solution and carbon precipitates were formed.
The resulting precipitate was filtered, washed with about 20 ml of methanol, and dried at 120 ° C. for 12 hours. Thus, the precursor for producing an electrode catalyst was obtained.

さらに、前駆体に対して熱処理を行うために、乾燥して得られた粉末100gを、石英リアクターに入れた。
そして、室温、流量100ml/分で30分間、不活性ガスとしてHeをパージした。
その後、20ml/分までHeの流量を下げて、10K/分で目的温度である550℃まで昇温させて、2時間保持して熱処理した後、放冷した。
このようにして電極触媒を作製して、実施例1の試料とした。この条件において、CoTMPyPと(NH4)6・[H2W12O40]とのモル比は1:1となっている。
Further, in order to heat-treat the precursor, 100 g of the powder obtained by drying was put in a quartz reactor.
Then, He was purged as an inert gas at room temperature and a flow rate of 100 ml / min for 30 minutes.
Thereafter, the flow rate of He was reduced to 20 ml / min, the temperature was raised to 550 ° C., which was the target temperature, at 10 K / min, and the heat treatment was held for 2 hours, and then allowed to cool.
Thus, an electrode catalyst was produced and used as a sample of Example 1. Under these conditions, the molar ratio of CoTMPyP to (NH 4 ) 6. [H 2 W 12 O 40 ] is 1: 1.

(実施例2)
第三成分の炭素系材料として、136.6mgのケッチェンブラック(Ketjen Black)を使用した他は、実施例1と同様にして電極触媒を作製して、実施例2の試料とした。
(Example 2)
An electrode catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that 136.6 mg of Ketjen Black was used as the third component carbon-based material, and a sample of Example 2 was obtained.

(比較例1)
第二成分の(NH4)6・[H2W12O40]・nH2Oは使用せず、その分炭素系材料に担持させるCoTMPyP・4Tosylの量を増やした。その他は実施例1と同様にして電極触媒を作製して、比較例1の試料とした。
(Comparative Example 1)
The second component (NH 4 ) 6 · [H 2 W 12 O 40 ] · nH 2 O was not used, and the amount of CoTMPyP · 4Tosyl supported on the carbon-based material was increased accordingly. Otherwise, an electrode catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 to obtain a sample of Comparative Example 1.

(比較例2)
第二成分のポリ酸である(NH4)6・[H2W12O40]・nH2Oの代わりに、W酸化物であるNaWO4・2H2Oを使用して、その他は実施例1と同様にして電極触媒を作製して、比較例2の試料とした。
(Comparative Example 2)
Instead of (NH 4 ) 6 · [H 2 W 12 O 40 ] · nH 2 O, which is the polyacid of the second component, NaWO 4 · 2H 2 O, which is a W oxide, is used. An electrode catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 and used as a sample of Comparative Example 2.

(比較例3)
熱処理を行わず、未熱処理の状態の前駆体をそのまま使用する他は、比較例1と同様にして、比較例3の試料とした。
(Comparative Example 3)
A sample of Comparative Example 3 was prepared in the same manner as Comparative Example 1 except that the precursor in an unheated state was used as it was without performing the heat treatment.

(比較例4)
熱処理を行わず、未熱処理の状態の前駆体をそのまま使用する他は、実施例1と同様にして、比較例4の試料とした。
(Comparative Example 4)
A sample of Comparative Example 4 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the precursor in an unheated state was used as it was without performing the heat treatment.

(比較例5)
実施例1及び比較例4ではCoTMPyPをカーボンに担持させた後に、(NH4)6・[H2W12O40]・nH2Oを添加していた(操作の略称;IAA)が、その代わりに、CoTMPyPと(NH4)6・[H2W12O40]・nH2Oとを自己組織化させた後に、カーボンに担持させた(操作の略称;IBA)。その他は比較例4と同様に未熱処理の状態の試料を作製して、比較例5の試料とした。
(Comparative Example 5)
In Example 1 and Comparative Example 4, after CoTMPyP was supported on carbon, (NH 4 ) 6. [H 2 W 12 O 40 ] .nH 2 O was added (operation abbreviation; IAA). Instead, CoTMPyP and (NH 4 ) 6. [H 2 W 12 O 40 ] .nH 2 O were self-assembled and supported on carbon (operation abbreviation; IBA). Other than that, a sample in an unheated state was prepared in the same manner as in Comparative Example 4 to obtain a sample of Comparative Example 5.

(比較例6)
熱処理の目的温度を300℃とする他は、実施例1と同様にして電極触媒を作製して、比較例6の試料とした。
(Comparative Example 6)
An electrode catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the target temperature of the heat treatment was set to 300 ° C., and used as a sample of Comparative Example 6.

(比較例7)
熱処理の目的温度を400℃とする他は、実施例1と同様にして電極触媒を作製して、比較例7の試料とした。
(Comparative Example 7)
An electrode catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that the target temperature of the heat treatment was 400 ° C., and used as a sample of Comparative Example 7.

(比較例8)
熱処理の目的温度を800℃とする他は、実施例1と同様にして電極触媒を作製して、比較例8の試料とした。
(Comparative Example 8)
An electrode catalyst was produced in the same manner as in Example 1 except that the target temperature of the heat treatment was 800 ° C., and used as a sample of Comparative Example 8.

(対照例1)
市販の20質量%のPt/C電極触媒を、対照例1として用意した。
(Control 1)
A commercially available 20% by mass Pt / C electrocatalyst was prepared as Control Example 1.

<特性の測定>
作製した炭素触媒の試料に対して、以下のようにして、各種特性の測定を行った。
<Measurement of characteristics>
Various characteristics of the produced carbon catalyst sample were measured as follows.

(サイクリックボルタンメトリー)
各試料について、サイクリックボルタンメトリー(CV)の測定を行った。具体的な測定条件は、以下のようにした。
アルゴン(Ar)雰囲気と、酸素(O)雰囲気とで、それぞれサイクリックボルタンメトリー(CV)とリニアスイープメトリー(LSV)とを、表1に示す条件で、かつ、図1に示すフローチャートに従って実行した。図1のフローチャートにおいて、S4,S8,S15の各ステップは、アルゴンから酸素に、或いは、酸素からアルゴンに、雰囲気を変えることを示している。
(Cyclic voltammetry)
For each sample, cyclic voltammetry (CV) measurement was performed. Specific measurement conditions were as follows.
In an argon (Ar) atmosphere and an oxygen (O 2 ) atmosphere, cyclic voltammetry (CV) and linear sweep measurement (LSV) were performed under the conditions shown in Table 1 and according to the flowchart shown in FIG. . In the flowchart of FIG. 1, each step of S4, S8, and S15 indicates that the atmosphere is changed from argon to oxygen or from oxygen to argon.

Figure 0005540294
Figure 0005540294

図1のフローチャートに示すステップS1〜S17のうち、S14の測定結果とS17の測定結果との差から、CV曲線を求めた。これは、始めの方のステップでは、測定結果が安定しないことがあるからである。   The CV curve was calculated | required from the difference of the measurement result of S14, and the measurement result of S17 among step S1-S17 shown to the flowchart of FIG. This is because the measurement result may not be stable in the first step.

(未熱処理状態での比較)
未熱処理状態の比較例3〜比較例5の各試料について、CV測定により得られたCV曲線を、図2に示す。
図2からわかるように、比較例3のCo/Vulcanの場合と、比較例4及び比較例5のCoW12/Vulcanの場合とで、CV曲線の大きさにはほとんど差が見られなかった。
また、比較例4と比較例5との差は小さいが、ポテンシャルが最小及び最大の部分では、比較例4の方のCV曲線が大きくなっており、先にCoTMPyPをカーボンに担持させた方が良いようである。
(Comparison in unheated state)
FIG. 2 shows CV curves obtained by CV measurement for the samples of Comparative Examples 3 to 5 in the unheated state.
As can be seen from FIG. 2, there was almost no difference in the size of the CV curve between the case of Co / Vulcan in Comparative Example 3 and the case of CoW 12 / Vulcan in Comparative Examples 4 and 5.
Further, although the difference between Comparative Example 4 and Comparative Example 5 is small, the CV curve of Comparative Example 4 is larger at the portion where the potential is minimum and maximum, and it is better to first support CoTMPyP on carbon. Seems good.

(熱処理温度による比較)
CoW12/Vulcanの各試料(未熱処理状態の比較例4と、熱処理温度が550℃の実施例1と、比較例6〜比較例8)について、CV測定により得られたCV曲線を、図3に示す。
図3からわかるように、熱処理温度の上昇とともにCV曲線が大きくなっていくが、800℃で熱処理した比較例8の試料では、550℃で熱処理した実施例1の試料よりもCV曲線が小さくなっている。
550℃で熱処理した実施例1の試料のCV曲線には、WO3−xのエレクトロクロミック特性特有の酸化還元ピークが見られる。このことから、Wのポリ酸が熱処理によってWO3−xに変化し、その酸化還元に伴いプロトンが触媒層内部に拡散し、ORRに不可欠な三相界面増大につながっていると考えられる。
即ち、触媒活性を十分に高くするためには、熱処理温度を550℃を含む範囲(前述した500℃〜600℃)とすることが好ましく、熱処理温度が300℃や400℃では低すぎ、熱処理温度が800℃では高すぎることがわかる。
(Comparison by heat treatment temperature)
For each sample of CoW 12 / Vulcan (Comparative Example 4 in an unheated state, Example 1 having a heat treatment temperature of 550 ° C., and Comparative Examples 6 to 8), CV curves obtained by CV measurement are shown in FIG. Shown in
As can be seen from FIG. 3, the CV curve increases as the heat treatment temperature increases, but the sample of Comparative Example 8 heat treated at 800 ° C. has a smaller CV curve than the sample of Example 1 heat treated at 550 ° C. ing.
In the CV curve of the sample of Example 1 heat-treated at 550 ° C., a redox peak peculiar to the electrochromic characteristics of WO 3-x can be seen. From this, it is considered that the polyacid of W changes to WO 3-x by heat treatment, and protons diffuse into the catalyst layer along with the oxidation and reduction, leading to an increase in the three-phase interface essential for ORR.
That is, in order to sufficiently increase the catalytic activity, the heat treatment temperature is preferably in a range including 550 ° C. (the above-described 500 ° C. to 600 ° C.), and the heat treatment temperature is too low at 300 ° C. or 400 ° C. Is too high at 800 ° C.

(550℃で熱処理した電極触媒の比較)
550℃で熱処理した、実施例1及び比較例1の各試料について、CV測定により得られたCV曲線を、図4に示す。
図4からわかるように、550℃で熱処理したときには、CoWをカーボンに担持させた触媒の方が、Coをカーボンに担持させた触媒と比較して、非常に大きなCV曲線を示す。
即ち、第一成分のコバルトに加えて第二成分のタングステンを使用することにより、電極触媒の活性が向上することがわかった。
(Comparison of electrode catalyst heat-treated at 550 ° C)
FIG. 4 shows CV curves obtained by CV measurement for the samples of Example 1 and Comparative Example 1 heat-treated at 550 ° C.
As can be seen from FIG. 4, when heat-treated at 550 ° C., the catalyst in which CoW is supported on carbon shows a much larger CV curve than the catalyst in which Co is supported on carbon.
That is, it was found that the activity of the electrode catalyst was improved by using the second component tungsten in addition to the first component cobalt.

(カーボン粒子の違いによる比較)
次に、VulcanXC−72Rを用いた実施例1の試料及びKetjen Blackを用いた実施例2の試料について、CV測定により得られたCV曲線を、図5に示す。
図5からわかるように、カーボンとして、より高表面積のKetjen Blackを用いた実施例2の試料は、VulcanXC−72Rを用いた実施例1の試料と比較して、さらに大きなCV曲線が観測された。
即ち、Ketjen Blackを使用することにより、VulcanXC−72Rを使用した場合と比較して、カーボン粒子実表面積が大きいために、電極触媒の活性が向上することがわかった。
(Comparison due to differences in carbon particles)
Next, FIG. 5 shows CV curves obtained by CV measurement for the sample of Example 1 using Vulcan XC-72R and the sample of Example 2 using Ketjen Black.
As can be seen from FIG. 5, a larger CV curve was observed in the sample of Example 2 using Ketjen Black having a higher surface area as carbon compared to the sample of Example 1 using Vulcan XC-72R. .
That is, by using Ketjen Black, it was found that the activity of the electrode catalyst is improved because the actual surface area of the carbon particles is larger than when VulcanXC-72R is used.

(定常分極曲線の比較)
実施例1、実施例2、比較例1、対照例1の各試料について、酸素を飽和させた室温の0.5MのHSO水溶液中で、三電極セルを使用して、0.2Vvs.RHEで活性の測定を行った。電極への触媒の塗布量を510μg/cmとし、回転速度を2000rpmとした。
測定により得られた、各試料の定常分極曲線を比較して、図6に示す。
(Comparison of stationary polarization curves)
Each sample of Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Control Example 1 was 0.2 Vvs using a three-electrode cell in a 0.5 M aqueous H 2 SO 4 solution saturated with oxygen at room temperature. . Activity was measured with RHE. The amount of catalyst applied to the electrode was 510 μg / cm 2 and the rotation speed was 2000 rpm.
FIG. 6 shows a comparison of the steady polarization curves of the samples obtained by the measurement.

図6より、Co−W触媒は、Co触媒と比較して、高電位領域で大きな電流密度を有していることが窺える。即ち、Co−W触媒は、Co触媒と比較して、対照例1のPt/C触媒により近い、高い触媒活性を有することがわかる。
ただし、図6に示したCo触媒及びCo−W触媒の酸素還元開始電位は、いずれも約0.85Vvs.RHEであり、大きな違いは見られなかった。
即ち、第一成分のコバルトに加えて第二成分のタングステンを使用することにより、電流密度が向上することがわかった。
From FIG. 6, it can be seen that the Co—W catalyst has a larger current density in the high potential region than the Co catalyst. That is, it can be seen that the Co—W catalyst has a higher catalytic activity that is closer to the Pt / C catalyst of Control Example 1 than the Co catalyst.
However, the oxygen reduction start potentials of the Co catalyst and the Co—W catalyst shown in FIG. 6 are both about 0.85 Vvs. It was RHE and there was no significant difference.
That is, it was found that the current density was improved by using the second component tungsten in addition to the first component cobalt.

(耐久性の比較)
実施例1及び比較例1の各試料について、以下のように耐久性試験を行った。
酸素を飽和させた0.5MのHSO水溶液中で、0.2Vvs.RHEで24時間の耐久性試験を行い、耐久性試験の前後においてそれぞれ酸素飽和下で、リニアスイープメトリー(LSV)測定を行った。掃引速度は5mV/sとして、回転速度は2000rpmとした。
比較例1の試料の測定結果を図7Aに示し、実施例1の試料の測定結果を図7Bに示す。
(Durability comparison)
Each sample of Example 1 and Comparative Example 1 was subjected to a durability test as follows.
In a 0.5 M aqueous solution of H 2 SO 4 saturated with oxygen, 0.2 Vvs. A 24 hour durability test was performed with RHE, and linear sweepmetry (LSV) measurement was performed under oxygen saturation before and after the durability test. The sweep speed was 5 mV / s and the rotation speed was 2000 rpm.
The measurement result of the sample of Comparative Example 1 is shown in FIG. 7A, and the measurement result of the sample of Example 1 is shown in FIG. 7B.

図7Aからわかるように、比較例1のCo触媒では、耐久性試験の後に、走査電位全体で電流密度の低下が見られる。
一方、図7Bに示すように、実施例1のCo−W触媒では、耐久性試験の前後で電流密度にほとんど変化が見られなかった。従って、耐久性が大きく向上していることがわかった。
As can be seen from FIG. 7A, the Co catalyst of Comparative Example 1 shows a decrease in current density over the entire scanning potential after the durability test.
On the other hand, as shown in FIG. 7B, in the Co—W catalyst of Example 1, there was almost no change in current density before and after the durability test. Therefore, it was found that the durability was greatly improved.

なお、実施例1及び比較例1の各試料は、いずれも550℃で熱処理を行っているが、このような熱処理条件で調整した触媒は、一般に900℃といった高温で熱処理した触媒に比べて初期活性は高いが耐久性が低い。
しかしながら、実施例1の触媒は、初期の大きな活性劣化が見られない上に、高い活性も有している。
このように、CoTMPyPとアンモニウムメタタングステートから調製したCo−W触媒は、高い耐久性と活性を示すことがわかった。
Each sample of Example 1 and Comparative Example 1 was heat-treated at 550 ° C., but the catalyst adjusted under such heat-treatment conditions is generally more initial than the catalyst heat-treated at a high temperature of 900 ° C. High activity but low durability.
However, the catalyst of Example 1 has high activity as well as no significant initial deterioration in activity.
Thus, it was found that the Co—W catalyst prepared from CoTMPyP and ammonium metatungstate exhibits high durability and activity.

さらに、実施例1の試料について、得られた測定結果からKoutecky-Levitchプロットを行って、得られる直線の傾きから反応電子数を求めた。
その結果、0.6−0.1Vvs.RHEにおいて、3.82−4.02という値を示した。これにより、OからHOへの高選択的な還元が起こっていることがわかる。
Further, with respect to the sample of Example 1, a Koutecky-Levitch plot was performed from the obtained measurement result, and the number of reaction electrons was determined from the slope of the obtained straight line.
As a result, 0.6-0.1 Vvs. RHE showed a value of 3.82-4.02. This shows that highly selective reduction from O 2 to H 2 O occurs.

(過酸化水素の発生量の比較)
実施例1、比較例1の各試料について、過酸化水素の発生量を比較した。
0.5Vvs.RHEの条件で、発生する過酸化水素の量を測定した。
その結果、実施例1は4.3%、比較例1は11.1%であった。
実施例1のCo−W触媒は、比較例1のCo触媒よりも過酸化水素の発生量を半分程度に低減できることがわかる。
即ち、第一成分のコバルトに加えて第二成分のタングステンを使用することにより、過酸化水素の発生量を大幅に低減できることがわかった。
(Comparison of hydrogen peroxide generation)
For each sample of Example 1 and Comparative Example 1, the amount of hydrogen peroxide generated was compared.
0.5Vvs. The amount of hydrogen peroxide generated was measured under RHE conditions.
As a result, Example 1 was 4.3% and Comparative Example 1 was 11.1%.
It can be seen that the amount of hydrogen peroxide generated by the Co—W catalyst of Example 1 can be reduced to about half that of the Co catalyst of Comparative Example 1.
That is, it was found that the amount of hydrogen peroxide generated can be greatly reduced by using the second component tungsten in addition to the first component cobalt.

(タングステンの原料の違い)
カーボンの微粒子化は、Mo,Wのポリ酸に限らず、Mo,Wの水溶性酸化物一般に見られる。
比較例2のNaWO・2HOを使用した場合でも、NaWO・2HOを添加した後にカーボンの微粒子化が見られた。
しかしながら、この場合には、(NH4)6・[H2W12O40]・nH2Oを用いた場合において見られた、上澄み液が透明になるほど完全なCoTMPyPのカーボンへの吸着は見られず、カーボンの沈殿後も上澄みにCoTMPyPの色が残っていた。
このように、CoTMPyP・4Tosylといったカチオン性錯体と、Mo,Wといった金属のアニオン性酸化物のイオン結合はMo,Wのポリ酸で特に起こりやすいといえる。
即ち、第二成分である遷移金属のポリ酸を使用することにより、同じ遷移金属の酸化物を使用した場合と比較して、カーボンへの吸着量が増えることがわかる。その結果として、電極触媒の活性を向上することができる。
(Difference in the raw materials of tungsten)
Carbon fine particles are not limited to Mo and W polyacids, but are commonly found in water-soluble oxides of Mo and W.
Even with a NaWO 4 · 2H 2 O in Comparative Example 2, fine particles of carbon after addition of NaWO 4 · 2H 2 O were observed.
However, in this case, the adsorption of CoTMPyP to carbon, which was observed when (NH 4 ) 6 · [H 2 W 12 O 40 ] · nH 2 O was used, was so complete that the supernatant became transparent. The color of CoTMPyP remained in the supernatant even after the precipitation of carbon.
Thus, it can be said that ionic bonds between a cationic complex such as CoTMPyP · 4Tosyl and an anionic oxide of a metal such as Mo and W are particularly likely to occur with a polyacid of Mo and W.
That is, it can be seen that by using the transition metal polyacid which is the second component, the amount of adsorption to carbon is increased as compared with the case where the same transition metal oxide is used. As a result, the activity of the electrode catalyst can be improved.

(実施例3)
上記第一成分のポルフィリン錯体として5,10,15,20−テトラキス(N−メチル−4−ピリジル)ポルフィリナトコバルト(II)・4トルエンスルホナート(CoTMPyP・4Tosyl)を使用し、上記第二成分のポリ酸としてタングストリン酸HPW1240を使用し、上記第三成分の炭素系材料としてケッチェンブラック(Ketjen black)を使用して、以下の手順によって、燃料電池用電極触媒の試料を作製した。
まず、4.6mgのCoCl(3.54×10−2mmol)をメタノール5mlに混合し、攪拌して第1の溶液を得た。
また、20.0mg(1.47×10−2mmol)のHTMPyP・4Tosylをイオン交換水5mlに混合し、攪拌して第2の溶液を得た。
次に、第1の溶液を第2の溶液に加えて、さらに2,6−ルチジンを数滴加えて、2日間攪拌した。
このようにして、上記第一成分として、水溶性錯体である、5,10,15,20−テトラキス(N−メチル−4−ピリジル)ポルフィリナトコバルト(II)・4トルエンスルホナート(CoTMPyP・4Tosyl)のイオン交換水水溶液を得た。
(Example 3)
As the porphyrin complex of the first component, 5,10,15,20-tetrakis (N-methyl-4-pyridyl) porphyrinatocobalt (II) · 4 toluenesulfonate (CoTMPyP · 4Tosyl) is used, and the second component is used. Sample of fuel cell electrode catalyst by using the following procedure using tungstophosphoric acid H 3 PW 12 O 40 as the polyacid and Ketjen black as the third component carbon material Was made.
First, 4.6 mg of CoCl 2 (3.54 × 10 −2 mmol) was mixed with 5 ml of methanol and stirred to obtain a first solution.
Further, 20.0 mg (1.47 × 10 −2 mmol) of H 2 TMPyP · 4Tosyl was mixed with 5 ml of ion-exchanged water, and stirred to obtain a second solution.
Next, the first solution was added to the second solution, a few drops of 2,6-lutidine were further added, and the mixture was stirred for 2 days.
Thus, as the first component, 5,10,15,20-tetrakis (N-methyl-4-pyridyl) porphyrinatocobalt (II) .4 toluenesulfonate (CoTMPyP.4 Tosyl) which is a water-soluble complex. ) Was obtained.

次に、このCoTMPyP・4Tosylのイオン交換水水溶液に、上記第三成分の炭素系材料として、47.0mgのカーボン粉末(ケッチェンブラック粉末)を加えて、1時間ほど攪拌した。
その後、上記第二成分として、42.9mgのHPW1240を添加した。タングストリン酸水溶液を加えた際に、カーボン粉末の微粒子化が見られ、無色透明の上澄み溶液とカーボンの沈殿が生成した。
得られた沈殿を吸引濾過して、120℃で12時間乾燥させた後に、乳鉢ですりつぶして保存した。このようにして、電極触媒を作製するための前駆体を得た。
Next, 47.0 mg of carbon powder (Ketjen Black powder) was added to the CoTMPyP · 4Tosyl ion exchange water aqueous solution as the third component carbon-based material, and the mixture was stirred for about 1 hour.
Thereafter, 42.9 mg of H 3 PW 12 O 40 was added as the second component. When the aqueous solution of tungstophosphoric acid was added, the carbon powder was atomized, and a colorless transparent supernatant solution and carbon precipitates were formed.
The obtained precipitate was suction filtered, dried at 120 ° C. for 12 hours, and then ground and stored in a mortar. Thus, the precursor for producing an electrode catalyst was obtained.

さらに、前駆体に対して熱処理を行うために、乾燥して得られた粉末を、石英リアクターに入れた。
そして、室温、流量100ml/分で30分間、不活性ガスとしてHeをパージした。
その後、20ml/分までHeの流量を下げて、10K/分で目的温度である550℃まで昇温させて、2時間保持して熱処理した後、放冷した。
このようにして電極触媒を作製して、実施例3の試料とした。この条件において、CoTMPyPとHPW1240とのモル比は1:1となっている。
Furthermore, in order to heat-treat the precursor, the powder obtained by drying was put into a quartz reactor.
Then, He was purged as an inert gas at room temperature and a flow rate of 100 ml / min for 30 minutes.
Thereafter, the flow rate of He was reduced to 20 ml / min, the temperature was raised to 550 ° C., which was the target temperature, at 10 K / min, and the heat treatment was held for 2 hours, and then allowed to cool.
Thus, an electrode catalyst was produced and used as a sample of Example 3. Under this condition, the molar ratio of CoTMPyP to H 3 PW 12 O 40 is 1: 1.

(実施例4)
第二成分として、HSiW1240の水溶液を使用した他は、実施例3と同様にして電極触媒を作製して、実施例4の試料とした。
Example 4
An electrode catalyst was produced in the same manner as in Example 3 except that an aqueous solution of H 4 SiW 12 O 40 was used as the second component, and a sample of Example 4 was obtained.

(実施例5)
実施例3と同様に濃度0.1mol/Lのタングストリン酸水溶液を調整した。また、濃度0.1mol/Lの塩化鉄水溶液を調整した。そして、タングストリン酸水溶液を攪拌した状態で、塩化鉄水溶液を添加して、混合溶液とした。タングストリン酸アニオン(PW1240 3−)が3価であるため、金属カチオンが3価である塩化鉄をタングストリン酸と当量添加した。さらに、2日間攪拌した後、50〜80℃を保ったまま、溶媒留去及び乾燥させて、Fe[PW1240]を得た。
そして、このFePW1240の水溶液を第二成分として使用した他は、実施例3と同様にして電極触媒を作製して、実施例5の試料とした。
(Example 5)
In the same manner as in Example 3, an aqueous tungstophosphoric acid solution having a concentration of 0.1 mol / L was prepared. Further, an aqueous iron chloride solution having a concentration of 0.1 mol / L was prepared. And in the state which stirred the tungstophosphoric acid aqueous solution, the iron chloride aqueous solution was added and it was set as the mixed solution. Since the tungstate phosphate anion (PW 12 O 40 3− ) is trivalent, iron chloride having a trivalent metal cation was added in an equivalent amount to tungstophosphoric acid. Furthermore, after stirring for 2 days, the solvent was distilled off and dried while maintaining 50 to 80 ° C. to obtain Fe [PW 12 O 40 ].
Then, an aqueous solution of the FePW 12 O 40 except that used as the second component, and producing an electrode catalyst in the same manner as in Example 3, was used as a sample of Example 5.

(実施例6)
実施例3と同様に濃度0.1mol/Lのタングストリン酸水溶液を調整した。また、濃度0.1mol/Lの塩化コバルト水溶液を調整した。そして、タングストリン酸水溶液を攪拌した状態で、塩化コバルト水溶液を添加して、混合溶液とした。タングストリン酸アニオン(PW1240 3−)が3価であるため、金属カチオンが2価である塩化コバルトをタングストリン酸の1.5当量添加した。さらに、2日間攪拌した後、50〜80℃を保ったまま、溶媒留去及び乾燥させて、Co[PW1240を得た。
そして、第二成分として、このCo[PW1240の水溶液を使用した他は、実施例3と同様にして電極触媒を作製して、実施例6の試料とした。
(Example 6)
In the same manner as in Example 3, an aqueous tungstophosphoric acid solution having a concentration of 0.1 mol / L was prepared. Further, a cobalt chloride aqueous solution having a concentration of 0.1 mol / L was prepared. And in the state which stirred the tungstophosphoric acid aqueous solution, cobalt chloride aqueous solution was added and it was set as the mixed solution. Since tungstophosphate anion (PW 12 O 40 3− ) is trivalent, 1.5 equivalent of tungstophosphoric acid was added to cobalt chloride whose metal cation is divalent. Furthermore, after stirring for 2 days, the solvent was distilled off and dried while maintaining 50 to 80 ° C. to obtain Co 3 [PW 12 O 40 ] 2 .
Then, as a second component, other using an aqueous solution of Co 3 [PW 12 O 40] 2 is to prepare an electrode catalyst in the same manner as in Example 3, was used as a sample of Example 6.

(実施例7)
第二成分として、ポリオキソモリブデートHPMo1240の水溶液を使用した他は、実施例3と同様にして電極触媒を作製して、実施例7の試料とした。
(Example 7)
An electrode catalyst was prepared in the same manner as in Example 3 except that an aqueous solution of polyoxomolybdate H 3 PMo 12 O 40 was used as the second component, and a sample of Example 7 was obtained.

(実施例8)
第二成分として、AlPW1240の水溶液を使用した他は、実施例3と同様にして電極触媒を作製して、実施例8の試料とした。
(Example 8)
An electrode catalyst was prepared in the same manner as in Example 3 except that an aqueous solution of AlPW 12 O 40 was used as the second component, and a sample of Example 8 was obtained.

(実施例9)
第一成分として、FeTMPyPを使用した他は、実施例3と同様にして電極触媒を作製して、実施例9の試料とした。
Example 9
An electrode catalyst was produced in the same manner as in Example 3 except that FeTMPyP was used as the first component, and a sample of Example 9 was obtained.

(実施例10)
第二成分として、AgPW1240の水溶液を使用した他は、実施例3と同様にして電極触媒を作製して、実施例10の試料とした。
(Example 10)
An electrode catalyst was prepared in the same manner as in Example 3 except that an aqueous solution of AgPW 12 O 40 was used as the second component, and a sample of Example 10 was obtained.

(対照例2)
50質量%のPtを炭素系材料であるバルカン(VulcanXC−72R;VC)に担持させた電極触媒を、対照例2として用意した。
(Control 2)
An electrode catalyst in which 50% by mass of Pt was supported on Vulcan (Vulcan XC-72R; VC), which is a carbon-based material, was prepared as Control Example 2.

<特性の測定>
作製した炭素触媒の試料に対して、以下のようにして、各種特性の測定を行った。
<Measurement of characteristics>
Various characteristics of the produced carbon catalyst sample were measured as follows.

(三電極測定)
実施例3〜実施例9、対照例2の各試料について、三電極測定を行った。具体的な測定方法及び条件は、以下のようにした。
電極触媒の試料を15mlチューブ内に入れて、超音波によって15分間分散させた後、さらにチューブミキサーで2分間攪拌した。これをエッペンドルフでディスク電極に塗布して、乾燥させた。さらに、5wt%のNafion溶液2.5μlを塗布して、乾燥させた。
このようにして得られた、電極触媒を塗布したディスク電極を使用して、三電極測定を行った。
アルゴン(Ar)雰囲気と、酸素(O)雰囲気とで、それぞれサイクリックボルタンメトリー(CV)とリニアスイープメトリー(LSV)とを、表2及び表3に示す条件で、かつ、図8に示すフローチャートに従って実行した。図8のフローチャートにおいて、S24,S27の各ステップは、アルゴンから酸素に、或いは、酸素からアルゴンに、雰囲気を変えることを示している。
(Three electrode measurement)
Three-electrode measurement was performed for each sample of Examples 3 to 9 and Control Example 2. The specific measurement method and conditions were as follows.
A sample of the electrocatalyst was placed in a 15 ml tube and dispersed by ultrasonic waves for 15 minutes, and then stirred for 2 minutes with a tube mixer. This was applied to the disk electrode with an Eppendorf and dried. Further, 2.5 μl of 5 wt% Nafion solution was applied and dried.
Three-electrode measurement was performed using the disk electrode coated with the electrode catalyst thus obtained.
The cyclic voltammetry (CV) and the linear sweep measurement (LSV) in the argon (Ar) atmosphere and the oxygen (O 2 ) atmosphere, respectively, under the conditions shown in Tables 2 and 3, and the flowchart shown in FIG. Performed according to. In the flowchart of FIG. 8, each step of S24 and S27 indicates that the atmosphere is changed from argon to oxygen or from oxygen to argon.

Figure 0005540294
Figure 0005540294

Figure 0005540294
Figure 0005540294

LSVを、0.05−1.0Vvs.RHE(0.05−1.15Vvs.RHE)で掃引することにより、カソード活性を評価した。
図8のフローチャートに示すステップS21〜S29のうち、Ar飽和下のLSV(S29)の測定結果をベースラインとして、O飽和下のLSV(S26)の測定結果から、定常分極曲線を作成した。そして、この定常分極曲線から、ORR開始電位(5μA/cm又は0.2μA/cm)、0.8Vvs.RHEでの電流密度の値、0.9Vvs.RHEでの電流密度の値を求めた。
LSV was adjusted to 0.05-1.0 Vvs. Cathode activity was evaluated by sweeping with RHE (0.05-1.15 Vvs. RHE).
Of the steps S21~S29 shown in the flowchart of FIG. 8, the measurement results of the LSV under Ar saturated (S29) as a baseline, the measurement results of the O 2 saturation of a LSV (S26), and creates a steady polarization curve. From this steady polarization curve, the ORR starting potential (5 μA / cm 2 or 0.2 μA / cm 2 ), 0.8 Vvs. Value of current density at RHE, 0.9 Vvs. The value of current density at RHE was determined.

(塗布量と活性との関係)
実施例3の試料について、ディスク電極への触媒の塗布量を変えて、それぞれ三電極測定を行った。測定結果として、触媒の塗布量と0.8Vvs.RHEでの電流密度の値i0.8Vとの関係を、表4及び図9に示す。
(Relationship between coating amount and activity)
With respect to the sample of Example 3, three-electrode measurement was performed, respectively, by changing the amount of catalyst applied to the disk electrode. As a measurement result, the applied amount of the catalyst and 0.8 Vvs. The relationship with the current density value i 0.8V in RHE is shown in Table 4 and FIG.

Figure 0005540294
Figure 0005540294

表4及び図9より、塗布量の増加に伴い、0.8Vvs.RHEでの電流密度の値が直線的に増加していることがわかる。
なお、塗布量が376μgのときの電流密度は206μA/cm−2であった。対照例2の50wt%Pt/VC触媒について同様の測定を行ったところ、0.8Vにおける電流密度で比較すると、実施例3の触媒の場合、対照例2の触媒の52%の活性を示した。また、同様の塗布量で比較した場合、(NH4)6・[H2W12O40]とケッチェンブラックとを使用した触媒よりも活性は向上していた。
From Table 4 and FIG. 9, 0.8 Vvs. It can be seen that the value of current density at RHE increases linearly.
The current density when the coating amount was 376 μg was 206 μA / cm −2 . When the same measurement was performed for the 50 wt% Pt / VC catalyst of Control Example 2, when compared with the current density at 0.8 V, the catalyst of Example 3 showed 52% activity of the catalyst of Control Example 2. . Further, when compared with the same coating amount, the activity was improved as compared with the catalyst using (NH 4 ) 6. [H 2 W 12 O 40 ] and ketjen black.

(ポリ酸の材料による比較)
実施例3〜実施例10の各試料について、それぞれ、触媒の塗布量を376μgとして、触媒をディスク電極へ塗布した。また、対照例2の試料について、触媒の塗布量を10μgとして、触媒をディスク電極に塗布した。そして、掃引範囲0.05−1.0Vvs.RHE及び掃引範囲1.15−0.05Vvs.RHEにおいて、それぞれ上述した方法により三電極測定を行った。
また、測定結果から、ORR開始電位として、0.2μA/cmの電流が流れたときの電位と、5μA/cmの電流が流れたときの電位とを求めた。
(Comparison by polyacid material)
For each sample of Examples 3 to 10, the catalyst was applied to the disk electrode with a coating amount of the catalyst of 376 μg. Further, with respect to the sample of Control Example 2, the catalyst was applied to the disk electrode with the application amount of the catalyst being 10 μg. And sweep range 0.05-1.0Vvs. RHE and sweep range 1.15-0.05 Vvs. In RHE, three-electrode measurement was performed by the method described above.
Further, from the measurement results, as ORR onset potential was determined the potential when the current of 0.2 .mu.A / cm 2 was passed, and a potential when the current of 5 .mu.A / cm 2 was passed.

まず、掃引範囲0.05−1.0Vvs.RHEの場合について、各試料の定常分極曲線を比較して図10に示し、図10の0.8V付近の拡大図を図11に示す。
また、各試料のORR開始電位と0.8Vにおける電流密度及び0.9Vにおける電流密度とを、比較して、表5に示す。表5において、ORR開始電位は、0.2μA/cmの電流が流れたときの電位の後に、()内に5μA/cmの電流が流れたときの電位を記載している。
First, the sweep range 0.05-1.0 Vvs. In the case of RHE, the steady polarization curves of the respective samples are compared and shown in FIG. 10, and an enlarged view around 0.8 V in FIG. 10 is shown in FIG.
Table 5 shows a comparison between the ORR start potential of each sample, the current density at 0.8V, and the current density at 0.9V. In Table 5, ORR onset potential, after the potential when the current of 0.2 .mu.A / cm 2 was passed, describes the potential when the current of 5 .mu.A / cm 2 flows in the ().

Figure 0005540294
Figure 0005540294

表5より、ORR開始電位(0.2μA/cm)は、それぞれ、HPW1240が0.922V、HSiW1240が0.861V、FePW1240が0.935V、CoPW1240が0.89V、HPMo1240が0.868V、AlPW1240が0.881V、HPW1240(FeTMPyP)が0.875V、AgPW1240が0.866Vを示した。また、0.8Vの電流密度は、FePW1240が287μA/cm、HPW1240が207μA/cmであり、電極活性が高い結果が得られた。0.9Vの電流密度は、FePW1240が8.1μA/cm、HPW1240が5μA/cmであり、従来の電極触媒では得られなかった高い電極活性が得られている。 From Table 5, the ORR start potential (0.2 μA / cm 2 ) is 0.922 V for H 3 PW 12 O 40 , 0.861 V for H 4 SiW 12 O 40 , and 0.935 V for FePW 12 O 40 , respectively. CoPW 12 O 40 is 0.89V, H 3 PMo 12 O 40 is 0.868V, AlPW 12 O 40 is 0.881V, H 3 PW 12 O 40 (FeTMPyP) is 0.875V, AgPW 12 O 40 0. 866V was indicated. Further, 0.8 V current density of, FePW 12 O 40 is 287μA / cm 2, H 3 PW 12 O 40 is 207μA / cm 2, electrode active high results. The current density of 0.9V is 8.1 μA / cm 2 for FePW 12 O 40 and 5 μA / cm 2 for H 3 PW 12 O 40 , and high electrode activity that was not obtained with conventional electrode catalysts was obtained. Yes.

また、三電極測定の測定結果を利用して、Tafel plotを作成した。
さらに、リング電流により反応電子数を求めた。さらにまた、過酸化水素の発生量を測定した。
各試料のTafel plotを比較して図12に示し、各例の反応電子数を比較して図13に示し、各例の過酸化水素発生量を比較して図14に示す。
また、図12のTafel plotから、各試料のスロープの傾きと、交換電流密度iexと、縦軸の切片Aとを、比較して表6に示す。
In addition, a Tafel plot was created using the measurement results of the three-electrode measurement.
Furthermore, the number of reaction electrons was determined from the ring current. Furthermore, the amount of hydrogen peroxide generated was measured.
The Tafel plot of each sample is compared and shown in FIG. 12, the number of reaction electrons of each example is compared and shown in FIG. 13, and the amount of hydrogen peroxide generated in each example is compared and shown in FIG.
Moreover, from the Tafel plot of FIG. 12, the slope of each sample, the exchange current density iex, and the intercept A on the vertical axis are compared and shown in Table 6.

Figure 0005540294
Figure 0005540294

表6より、FePW1240の交換電流密度は5.49×10−6mA/cmであり、50wt%Pt/VCの交換電流密度7.35×10−6mA/cmに近い値が得られている。
従って、従来の白金代替触媒よりも高い活性を有することがわかる。
また、図13より、FePW1240の反応電子数はほぼ4であり、高い4電子還元性を有していることがわかる。
図14より、FePW1240の過酸化水素生成量は、電圧に関わらず常に1%付近であり、最大でも1.35%と、ほとんど過酸化水素が生成していない。
これらのことから、FePW1240とコバルトポリフィリンをカーボンに担持した触媒は今後の燃料電池非白金カソード電極触媒に有望な触媒と考えられる。
From Table 6, the exchange current density of FePW 12 O 40 is 5.49 × 10 −6 mA / cm 2, which is close to the exchange current density of 7.35 × 10 −6 mA / cm 2 of 50 wt% Pt / VC. Is obtained.
Therefore, it turns out that it has higher activity than the conventional platinum alternative catalyst.
In addition, FIG. 13 shows that FePW 12 O 40 has approximately 4 reaction electrons and has a high 4-electron reducibility.
From FIG. 14, the hydrogen peroxide generation amount of FePW 12 O 40 is always around 1% regardless of the voltage, and the maximum is 1.35%, and almost no hydrogen peroxide is generated.
From these facts, a catalyst in which FePW 12 O 40 and cobalt porphyrin are supported on carbon is considered to be a promising catalyst for a future fuel cell non-platinum cathode electrode catalyst.

なお、コバルトポリフィリンを使用した実施例3の触媒と、鉄ポリフィリンを使用した実施例9の触媒とを比較すると、0.8Vでの電流密度が、206.5μA/cm−2と49.7μA/cm−2であり、ORR開始電圧が0.922Vと0.875Vである。即ち、第二成分のポリフィリンには、コバルトポリフィリンを使用した方が、鉄ポリフィリンを使用するよりも、活性が高くなることがわかる。 When the catalyst of Example 3 using cobalt porphyrin and the catalyst of Example 9 using iron porphyrin were compared, the current densities at 0.8 V were 206.5 μA / cm −2 and 49.7 μA / cm −2 and the ORR start voltages are 0.922V and 0.875V. That is, it can be seen that the use of cobalt porphyrin as the second component porphyrin is more active than using iron porphyrin.

次に、掃引範囲1.15−0.05Vvs.RHEの場合について、各試料の定常分極曲線を比較して図15に示し、図15の0.8V付近の拡大図を図16に示す。
また、各試料のORR開始電位と0.8Vにおける電流密度及び0.9Vにおける電流密度とを、比較して、表7に示す。表7において、ORR開始電位は、0.2μA/cmの電流が流れたときの電位の後に、()内に5μA/cmの電流が流れたときの電位を記載している。
Next, the sweep range 1.15-0.05 Vvs. In the case of RHE, the steady polarization curves of the respective samples are compared and shown in FIG. 15, and an enlarged view around 0.8 V in FIG. 15 is shown in FIG.
Table 7 shows a comparison between the ORR start potential of each sample, the current density at 0.8V, and the current density at 0.9V. In Table 7, ORR onset potential, after the potential when the current of 0.2 .mu.A / cm 2 was passed, describes the potential when the current of 5 .mu.A / cm 2 flows in the ().

Figure 0005540294
Figure 0005540294

表7より、この掃引範囲の場合も、FePW1240のORR開始電圧及び電流密度が、他の例よりも高く、対照例2の50wt%Pt/VCに近い、高い活性が得られていることがわかる。 From Table 7, even in this sweep range, the ORR start voltage and current density of FePW 12 O 40 are higher than those of the other examples, and high activity close to 50 wt% Pt / VC of Control Example 2 is obtained. I understand that.

(熱処理温度によるCoの状態の違い)
実施例1、比較例6〜比較例8と同様にして、熱処理温度を、573K(300℃)、673K(400℃)、773K(500℃)、823K(550℃)、973K(700℃)、1073K(800℃)とした触媒の試料を作製した。
これらの各試料について、XPS測定によりCo2+/(Co2++Co3+)の比の値を求め、また、0.5Vvs.RHEでの過酸化水素の発生量を測定した。
これらの結果を、図17に示す。
(Difference in Co state depending on heat treatment temperature)
In the same manner as in Example 1 and Comparative Examples 6 to 8, the heat treatment temperatures were 573 K (300 ° C.), 673 K (400 ° C.), 773 K (500 ° C.), 823 K (550 ° C.), 973 K (700 ° C.), A sample of the catalyst at 1073 K (800 ° C.) was prepared.
For each of these samples, the value of the ratio Co 2+ / (Co 2+ + Co 3+ ) was determined by XPS measurement, and 0.5 V vs. The amount of hydrogen peroxide generated in RHE was measured.
These results are shown in FIG.

図17より、熱処理温度の上昇と共に、Co2+/(Co2++Co3+)の比の値は増加し、823Kで最大値を取って、それ以上は減少していくことがわかる。
また、過酸化水素の発生量は、Co2+/(Co2++Co3+)の比の値とは逆の傾向である。即ち、Co2+イオンの活性に対する寄与を示すことがわかる。
From FIG. 17, it can be seen that the value of the ratio of Co 2+ / (Co 2+ + Co 3+ ) increases as the heat treatment temperature increases, takes the maximum value at 823 K, and decreases further.
The amount of hydrogen peroxide generated tends to be opposite to the value of the ratio Co 2+ / (Co 2+ + Co 3+ ). That is, it can be seen that it contributes to the activity of Co 2+ ions.

(ポリ酸の金属イオンによる違い)
ポリ酸の金属イオンMn+の電荷/イオン半径の比(e/r)の活性への影響を調べた。
表5に示した測定値から、4つの測定値を抽出し、金属イオンMn+(Ag,Co2+,Fe3+,Al3+)の電荷/イオン半径の比(e/r)と0.8Vにおける電流密度との関係をプロットして、図18に示す。
図18より、ポリオキソタングステートは、水素イオンの脱プロトン化エネルギー及び交換金属イオンの酸強度序列に関係し、適度な強度のルイス酸(山型の曲線)として作用することがわかる。
さらに、コバルトポリフィリンとタングステンとの2量化を促進させ、コバルトポルフィリンと交換金属を含むタングストリン酸(交換金属としては鉄を用いると活性が高くなる)とによる相乗効果により、著しい酸素還元活性が出現したと考えられる。
また、タングストリン酸は、カソードで発生する過酸化水素と反応して、より強力な酸化剤となるペルオキソ種に変化すると考えられる。
この2価のコバルトポリフィリンとポリオキソタングステートの金属イオンとの自己組織化によるシナジー効果(金属がない場合はプロトン酸さえも作用)により、グラファイト炭素上にコバルトポリフィリンの窒素を介して結合すると考えられる。
(Difference due to metal ion of polyacid)
The influence of the charge / ion radius ratio (e / r) of the metal ion M n + of the polyacid on the activity was investigated.
Four measurement values were extracted from the measurement values shown in Table 5, and the charge / ion radius ratio (e / r) of metal ions M n + (Ag + , Co 2+ , Fe 3+ , Al 3+ ) and 0.8 V were obtained. FIG. 18 shows a plot of the relationship with current density at.
FIG. 18 indicates that polyoxotungstate acts as a moderately strong Lewis acid (mountain curve) in relation to the deprotonation energy of hydrogen ions and the acid strength order of exchange metal ions.
In addition, it promotes dimerization of cobalt porphyrin and tungsten, and due to the synergistic effect of tungstophosphoric acid containing cobalt porphyrin and exchange metal (activity increases when iron is used as exchange metal), remarkable oxygen reduction activity appears. It is thought that.
In addition, tungstophosphoric acid is considered to react with hydrogen peroxide generated at the cathode and change into a peroxo species that becomes a stronger oxidant.
This divalent cobalt porphyrin and polyoxotungstate metal ions are considered to bind to the graphite carbon via nitrogen of cobalt porphyrin due to the synergistic effect (even the protonic acid acts in the absence of metal). It is done.

また、実施例5のFePW1240と、対照例2の50wt%Pt/VCとについて、金属の単位質量当たりの活性を比較して、表8に示す。 Table 8 shows a comparison of the activity per unit mass of metal for FePW 12 O 40 of Example 5 and 50 wt% Pt / VC of Control Example 2.

Figure 0005540294
Figure 0005540294

表8より、0.8Vでの活性は、実施例5のFePW1240が、対照例の50wt%Pt/VCの12.4%の活性であった。また、0.9Vでの活性は、実施例5のFePW1240が、対照例の50wt%Pt/VCの4.5%の活性であった。 From Table 8, the activity at 0.8 V was 12.4% of the FePW 12 O 40 of Example 5 being 50 wt% Pt / VC of the control example. In addition, the activity at 0.9 V was 4.5% of the 50 wt% Pt / VC of the control example of FePW 12 O 40 of Example 5.

本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

本発明は、上記の通り、触媒成分として白金を使用することなく、白金を電極触媒成分とする電極触媒と同程度の触媒活性及び耐久性を有する電極触媒成分を製造することができ、初期の大きな活性劣化がなく、安価な燃料電池用電極触媒を提供することができるという優れた効果を有するので、ノートパソコン、携帯電話等の携帯機器から、自動車、鉄道、民生用産業用コジェネレーション、発電所等の多様な用途や規模をカバーする燃料電池の分野において活用でき、産業上の利用可能性を有する。   As described above, the present invention can produce an electrode catalyst component having the same catalytic activity and durability as an electrode catalyst containing platinum as an electrode catalyst component without using platinum as a catalyst component. It has the excellent effect of providing an inexpensive fuel cell electrode catalyst without significant deterioration in activity, so it can be used in mobile devices such as notebook computers and mobile phones, and from automobiles, railways, consumer industrial cogeneration, and power generation. It can be used in the field of fuel cells that cover various uses and scales, and has industrial applicability.

Claims (6)

燃料電池用電極触媒を製造する方法であって、
コバルト、鉄、ニッケル、クロム、マンガンから選ばれる1種以上の金属元素を中心金属とするポルフィリン錯体と、炭素系材料と、タングステンを中心金属とするポリ酸とを混合して前駆体を作製する工程と、
前記前駆体を500℃〜600℃の温度範囲内で熱処理することにより、電極触媒を形成する工程とを有する
燃料電池用電極触媒の製造方法。
A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell, comprising:
A precursor is prepared by mixing a porphyrin complex having one or more metal elements selected from cobalt, iron, nickel, chromium, and manganese as a central metal, a carbon-based material, and a polyacid having tungsten as a central metal. Process,
And a step of forming an electrode catalyst by heat-treating the precursor within a temperature range of 500 ° C. to 600 ° C. A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell.
前記ポルフィリン錯体として、5,10,15,20−テトラキス(N−メチル−4−ピリジル)ポルフィリナトコバルト(II)・4トルエンスルホナートを使用する、請求項1に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。   2. The fuel cell electrode catalyst according to claim 1, wherein 5,10,15,20-tetrakis (N-methyl-4-pyridyl) porphyrinatocobalt (II) · 4 toluenesulfonate is used as the porphyrin complex. Production method. 前記ポリ酸として、アンモニウムメタタングステートを使用する、請求項1に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。   The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein ammonium metatungstate is used as the polyacid. 前記ポリ酸として、HPW1240又はFePW1240を使用する、請求項1に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。 The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein H 3 PW 12 O 40 or FePW 12 O 40 is used as the polyacid. 前記炭素系材料は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンから選ばれる1種以上の炭素系微粒子を使用する、請求項1に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。   The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein the carbon-based material uses one or more carbon-based fine particles selected from carbon black, carbon nanotube, carbon nanohorn, and fullerene. 前記炭素系微粒子は、炭素間結合部分に窒素原子が導入された炭素微粒子を使用する、請求項5に記載の燃料電池用電極触媒の製造方法。   The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to claim 5, wherein the carbon-based fine particles are carbon fine particles in which nitrogen atoms are introduced into the carbon-carbon bond portion.
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