JP5650093B2 - Platinum / metal oxide composite catalyst for fuel cell and production method thereof - Google Patents

Platinum / metal oxide composite catalyst for fuel cell and production method thereof Download PDF

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Description

本発明は、優れた触媒活性及び耐久性を併せ持つ燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a platinum / metal oxide composite catalyst for fuel cells having both excellent catalytic activity and durability, and a method for producing the same.

エネルギー変換や物質変換を司る各種電極触媒及びガス拡散電極触媒としては、一般に、カーボン等の導電性担体に金属成分を担持してなる金属微粒子担持触媒が用いられる。特に、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー変換デバイスである燃料電池においては、アノード及びカソードの電極触媒として担持白金微粒子及び担持白金合金微粒子が採用されている。これは、燃料電池のアノード及びカソードの電極触媒として、高い燃料酸化活性、及び、酸化剤である酸素の還元反応に対して高い触媒活性を有し、且つ、アノード及びカソードの電極触媒として溶解等に対し高い耐久性を有する元素が、白金を代表とする貴金属以外には未だ見出されていないことに起因する。   As various electrode catalysts and gas diffusion electrode catalysts that control energy conversion and substance conversion, generally, metal fine particle supported catalysts obtained by supporting a metal component on a conductive carrier such as carbon are used. In particular, in a fuel cell that is an energy conversion device that directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. In addition, supported platinum fine particles and supported platinum alloy fine particles are employed as electrode catalysts for the anode and the cathode. It has high fuel oxidation activity as an anode and cathode electrode catalyst of a fuel cell, and high catalytic activity for reduction reaction of oxygen as an oxidant, and is dissolved as an electrode catalyst of an anode and a cathode. This is because an element having high durability has not been found other than noble metals represented by platinum.

これまで、燃料電池用ガス拡散電極やその他の電気化学デバイスに用いられるガス拡散電極のアノード及びカソードの電極触媒としては、担持貴金属や、貴金属を含む合金系材料が用いられてきた。しかし、白金を代表とする貴金属を含む触媒に依存することは、埋蔵量や採掘量等の資源量の問題、比較的希少であることに起因する価格の問題、及び産出地域が遍在しているため国際情勢の影響を受けやすく、大きな価格変動を起こしやすいという問題等を孕む。したがって、白金をより安価且つ安定な材料と組み合わせて新規電極触媒として用いる研究開発が、従来から行われてきた。   Until now, supported noble metals and alloy-based materials containing noble metals have been used as anode and cathode electrode catalysts for gas diffusion electrodes used in fuel cell gas diffusion electrodes and other electrochemical devices. However, reliance on catalysts containing precious metals, such as platinum, is due to the problem of resources such as reserves and mining, the problem of prices due to their relative scarcity, and the production area. As a result, it is easy to be affected by the international situation. Therefore, research and development has been conventionally conducted using platinum as a novel electrode catalyst in combination with a cheaper and more stable material.

白金量を低減できる利点に加えて、触媒の表面のみが触媒反応を促進し、且つ内部のコアは個々の触媒粒子の反応性に寄与しないという観点から、粒子表面のシェル中に白金を用いたコア/シェル構造を有する電極触媒の技術が注目を集めている。当該電極触媒を応用した技術として、特許文献1には、コア/シェル構造を有し、且つ、平均直径が20〜100nmであることを特徴とする触媒粒子が開示されている。   In addition to the advantage of reducing the amount of platinum, platinum was used in the shell on the particle surface from the standpoint that only the surface of the catalyst promotes the catalytic reaction and the inner core does not contribute to the reactivity of the individual catalyst particles. Electrocatalyst technology having a core / shell structure has attracted attention. As a technique to which the electrode catalyst is applied, Patent Document 1 discloses a catalyst particle having a core / shell structure and having an average diameter of 20 to 100 nm.

特表2010−501345号Special table 2010-501345

本発明者らは、コア/シェル構造を有する触媒(以下、コアシェル触媒と称する場合がある。)について検討した結果、特に比活性に課題があることを見出した。
本発明は、上記実情を鑑みて鋭意研究した結果成し遂げられたものであり、優れた触媒活性及び耐久性を併せ持つ燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒、及びその製造方法を提供することを目的とする。
As a result of studying a catalyst having a core / shell structure (hereinafter sometimes referred to as a core-shell catalyst), the present inventors have found that there is a problem in specific activity.
The present invention has been accomplished as a result of diligent research in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell having both excellent catalytic activity and durability, and a method for producing the same. And

本発明の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒は、白金微粒子、金属酸化物、及び炭素材料を含有する、燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒であって、前記金属酸化物は、Ti、Sn、Nb、及びTaからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含み、前記炭素材料が、その表面に、前記白金微粒子、及び、前記金属酸化物を含み且つ当該白金微粒子の周囲を取り巻く金属酸化物層を備え、前記白金微粒子中の白金原子と前記炭素材料の表面とが電気的に接触していることにより、前記金属酸化物層は、前記炭素材料の表面と前記複合触媒の表面との間に前記白金微粒子を介した導電チャンネルを少なくとも1つ備え、前記導電チャンネル内で、前記白金微粒子中の白金原子と前記金属酸化物とが結合を有することを特徴とする。 The platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell of the present invention is a platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell containing platinum fine particles, a metal oxide, and a carbon material, wherein the metal oxide is Ti Including at least one metal element selected from the group consisting of Sn, Nb, and Ta, and the carbon material includes platinum fine particles and the metal oxide on the surface thereof, and around the platinum fine particles. The metal oxide layer includes a metal oxide layer that surrounds the platinum atom in the platinum fine particles and the surface of the carbon material is in electrical contact, so that the metal oxide layer is formed on the surface of the carbon material and the composite catalyst. At least one conductive channel through the platinum fine particle is provided between the surface and the surface, and the platinum atom in the platinum fine particle and the metal oxide have a bond in the conductive channel.

本発明においては、前記白金微粒子中の白金原子と前記金属酸化物の酸素欠陥とが結合を有することが好ましい。   In this invention, it is preferable that the platinum atom in the said platinum fine particle and the oxygen defect of the said metal oxide have a coupling | bonding.

本発明においては、前記金属酸化物層の厚さが0.2〜0.6nmであることが好ましい。   In the present invention, the metal oxide layer preferably has a thickness of 0.2 to 0.6 nm.

本発明においては、前記金属酸化物層は、酸化チタン(IV)(TiO)、酸化スズ(IV)(SnO)、酸化ニオブ(V)(Nb)、及び酸化タンタル(V)(Ta)からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属酸化物を含むことが好ましい。 In the present invention, the metal oxide layer includes titanium (IV) oxide (TiO 2 ), tin (IV) oxide (SnO 2 ), niobium oxide (V) (Nb 2 O 5 ), and tantalum oxide (V). It is preferable to include at least one metal oxide selected from the group consisting of (Ta 2 O 5 ).

本発明においては、前記白金微粒子の平均粒径が0.25〜2.0nmであることが好ましい。   In the present invention, the platinum fine particles preferably have an average particle size of 0.25 to 2.0 nm.

本発明においては、前記金属酸化物層の厚さが前記白金微粒子の平均粒径未満であることが好ましい。   In the present invention, the thickness of the metal oxide layer is preferably less than the average particle diameter of the platinum fine particles.

本発明においては、前記炭素材料は、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、活性炭、メゾフェースカーボン、及び黒鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種の炭素材料であってもよい。   In the present invention, the carbon material may be at least one carbon material selected from the group consisting of acetylene black, furnace black, carbon black, activated carbon, mesophase carbon, and graphite.

本発明の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の製造方法は、白金微粒子、金属酸化物、及び炭素材料を含有する、燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の製造方法であって、前記金属酸化物は、Ti、Sn、Nb、及びTaからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含み、白金イオン溶液を準備する工程、前記金属酸化物の前駆体溶液を準備する工程、前記金属酸化物の前駆体溶液及び前記炭素材料を混合し、第1の混合液を調製する工程、前記第1の混合液及び前記白金イオン溶液を混合することにより、少なくとも、前記金属酸化物、前記炭素材料、及び白金イオンを含有する第2の混合液を調製する工程、前記第2の混合液に一酸化炭素をバブリングさせる工程、並びに、バブリング後の第2の混合液に還元剤を加え、白金微粒子を前記炭素材料の表面に析出させることにより、前記炭素材料の表面に、前記金属酸化物を含み且つ前記白金微粒子の周囲を取り巻く金属酸化物層を形成し、且つ、前記金属酸化物層中の、前記炭素材料の表面と前記複合触媒の表面との間に、前記白金微粒子を介した導電チャンネルを少なくとも1つ形成し、且つ、前記導電チャンネル内で、前記白金原子と前記金属酸化物との結合を形成する還元工程を有することを特徴とする。 Method for manufacturing a fuel cell platinum-metal oxide composite catalysts of the present invention, platinum particles, metal oxides, and containing carbon material, a process for the preparation of the platinum-metal oxide composite catalyst for a fuel cell, wherein The metal oxide includes at least one metal element selected from the group consisting of Ti, Sn, Nb, and Ta, a step of preparing a platinum ion solution, a step of preparing a precursor solution of the metal oxide, A step of mixing a precursor solution of a metal oxide and the carbon material to prepare a first mixed solution, mixing the first mixed solution and the platinum ion solution, so that at least the metal oxide, A step of preparing a second mixed solution containing a carbon material and platinum ions, a step of bubbling carbon monoxide in the second mixed solution, and a reducing agent added to the second mixed solution after bubbling; White By depositing fine particles on the surface of the carbon material, a metal oxide layer containing the metal oxide and surrounding the platinum fine particles is formed on the surface of the carbon material, and in the metal oxide layer At least one conductive channel via the platinum fine particles is formed between the surface of the carbon material and the surface of the composite catalyst, and the platinum atom and the metal oxide are formed in the conductive channel. It has the reduction | restoration process which forms the coupling | bonding of this.

本発明の製造方法においては、前記第2の混合液を調製する工程の前に、前記第1の混合液に塩基を加えて、前記金属酸化物の前駆体の一部又は全部を前記金属酸化物に変換する工程を有していてもよい。   In the production method of the present invention, before the step of preparing the second mixed solution, a base is added to the first mixed solution, and a part or all of the precursor of the metal oxide is subjected to the metal oxidation. You may have the process of converting into a thing.

本発明によれば、炭素材料の表面に白金微粒子を介した導電チャンネルを確保すると共に、当該導電チャンネル中で白金原子が金属酸化物と結合していることにより、従来の白金合金触媒やコアシェル触媒よりも、優れた触媒性能及び触媒耐久性を発揮できる。   According to the present invention, a conventional platinum alloy catalyst or a core-shell catalyst is obtained by securing a conductive channel through platinum fine particles on the surface of a carbon material and combining a platinum atom with a metal oxide in the conductive channel. It is possible to exhibit superior catalyst performance and catalyst durability.

本発明に係る複合触媒の典型例を模式的に示した断面図及びその拡大図である。It is sectional drawing which showed the typical example of the composite catalyst which concerns on this invention typically, and its enlarged view. 本発明に係る製造方法において、第2の混合液を調製する工程から、還元工程までの、炭素材料表面の化学構造を示した模式図である。In the manufacturing method which concerns on this invention, it is the schematic diagram which showed the chemical structure of the carbon material surface from the process of preparing a 2nd liquid mixture to a reduction process. SAXS測定により得られた、実施例1及び実施例2の触媒中の白金粒径分布を示したグラフである。It is the graph which showed the platinum particle size distribution in the catalyst of Example 1 and Example 2 obtained by the SAXS measurement. 実施例1の触媒のTEM画像である。2 is a TEM image of the catalyst of Example 1. 実施例1のESRスペクトルである。2 is an ESR spectrum of Example 1. 白金原子−チタン原子間の結合について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the coupling | bonding between a platinum atom and a titanium atom. 比較例2の製造方法に基づいて、焼成温度500℃、600℃及び700℃の条件で焼成を行った触媒のXRDスペクトル等である。FIG. 4 shows an XRD spectrum of a catalyst fired under conditions of a firing temperature of 500 ° C., 600 ° C. and 700 ° C. based on the manufacturing method of Comparative Example 2. FIG. COバブリングに用いた装置の模式図である。It is a schematic diagram of the apparatus used for CO bubbling. 電位処理を行う装置を示した斜視模式図である。It is the isometric view schematic diagram which showed the apparatus which performs an electric potential process.

1.燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒
本発明の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒は、白金微粒子、金属酸化物、及び炭素材料を含有する、燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒であって、前記炭素材料が、その表面に、前記白金微粒子、及び、前記金属酸化物を含み且つ当該白金微粒子の周囲を取り巻く金属酸化物層を備え、前記白金微粒子中の白金原子と前記炭素材料の表面とが電気的に接触していることにより、前記金属酸化物層は、前記炭素材料の表面と前記複合触媒の表面との間に前記白金微粒子を介した導電チャンネルを少なくとも1つ備え、前記導電チャンネル内で、前記白金微粒子中の白金原子と前記金属酸化物とが結合を有することを特徴とする。
1. The platinum / metal oxide composite catalyst for fuel cells The platinum / metal oxide composite catalyst for fuel cells of the present invention is a platinum / metal oxide composite catalyst for fuel cells containing platinum fine particles, a metal oxide, and a carbon material. The carbon material has, on the surface thereof, a platinum oxide fine particle and a metal oxide layer containing the metal oxide and surrounding the platinum fine particle, and the platinum atom in the platinum fine particle and the carbon material. The metal oxide layer is provided with at least one conductive channel through the platinum fine particles between the surface of the carbon material and the surface of the composite catalyst. In the conductive channel, the platinum atom in the platinum fine particle and the metal oxide have a bond.

上述したように、白金の高いコストや、白金の限られた埋蔵量等の観点から、白金の触媒活性の向上を目的とした白金合金触媒、及び、白金触媒利用率の向上を目的としたコアシェル触媒の研究開発が盛んに行われている。しかし、白金合金触媒及び白金コアシェル触媒は、共に、白金よりも卑な金属を組み合わせた触媒であるため、燃料電池の作動環境下で当該卑な金属が溶出し、白金の触媒活性及び触媒の耐久性が低下する課題がある。   As described above, from the viewpoint of the high cost of platinum and the limited reserves of platinum, the platinum alloy catalyst for the purpose of improving the catalytic activity of platinum, and the core shell for the purpose of improving the utilization rate of the platinum catalyst Research and development of catalysts are actively conducted. However, since the platinum alloy catalyst and the platinum core-shell catalyst are both a combination of base metals rather than platinum, the base metals are eluted under the operating environment of the fuel cell, and the catalytic activity of platinum and the durability of the catalyst. There is a problem that the performance is lowered.

従来のコアシェル触媒について、上記特許文献1の明細書の段落[0027]には、チタニア(TiO)をコアとして用いる旨が記載されている。また、従来のコアシェル触媒の製造方法について、特許文献1の明細書の段落[0051]には、プラズマ被覆法、気相成長法、物理気相成長法(PVD)、化学気相成長法(CVD)、及び原子層成長法(ALD)等が列挙されている。
しかし、公知文献(U.Diebold.et.al,Surf.Sci.,331,845−854,109(1995))に記載されているような金属酸化物上の白金が3次元成長することに関する知見や、白金とチタニア等の金属酸化物との間には通常相互作用がないという知見等から、金属酸化物をコアとした白金シェルの形成は極めて困難であり、また、仮に白金シェルが形成できたとしても、活性及び耐久性はいずれも低いと考えられる。
上記特許文献1の明細書の段落[0061]には、白金シェルの厚みが3nmのAg/Pt粒子が開示されている(実施例1)。しかし、3nmの厚さでは、触媒活性の観点からも、また、製造コストの観点からも、コア/シェル構造を採用する利点は極めて小さいと考えられる。さらに、上記特許文献1に記載されたプラズマ被覆等の方法では、単原子層レベル(単原子層=0.23nm)の厚みの白金シェルを達成することは極めて困難である。
Regarding the conventional core-shell catalyst, paragraph [0027] of the specification of Patent Document 1 describes that titania (TiO 2 ) is used as a core. As for the conventional method for producing a core-shell catalyst, paragraph [0051] of the specification of Patent Document 1 includes plasma coating, vapor deposition, physical vapor deposition (PVD), and chemical vapor deposition (CVD). ), Atomic layer deposition (ALD), and the like.
However, knowledge about the three-dimensional growth of platinum on metal oxides as described in known literature (U. Diebold. Et.al, Surf. Sci., 331, 845-854, 109 (1995)). From the knowledge that there is usually no interaction between platinum and metal oxides such as titania, it is extremely difficult to form a platinum shell with a metal oxide as a core. Even so, both the activity and durability are considered to be low.
Paragraph [0061] of the specification of Patent Document 1 discloses Ag / Pt particles having a platinum shell thickness of 3 nm (Example 1). However, at a thickness of 3 nm, it is considered that the advantage of adopting the core / shell structure is extremely small from the viewpoints of catalytic activity and manufacturing cost. Furthermore, it is extremely difficult to achieve a platinum shell with a thickness of a monoatomic layer level (monoatomic layer = 0.23 nm) by the method such as plasma coating described in Patent Document 1.

本発明者らは、鋭意努力の結果、従来の白金合金触媒やコアシェル触媒とは全く異なる構造を有する白金・金属酸化物複合触媒が、優れた触媒性能及び触媒耐久性を両立できると共に、使用する貴金属量を減らしコスト削減も達成できることを見出し、本発明を完成させた。   As a result of diligent efforts, the present inventors use a platinum / metal oxide composite catalyst having a completely different structure from conventional platinum alloy catalysts and core-shell catalysts, while being able to achieve both excellent catalyst performance and catalyst durability. The present inventors have found that the amount of precious metals can be reduced and cost reduction can be achieved.

本発明に係る燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒(以下、複合触媒と称する場合がある。)は、白金微粒子、金属酸化物、及び炭素材料を含有する。以下、本発明に用いられる白金微粒子、金属酸化物、及び炭素材料について、順に説明する。   The platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell according to the present invention (hereinafter sometimes referred to as a composite catalyst) contains platinum fine particles, a metal oxide, and a carbon material. Hereinafter, the platinum fine particles, the metal oxide, and the carbon material used in the present invention will be described in order.

1−1.白金微粒子
本発明に用いられる白金微粒子は、炭素材料の表面に存在する。ここで、白金微粒子が炭素材料の表面に存在するとは、白金微粒子の表面と炭素材料の表面とが接触していることを意味し、白金微粒子が炭素材料表面に担持されている態様を含む。
1-1. Platinum fine particles The platinum fine particles used in the present invention are present on the surface of the carbon material. Here, the presence of platinum fine particles on the surface of the carbon material means that the surface of the platinum fine particles and the surface of the carbon material are in contact with each other, and includes an embodiment in which the platinum fine particles are supported on the surface of the carbon material.

さらに、白金微粒子中の白金原子と炭素材料表面とは電気的に接触している。後述する金属酸化物は、燃料電池用電極触媒として単独で用いられた際に、一般的に、十分な導電性を発揮することが極めて難しい。当該金属酸化物層が炭素材料の全表面を被覆すると仮定すると、当該炭素材料と複合触媒外部とをつなぐ導電経路が金属酸化物層により遮断され、複合触媒間、及び、複合触媒と燃料電池内部の他の部材との間の導電性がいずれも損なわれるおそれがある。したがって、白金微粒子中の白金原子と炭素材料表面とが電気的に接触することにより、白金微粒子を介して、炭素材料の表面と複合触媒表面との間に導電経路、いわゆる導電チャンネルが形成され、複合触媒間、及び、複合触媒と燃料電池内部の他の部材との間の導電性を確保できる。   Furthermore, the platinum atoms in the platinum fine particles and the carbon material surface are in electrical contact. In general, when a metal oxide described later is used alone as an electrode catalyst for a fuel cell, it is generally very difficult to exhibit sufficient conductivity. Assuming that the metal oxide layer covers the entire surface of the carbon material, the conductive path connecting the carbon material and the outside of the composite catalyst is blocked by the metal oxide layer, and between the composite catalyst and within the composite catalyst and the fuel cell. There is a possibility that any electrical conductivity between the other members may be impaired. Therefore, when the platinum atom in the platinum fine particle is in electrical contact with the surface of the carbon material, a conductive path, a so-called conductive channel is formed between the surface of the carbon material and the composite catalyst surface via the platinum fine particle, The conductivity between the composite catalysts and between the composite catalyst and other members inside the fuel cell can be ensured.

ここで、導電チャンネルとは、少なくとも1つの白金微粒子により形成され、且つ金属酸化物層内を貫通し、炭素材料表面と複合触媒外部とをつなぐ電子の導通経路と言い換えることもできる。導電チャンネルは、金属酸化物層内に少なくとも1つ形成される。導電チャンネルは、炭素材料の表面に存在する白金微粒子の粒子数だけ存在すると考えられるが、導電チャンネルの本数は、白金微粒子の粒子数と必ずしも一致しなくてもよい。
また、導電チャンネル内において、白金微粒子中の白金原子と金属酸化物層中の金属酸化物とが結合を有する。当該結合については後に詳述する。
Here, the conductive channel can be rephrased as an electron conduction path formed of at least one platinum fine particle and penetrating through the metal oxide layer to connect the surface of the carbon material and the outside of the composite catalyst. At least one conductive channel is formed in the metal oxide layer. Although it is considered that there are as many conductive channels as there are platinum fine particles present on the surface of the carbon material, the number of conductive channels may not necessarily match the number of platinum fine particles.
Further, in the conductive channel, the platinum atom in the platinum fine particle and the metal oxide in the metal oxide layer have a bond. This connection will be described in detail later.

白金微粒子の平均粒径は、0.25〜2.0nmであることが好ましい。
金属−半導体接合モデルによる電荷移動に関する公知文献(T,Ioannides et al.Journal of Catalysis 161,560−569(1996))には、金属酸化物上の金属粒子の径が2nm以下であれば、0.5電子/(metal atom)の電荷移動が生じ、結果として金属粒子全体に影響を及ぼす旨の記載がある。したがって、本発明に用いられる白金微粒子の平均粒径は、金属酸化物と結合した白金原子を含む観点から、2.0nm以下であることが好ましい。
一方、白金原子の有効半径は1.39Åである(国立天文台編、「理科年表 平成20年」、丸善株式会社、486ページ)。したがって、当該有効半径から鑑みて、本発明に用いられる白金微粒子の平均粒径の下限は0.25nmである。
X線小角散乱(Small angle X−ray scattering:以下、SAXSと称する場合がある。)測定により測定される平均粒径が1.5nm以下の場合に、後述する電子供与の効果(SMSI効果)がより明確に確認できるという観点から、本発明に用いられる白金微粒子の平均粒径は0.50〜1.5nmであることがより好ましく、1.0〜1.5nmであることがさらに好ましい。
The average particle diameter of the platinum fine particles is preferably 0.25 to 2.0 nm.
According to a known document (T, Ioannides et al. Journal of Catalysis 161, 560-569 (1996)) regarding charge transfer by a metal-semiconductor junction model, if the diameter of the metal particles on the metal oxide is 2 nm or less, 0 There is a description that a charge transfer of .5 electrons / (metal atom) occurs and as a result affects the entire metal particle. Therefore, the average particle diameter of the platinum fine particles used in the present invention is preferably 2.0 nm or less from the viewpoint of containing platinum atoms bonded to the metal oxide.
On the other hand, the effective radius of platinum atoms is 1.39 mm (National Astronomical Observatory, “Science Chronology 2008”, Maruzen Co., Ltd., page 486). Therefore, in view of the effective radius, the lower limit of the average particle diameter of the platinum fine particles used in the present invention is 0.25 nm.
When the average particle diameter measured by X-ray small angle X-ray scattering (hereinafter sometimes referred to as SAXS) measurement is 1.5 nm or less, the effect of electron donation (SMSI effect) described later is obtained. From the viewpoint of being able to confirm more clearly, the average particle size of the platinum fine particles used in the present invention is more preferably 0.50 to 1.5 nm, and further preferably 1.0 to 1.5 nm.

本発明における粒子の平均粒径は、常法により算出される。
粒子の平均粒径は、例えば、SAXS測定により求めることができる。SAXS測定条件としては、例えば、X線回折装置(リガク製、型番:RINT−2500等)を用いて、X線出力を50kV、300mA等とし、ターゲットに銅を用い、大気中で測定する条件等が挙げられる。
粒子の平均粒径の算出方法の他の例は以下の通りである。まず、400,000倍又は1,000,000倍の透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;以下、TEMと称する。)画像において、ある1つの粒子について、当該粒子を球状と見なした際の粒径を算出する。このようなTEM観察による粒径の算出を、同じ種類の200〜300個の粒子について行い、これらの粒子の平均を平均粒径とする。
The average particle diameter of the particles in the present invention is calculated by a conventional method.
The average particle diameter of the particles can be determined by, for example, SAXS measurement. As SAXS measurement conditions, for example, an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku, model number: RINT-2500, etc.), X-ray output is set to 50 kV, 300 mA, etc., copper is used as a target, and measurement is performed in the atmosphere. Is mentioned.
Another example of the method for calculating the average particle diameter of the particles is as follows. First, in a transmission electron microscope (hereinafter referred to as TEM) image at a magnification of 400,000 times or 1,000,000 times, a particle when the particle is regarded as a spherical particle. Calculate the diameter. The calculation of the particle size by such TEM observation is performed on 200 to 300 particles of the same type, and the average of these particles is defined as the average particle size.

1−2.金属酸化物
本発明に用いられる金属酸化物は、炭素材料の表面に金属酸化物層として存在する。
本発明に用いられる金属酸化物層は、炭素材料の一部の表面を被覆することが好ましく、炭素材料の全表面を完全に被覆しないことが好ましい。上述したように、複合触媒の導電性を司る炭素材料を金属酸化物層により完全に被覆してしまうと、電子伝導に支障が生じるおそれがあるからである。
炭素材料に対する金属酸化物層の被覆率は、20〜99%であることが好ましい。炭素材料に対する金属酸化物層の被覆率が20%未満であるとすると、金属酸化物層の割合が少なすぎるため白金微粒子も少ないことになる。したがって、相対的に、複合触媒中の炭素材料の割合が増え、白金担持率が下がる。すると、膜・電極接合体を作製する際に、白金量を増やすため当該複合触媒を多く用いる結果、触媒層が厚くなり、触媒層中の酸素拡散が低下して、燃料電池の放電性能が下がるおそれがある。一方、炭素材料に対する金属酸化物層の被覆率が99%を超えるとすると、炭素材料表面が金属酸化物層で完全に覆い尽くされる結果、複合触媒間、及び、複合触媒と燃料電池内部の他の部材との間の導電性が維持できなくなるおそれがある。
1-2. Metal oxide The metal oxide used in the present invention exists as a metal oxide layer on the surface of the carbon material.
The metal oxide layer used in the present invention preferably covers a part of the surface of the carbon material, and preferably does not completely cover the entire surface of the carbon material. This is because, as described above, if the carbon material that controls the conductivity of the composite catalyst is completely covered with the metal oxide layer, there is a risk that electronic conduction may be hindered.
The coverage of the metal oxide layer with respect to the carbon material is preferably 20 to 99%. If the coverage of the metal oxide layer with respect to the carbon material is less than 20%, the proportion of the metal oxide layer is too small and the platinum fine particles are also small. Therefore, relatively, the proportion of the carbon material in the composite catalyst increases, and the platinum loading rate decreases. As a result, when the membrane / electrode assembly is produced, the composite catalyst is used in order to increase the amount of platinum. As a result, the catalyst layer becomes thick, oxygen diffusion in the catalyst layer decreases, and the discharge performance of the fuel cell decreases. There is a fear. On the other hand, if the coverage of the metal oxide layer on the carbon material exceeds 99%, the surface of the carbon material is completely covered with the metal oxide layer. There is a possibility that the electrical conductivity between the members cannot be maintained.

なお、ここでいう「炭素材料に対する金属酸化物層の被覆率」とは、炭素材料の全表面積を100%としたときの、金属酸化物層によって被覆されている炭素材料の表面積の割合のことを指す。当該被覆率を算出する方法の一例を以下説明する。まず、誘導結合プラズマ質量分析法(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry:ICP−MS)等により、複合触媒中の金属酸化物量(A)を測定する。一方で、TEM等により、複合触媒の平均粒径を測定する。測定した平均粒径から、その粒径の粒子が表面に有する原子の数を推定し、粒子表面の1原子層が金属酸化物に置き換わった場合の金属酸化物量(B)を推定する。金属酸化物量(A)を金属酸化物量(B)で除し、さらに100を乗じた値が、「炭素材料に対する金属酸化物層の被覆率(%)」となる。   The “coverage ratio of the metal oxide layer to the carbon material” as used herein refers to the ratio of the surface area of the carbon material covered with the metal oxide layer when the total surface area of the carbon material is 100%. Point to. An example of a method for calculating the coverage will be described below. First, the amount of metal oxide (A) in the composite catalyst is measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) or the like. On the other hand, the average particle diameter of the composite catalyst is measured by TEM or the like. From the measured average particle diameter, the number of atoms that the particle having the particle diameter has on the surface is estimated, and the amount of metal oxide (B) when one atomic layer on the particle surface is replaced with metal oxide is estimated. A value obtained by dividing the amount of metal oxide (A) by the amount of metal oxide (B) and multiplying by 100 is “the coverage ratio of the metal oxide layer to the carbon material (%)”.

金属酸化物層は、上述した白金微粒子の周囲を取り巻く。ここで、金属酸化物層が白金微粒子の周囲を取り巻く状態とは、金属酸化物層を構成する金属酸化物が白金微粒子を取り囲み、好ましくは金属酸化物層が白金微粒子の表面の一部を被覆しているが、金属酸化物層が白金微粒子全体を完全に覆うには至らず、白金微粒子の一部が複合触媒表面に現れている状態を指す。このように金属酸化物層が白金微粒子の周囲を取り巻くことにより、上述した導電チャンネルが形成されると共に、酸素等と反応できる白金の電気化学的比表面積(Electrochemical Surface Area;以下、ECSAと称する。)も確保される。   The metal oxide layer surrounds the platinum fine particles described above. Here, the state in which the metal oxide layer surrounds the platinum fine particles means that the metal oxide constituting the metal oxide layer surrounds the platinum fine particles, and preferably the metal oxide layer covers a part of the surface of the platinum fine particles. However, the metal oxide layer does not completely cover the entire platinum fine particles, and a part of the platinum fine particles appears on the composite catalyst surface. As described above, the metal oxide layer surrounds the periphery of the platinum fine particles, whereby the above-described conductive channel is formed and the electrochemical specific surface area of platinum that can react with oxygen or the like (Electrochemical Surface Area; hereinafter referred to as ECSA). ) Is also secured.

金属酸化物層の厚さは、白金微粒子の平均粒径未満であることが好ましい。金属酸化物層の厚さが白金微粒子の平均粒径以上である場合には、金属酸化物層に完全に埋もれ、複合触媒外部に現れない白金微粒子を含むこととなり、その結果、白金微粒子が酸素から遮断され、酸素還元反応の触媒活性が損なわれるおそれがあるからである。
白金触媒を用いる燃料電池の出力性能には、白金のECSAが強く影響する。燃料電池には、その用途にもよるが、一般的に、100m−Pt/m−MEA以上の白金の表面積が必要とされる。用いる白金の量や、用いるアイオノマの種類及び量にもよるが、仮に0.1mg−Pt/cm−MEAの目付けとする場合、白金のECSAは100m/g−Pt以上必要となる。白金微粒子の平均粒径が例えば1.5nm以下である場合には、ECSAは約200m/g−Ptである。白金微粒子の周囲を取り巻く金属酸化物層の厚みが0.6nmを超える場合には、酸素還元反応に関与できるECSAは100m/g−Pt未満となってしまう。
The thickness of the metal oxide layer is preferably less than the average particle size of the platinum fine particles. When the thickness of the metal oxide layer is equal to or greater than the average particle diameter of the platinum fine particles, the fine metal particles are completely buried in the metal oxide layer and contain platinum fine particles that do not appear outside the composite catalyst. This is because the catalytic activity of the oxygen reduction reaction may be impaired.
The output performance of a fuel cell using a platinum catalyst is strongly influenced by the ECSA of platinum. Fuel cells, depending on the application, typically are required surface area of 100m 2 -Pt / m 2 -MEA more platinum. Depending on the amount of platinum used and the type and amount of ionomer used, if the basis weight is 0.1 mg-Pt / cm 2 -MEA, the ECSA of platinum needs to be 100 m 2 / g-Pt or more. When the average particle diameter of the platinum fine particles is, for example, 1.5 nm or less, the ECSA is about 200 m 2 / g-Pt. When the thickness of the metal oxide layer surrounding the platinum fine particles exceeds 0.6 nm, ECSA that can participate in the oxygen reduction reaction is less than 100 m 2 / g-Pt.

白金微粒子が金属酸化物層に埋もれることなく、酸素還元能を発揮できるという観点から、金属酸化物層の厚さは、白金微粒子の平均粒径の20〜60%であることが好ましい。
金属酸化物層の厚さは、0.2〜0.6nmであることが好ましい。金属酸化物層の厚さが0.6nmを超える場合には、上述した白金微粒子の平均粒径との関係から、白金微粒子が金属酸化物層に埋もれすぎてしまい、白金のECSAが十分確保できなくなるおそれがある。また、金属酸化物層の厚さが0.2nm未満である場合には、金属酸化物の種類にもよるが、そもそも金属酸化物が化合物として存在できなくなるおそれがある。金属酸化物層の厚さは、0.3〜0.6nmであることがより好ましく、0.4〜0.6nmであることがさらに好ましい。同様の観点から、金属酸化物層の厚さは、単原子層以上、4原子層以下であることが好ましい。
From the viewpoint that the platinum fine particles can exhibit oxygen reducing ability without being buried in the metal oxide layer, the thickness of the metal oxide layer is preferably 20 to 60% of the average particle diameter of the platinum fine particles.
The thickness of the metal oxide layer is preferably 0.2 to 0.6 nm. When the thickness of the metal oxide layer exceeds 0.6 nm, the platinum fine particles are buried too much in the metal oxide layer due to the above-mentioned relationship with the average particle size of the platinum fine particles, so that sufficient ECSA of platinum can be secured. There is a risk of disappearing. Further, when the thickness of the metal oxide layer is less than 0.2 nm, the metal oxide may not be present as a compound in the first place depending on the type of the metal oxide. The thickness of the metal oxide layer is more preferably 0.3 to 0.6 nm, and further preferably 0.4 to 0.6 nm. From the same viewpoint, the thickness of the metal oxide layer is preferably a monoatomic layer or more and a tetraatomic layer or less.

ここで、金属酸化物層の厚さとは、例えば、複合触媒のTEM画像により得られる、任意の2点以上の部位における金属酸化物層の厚さの平均を指す。TEM測定の測定条件は以下の通りである。まず、UTW型Si(Li)半導体検出器を備えた電界放射型透過電子顕微鏡(日本電子製、型番:JEM−2100F等、Cs補正付属)を用いて、エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersion X−ray Spectrometry:EDS)によるスポット分析を行い、炭素材料中の炭素原子(C)に対する、金属酸化物層中の金属原子(M)の質量比(M/C)を算出する。質量比(M/C)から、幾何計算により、その測定点における金属酸化物層の厚さが算出できる。2点以上の測定点における金属酸化物層の厚さの平均を、その複合触媒における金属酸化物層の厚さとすることができる。   Here, the thickness of the metal oxide layer refers to, for example, the average thickness of the metal oxide layer at any two or more sites obtained from a TEM image of the composite catalyst. The measurement conditions for TEM measurement are as follows. First, energy dispersive X-ray spectroscopy (Energy Dispersion) using a field emission transmission electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model number: JEM-2100F, etc., with Cs correction) equipped with a UTW type Si (Li) semiconductor detector. Spot analysis by X-ray Spectrometry (EDS) is performed, and the mass ratio (M / C) of the metal atom (M) in the metal oxide layer to the carbon atom (C) in the carbon material is calculated. From the mass ratio (M / C), the thickness of the metal oxide layer at the measurement point can be calculated by geometric calculation. The average thickness of the metal oxide layer at two or more measurement points can be set as the thickness of the metal oxide layer in the composite catalyst.

金属酸化物層は、白金微粒子を介して、炭素材料の表面と複合触媒の表面との間で電子が導通可能な導電チャンネルを少なくとも1つ備える。導電チャンネルについては上述した通りである。
導電チャンネル内において、白金微粒子中の白金原子と、金属酸化物層中の金属酸化物とは結合を有する。
金属酸化物上において白金層を形成した例として、上述したU.Dieboldらの報告が知られている。しかし、白金とチタン自身との結合は、必ずしも強いものではない。
本発明においては、Strong Metal Support Interaction(以下、SMSIと称する。)効果を発現し、白金の比活性と耐久性がいずれも向上できるという観点から、金属酸化物の一部から酸素が部分的に除去された部分、いわゆる金属酸化物の酸素欠陥と、白金原子とが結合を有することが好ましい。
The metal oxide layer includes at least one conductive channel capable of conducting electrons between the surface of the carbon material and the surface of the composite catalyst via the platinum fine particles. The conductive channel is as described above.
In the conductive channel, the platinum atom in the platinum fine particle and the metal oxide in the metal oxide layer have a bond.
As an example in which a platinum layer is formed on a metal oxide, U.S. Pat. A report by Diebold et al. Is known. However, the bond between platinum and titanium itself is not necessarily strong.
In the present invention, from the standpoint that a strong metal support interaction (hereinafter referred to as SMSI) effect is exhibited and both the specific activity and durability of platinum can be improved, oxygen is partially absorbed from a part of the metal oxide. It is preferable that the removed portion, that is, a so-called metal oxide oxygen defect and a platinum atom have a bond.

本発明に好適に用いられる金属酸化物について、元素名及び化合物名を挙げて具体的に説明する。
チタン−水系の、25℃におけるpH−電位線図を参照すると分かるように、燃料電池の通常の運転環境におけるpH−電位条件(pH=0〜2、電位=0.4〜1.2V)下においては、チタンは酸化チタン(IV)(TiO)の状態で存在する。したがって、TiOを金属酸化物層に用いて製造した複合触媒については、燃料電池の通常の運転環境において金属酸化物層が溶出するおそれはない。スズ−水系、ニオブ−水系、及びタンタル−水系の、25℃におけるpH−電位線図についても同様である。すなわち、酸化スズ(IV)(SnO)、酸化ニオブ(V)(Nb)、又は酸化タンタル(V)(Ta)を金属酸化物層に用いて製造した複合触媒についても、燃料電池の通常の運転環境においては、金属酸化物層が溶出するおそれはない。
以上より、本発明に用いられる金属酸化物は、Ti、Sn、Nb、又はTaを含むことが好ましい。金属酸化物は、これらの元素の内1つのみを含むものであってもよいし、2以上含むものであってもよい。これらの元素を2以上含む例としては、TiNbが挙げられる。
また、本発明に用いられる金属酸化物は、TiO、SnO、Nb、又はTaであることが好ましい。特にTiO、SnO、Nb及びTaは、イオン性の化合物である。したがって、TiO、SnO、Nb及びTaは、それぞれの結晶表面及び結晶内部にイオン性の酸素欠陥を生じさせ、生じた酸素欠陥と白金原子とが結合することにより高い触媒能を発現することができる。本発明に用いられる金属酸化物層は、これら4種類の金属酸化物の内1種類のみを含むものであってもよいし、2種類以上含むものであってもよい。
The metal oxides suitably used in the present invention will be specifically described by giving element names and compound names.
As can be seen from the pH-potential diagram at 25 ° C. of the titanium-water system, under the pH-potential conditions (pH = 0-2, potential = 0.4-1.2 V) in the normal operating environment of the fuel cell In titanium, titanium exists in a state of titanium (IV) oxide (TiO 2 ). Therefore, for the composite catalyst produced using TiO 2 for the metal oxide layer, the metal oxide layer is not likely to elute in the normal operating environment of the fuel cell. The same applies to the pH-potential diagrams at 25 ° C. for tin-water, niobium-water, and tantalum-water systems. That is, also about the composite catalyst manufactured using tin oxide (IV) (SnO 2 ), niobium oxide (V) (Nb 2 O 5 ), or tantalum oxide (V) (Ta 2 O 5 ) for the metal oxide layer. In the normal operating environment of the fuel cell, there is no possibility that the metal oxide layer will elute.
As mentioned above, it is preferable that the metal oxide used for this invention contains Ti, Sn, Nb, or Ta. The metal oxide may contain only one of these elements, or may contain two or more. An example containing two or more of these elements is TiNb.
The metal oxides used in the present invention is preferably TiO 2, SnO 2, Nb 2 O 5, or Ta 2 O 5. In particular, TiO 2 , SnO 2 , Nb 2 O 5 and Ta 2 O 5 are ionic compounds. Therefore, TiO 2 , SnO 2 , Nb 2 O 5, and Ta 2 O 5 are high by causing ionic oxygen defects on the crystal surface and inside the crystal and bonding the generated oxygen defects and platinum atoms. Catalytic ability can be expressed. The metal oxide layer used in the present invention may include only one of these four types of metal oxides, or may include two or more types.

TiO、SnO、Ta及びNbについては、安定性の面で優劣はほとんどない。しかし、触媒活性の観点、酸素欠陥に配置された触媒元素への電子供与のしやすさの観点、及びコストの観点から、TiO及びSnOが、Ta又はNbに比べてさらに好ましく、さらに埋蔵量、産出量、人体への安全性、及び金属酸化物分散系(酸化物ゾル)の調製法が確立されているため安定供給が可能といった観点からも、TiO及びSnOがさらに好ましい。
以上より、本発明に用いられる金属酸化物は、Ti又はSnを含むことがさらに好ましい。また、本発明に用いられる金属酸化物は、TiO又はSnOであることがさらに好ましい。
特に、本発明に用いられる金属酸化物としてTiOを選択することは、Pdを含む従来の触媒よりもコスト面で大幅に有利である(Pd:700〜1000円/g、TiO:100円/kg)。
For TiO 2, SnO 2, Ta 2 O 5 and Nb 2 O 5, there is little superiority in terms of stability. However, from the viewpoint of catalytic activity, from the viewpoint of the ease of electron donation to the catalytic element arranged in the oxygen defect, and from the viewpoint of cost, TiO 2 and SnO 2 are compared with Ta 2 O 5 or Nb 2 O 5 . TiO 2 and SnO are also preferred from the standpoint that reserves, yields, safety to the human body, and metal oxide dispersions (oxide sols) have been established and stable supply is possible. 2 is more preferable.
As mentioned above, it is more preferable that the metal oxide used in the present invention contains Ti or Sn. The metal oxide used in the present invention is more preferably TiO 2 or SnO 2 .
In particular, the selection of TiO 2 as the metal oxide used in the present invention is significantly more advantageous in terms of cost than conventional catalysts containing Pd (Pd: 700 to 1000 yen / g, TiO 2 : 100 yen). / Kg).

図6は、白金原子−チタン原子間の結合について説明するための模式図である。図6の矢印11は、III価のチタンから白金への電子の流れを表す矢印である。
SMSI理論に基づくメカニズムによると、以下のことが分かる。すなわち、白金原子と結合を有するチタン原子は、通常、部分還元された不安定な価数の金属カチオン(Ti3+等)として存在する。Ti3+等の不安定な価数のカチオンは、通常、より安定な高い価数のカチオン(Ti4+)へと価数変化するため、結合先の白金へ電子を供給する。当該電子供与により、白金はゼロ価数の金属状態を保ちやすく、たとえ酸化されたとしても、低い不安定な価数の金属カチオン(Ti3+等)から電子が供給されることにより再びゼロ価に戻ると考えられる。
以上の原理より、金属酸化物の酸素欠陥と結合した白金原子は、通常のバルク白金と比較して、気相中から吸着した酸素との結合が弱いと推定される。したがって、白金原子に吸着した酸素は酸化物イオン(O2−)となりやすく、当該酸化物イオンはプロトン(H)と結合を形成することにより、水(HO)として容易に白金から脱離する。
このように、本発明に係る複合触媒は、特に、燃料電池のカソード極等で起こる酸素の還元反応を促進させる触媒活性が、従来の白金触媒と比較して格段に高いと考えられる。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a bond between a platinum atom and a titanium atom. An arrow 11 in FIG. 6 is an arrow representing the flow of electrons from trivalent titanium to platinum.
According to the mechanism based on the SMSI theory, the following can be understood. That is, a titanium atom having a bond with a platinum atom usually exists as a partially reduced unstable metal cation (such as Ti 3+ ). An unstable valence cation such as Ti 3+ usually changes its valence to a more stable high valence cation (Ti 4+ ), and thus supplies electrons to the platinum of the bond destination. By this electron donation, platinum is easily maintained in a metal state of zero valence, and even if oxidized, the electron is supplied from a metal cation (Ti 3+ or the like) having a low unstable valence to zero again. It is considered to return.
From the above principle, it is presumed that the platinum atom bonded to the oxygen defect of the metal oxide has a weak bond with oxygen adsorbed from the gas phase as compared with normal bulk platinum. Therefore, oxygen adsorbed on the platinum atom tends to be oxide ion (O 2− ), and the oxide ion forms a bond with proton (H + ), so that it can be easily desorbed from platinum as water (H 2 O). Release.
Thus, the composite catalyst according to the present invention is considered to have a particularly high catalytic activity for promoting the oxygen reduction reaction that occurs at the cathode electrode of the fuel cell as compared with the conventional platinum catalyst.

酸素欠陥を電荷補償するためには、金属酸化物中の金属イオンが複数の価数を有し、且つ、金属酸化物中の金属イオンの価数変化が小さいものがより好ましい。
下記表1は、チタン(Ti)、スズ(Sn)、ニオブ(Nb)、又はタンタル(Ta)の価数変化に伴う、SMSI理論に基づく白金の活性の順位(以下、SMSI順位と称する)、及び、第一原理計算結果に基づく白金の活性の順位(以下、第一原理計算順位と称する)をまとめた表である。なお、下記表1のSMSI順位は、X線光電子分光(X−ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)の電子束縛エネルギー(Eb値)の差から、安定性について順位をつけたものである。また、スズの第一原理計算は実施しなかったものの、実験による白金の比活性は、チタンを用いたときの方が、スズを用いたときよりも大きい。
In order to charge-compensate oxygen defects, it is more preferable that the metal ions in the metal oxide have a plurality of valences and the valence change of the metal ions in the metal oxide is small.
Table 1 below shows the ranking of platinum activity based on the SMSI theory (hereinafter referred to as the SMSI ranking) according to the valence change of titanium (Ti), tin (Sn), niobium (Nb), or tantalum (Ta). And it is the table | surface which put together the order | rank of platinum activity (henceforth a 1st principle calculation order | rank) based on the first principle calculation result. In addition, the SMSI ranking in the following Table 1 ranks the stability from the difference in the electron binding energy (Eb value) of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Moreover, although the first principle calculation of tin was not carried out, the specific activity of platinum by experiment is larger when titanium is used than when tin is used.

上記表1から、SMSI順位と、第一原理計算順位とは、ほぼ一致していることが分かる。したがって、金属酸化物に含まれる元素としては、Ti、Sn、Nb、Taの順に好ましい。また、本発明に用いられる金属酸化物は、TiO、SnO、Nb、Taの順に好ましい。 From Table 1 above, it can be seen that the SMSI ranking and the first-principle calculation ranking are almost the same. Therefore, the elements contained in the metal oxide are preferably Ti, Sn, Nb, and Ta in this order. The metal oxides used in the present invention is preferably in the order of TiO 2, SnO 2, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5.

SMSI効果は金属酸化物の結晶性にかかわらず発揮されるという観点から、本発明に用いられる金属酸化物は、結晶性であってもよく、非晶性(アモルファス)であってもよい。特に結晶性のTiOを用いる場合には、アナターセ型結晶がより好ましいが、ルチル型又はブルッカイト型結晶でもよい。 From the viewpoint that the SMSI effect is exhibited regardless of the crystallinity of the metal oxide, the metal oxide used in the present invention may be crystalline or amorphous. In particular, when crystalline TiO 2 is used, anatase type crystals are more preferable, but rutile type or brookite type crystals may be used.

1−3.炭素材料
炭素材料としては、具体的には、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、活性炭、メゾフェースカーボン、黒鉛、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック;種々の炭素原子を含む材料を炭化、賦活処理した活性炭;グラファイト化カーボン等のカーボンを主成分とするもの、カーボン繊維、多孔質カーボン微粒子、カーボンナノチューブ、カーボン多孔質体等を使用することができる。BET比表面積は、100〜2000m/gであることが好ましく、より好ましくは200〜1600m/gである。この範囲であれば、白金微粒子を高分散担持することができる。特に本発明においては、炭素材料として、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、活性炭、メゾフェースカーボン、黒鉛等のカーボンブラックを用いることが好ましい。これらの炭素材料は、白金微粒子を高分散担持することができるため、高い活性を有する複合触媒が得られる。
これらのカーボン担体は、1種類のみを用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。
1-3. Carbon materials Specific examples of carbon materials include acetylene black, furnace black, carbon black, activated carbon, mesophase carbon, graphite, channel black, and thermal black; carbonization and activation of materials containing various carbon atoms Treated activated carbon: carbon-based materials such as graphitized carbon, carbon fibers, porous carbon fine particles, carbon nanotubes, carbon porous bodies, and the like can be used. BET specific surface area is preferably 100-2000 m 2 / g, more preferably 200~1600m 2 / g. Within this range, platinum fine particles can be highly dispersed and supported. Particularly in the present invention, it is preferable to use carbon black such as acetylene black, furnace black, carbon black, activated carbon, mesophase carbon, graphite, etc. as the carbon material. Since these carbon materials can carry highly dispersed platinum fine particles, a composite catalyst having high activity can be obtained.
These carbon carriers may be used alone or in combination of two or more.

燃料電池で標準的に使用されている白金担持カーボンについては、コスト面を考慮すると、比活性と耐久性に優れるものの、平均粒径が大きい白金微粒子を使用することはできない。これは、平均粒径を大きくすると白金1g当りの表面積が減少するため、必要な白金表面積を確保しようとすると、より多くの白金が必要になることによる。
また、パラジウム等の貴金属をコアに用いたコア/シェル構造においては、白金は最表層の1〜3原子層に過ぎないため、白金1g当りの表面積は大きい。しかし、コスト面では内部の貴金属分も考慮しなければならず、白金微粒子と同様に平均粒径を大きくすることには限界がある。パラジウムコアを用いたコアシェル触媒の場合は、コスト面を考慮すると、平均粒径は6nm前後が好適であり、十分な耐久性を有する平均粒径10nmの場合には、コア/シェル構造のポテンシャルを十分に発揮できない。
With regard to platinum-supported carbon that is standardly used in fuel cells, platinum particles having a large average particle diameter cannot be used, although they are excellent in specific activity and durability in view of cost. This is because when the average particle size is increased, the surface area per 1 g of platinum is reduced, so that an attempt to secure the necessary platinum surface area requires more platinum.
Moreover, in the core / shell structure using a noble metal such as palladium as the core, platinum is only the outermost layer of 1 to 3 atoms, so that the surface area per 1 g of platinum is large. However, in terms of cost, internal noble metal content must also be taken into account, and there is a limit to increasing the average particle size as with the platinum fine particles. In the case of a core-shell catalyst using a palladium core, considering the cost, the average particle size is preferably around 6 nm. When the average particle size is 10 nm with sufficient durability, the potential of the core / shell structure is Cannot fully demonstrate.

一方、本発明に用いられる金属酸化物のコストは、貴金属のコストの1000分の1以下と極めて安価である。また、本発明に係る複合触媒の触媒性能は、白金微粒子の平均粒径(白金表面積)に依存する傾向があるものの、複合触媒全体の粒径にはそれほど依存しない。したがって、本発明に係る複合触媒は、貴金属をコアに用いたコアシェル触媒とは異なり、複合触媒全体で10nm以上の平均粒径であっても、触媒性能を十分に発揮することが原理的に可能である。
本発明に係る複合触媒の平均粒径は、炭素材料の平均粒径によって決定される。以下、本発明に係る複合触媒を、燃料電池の触媒層に用いる場合を仮定して説明する。実用的な燃料電池用担体カーボン(例えば、ketjenEC、VulcanXC−72等)の平均粒径は、最大でも30nm程度である。したがって、上述した白金微粒子の平均粒径及び金属酸化物層の厚みから鑑みて、本発明に係る複合触媒の平均粒径は30nm程度である。もっとも、平均粒径が30nmを超える炭素材料を用いれば、さらに複合触媒全体の平均粒径を大きくできるが、触媒層の厚みに背反がある。
On the other hand, the cost of the metal oxide used in the present invention is extremely low, being 1/1000 or less of the cost of the noble metal. Further, the catalytic performance of the composite catalyst according to the present invention tends to depend on the average particle diameter (platinum surface area) of the platinum fine particles, but does not depend so much on the particle diameter of the entire composite catalyst. Therefore, the composite catalyst according to the present invention is different in principle from the core-shell catalyst using a noble metal as a core, and in principle, it is possible to sufficiently exert the catalyst performance even if the overall composite catalyst has an average particle size of 10 nm or more. It is.
The average particle diameter of the composite catalyst according to the present invention is determined by the average particle diameter of the carbon material. Hereinafter, the case where the composite catalyst according to the present invention is used for a catalyst layer of a fuel cell will be described. The average particle diameter of practical carbon fuel carrier carbon (for example, ketjenEC, VulcanXC-72, etc.) is about 30 nm at the maximum. Therefore, in view of the average particle diameter of the platinum fine particles and the thickness of the metal oxide layer, the average particle diameter of the composite catalyst according to the present invention is about 30 nm. However, if a carbon material having an average particle diameter exceeding 30 nm is used, the average particle diameter of the entire composite catalyst can be further increased, but the thickness of the catalyst layer is contradictory.

図1は、本発明に係る複合触媒の典型例を模式的に示した断面図及びその拡大図である。なお、二重波線は図の省略を意味する。また、図1は、実際に使用される白金微粒子の粒径、金属酸化物層の厚さ、及び炭素材料の大きさを必ずしも忠実に反映した図とは限らない。
図1(a)は、本発明に係る複合触媒の典型例100の断面模式図である。本典型例100は、白金微粒子1、金属酸化物からなる金属酸化物層2、及び炭素材料3を含有する。炭素材料3の表面には、白金微粒子1が担持され、且つ、白金微粒子1の周囲を取り巻く金属酸化物層2が形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a typical example of a composite catalyst according to the present invention and an enlarged view thereof. The double wavy line means that the drawing is omitted. Moreover, FIG. 1 is not necessarily a figure that faithfully reflects the particle diameter of platinum particles actually used, the thickness of the metal oxide layer, and the size of the carbon material.
Fig.1 (a) is a cross-sectional schematic diagram of the typical example 100 of the composite catalyst based on this invention. The typical example 100 includes platinum fine particles 1, a metal oxide layer 2 made of a metal oxide, and a carbon material 3. On the surface of the carbon material 3, a platinum fine particle 1 is supported, and a metal oxide layer 2 surrounding the platinum fine particle 1 is formed.

図1(b)は、図1(a)中の一点鎖線で囲った枠4の拡大模式図である。白い両矢印は、電子の導通経路(導電経路)を示す。
図1(b)に示すように、白金微粒子中の白金原子(丸にPtで表す)と炭素材料3の表面とが電気的に接触している。金属酸化物層内には、白金微粒子を介して、炭素材料3の表面と複合触媒の表面とをつなぐ導電チャンネルが形成されている。さらに、導電チャンネル内において、金属酸化物中の金属イオン(丸にMで表す)に通常結合している酸素(丸にOで表す)のうち、少なくとも1つの酸素が部分還元によって取り除かれ、その取り除かれた部分に白金微粒子中の白金原子が配置されて、白金原子と金属イオンが隣接して結合を有する。
FIG. 1B is an enlarged schematic diagram of the frame 4 surrounded by the alternate long and short dash line in FIG. White double-headed arrows indicate electron conduction paths (conduction paths).
As shown in FIG. 1B, platinum atoms (represented by Pt in a circle) in the platinum fine particles and the surface of the carbon material 3 are in electrical contact. A conductive channel that connects the surface of the carbon material 3 and the surface of the composite catalyst is formed in the metal oxide layer through platinum fine particles. Further, in the conductive channel, at least one of oxygen (represented by O in the circle) that is normally bonded to a metal ion (represented by M in the circle) in the metal oxide is removed by partial reduction, Platinum atoms in the platinum fine particles are arranged in the removed portion, and the platinum atoms and metal ions are adjacent to each other and have a bond.

このように、本発明に係る複合触媒は、白金微粒子を用いることにより白金のECSAを大きくすると共に、当該白金微粒子中の白金原子を安価且つ化学的に安定な金属酸化物と結合させ、SMSI効果を付与することにより、従来の燃料電池用白金触媒よりも、優れた比活性及び触媒耐久性を発揮する。また、従来の白金合金触媒やコアシェル触媒のように、燃料電池作動環境下で不安定な金属を使用することがないため、優れた触媒活性及び耐久性を両立でき、さらに貴金属量を低減し製造コストを低減できる。   As described above, the composite catalyst according to the present invention increases the ECSA of platinum by using platinum fine particles, and combines the platinum atoms in the platinum fine particles with an inexpensive and chemically stable metal oxide, thereby improving the SMSI effect. By providing this, the specific activity and catalyst durability superior to those of conventional platinum catalysts for fuel cells are exhibited. In addition, unlike conventional platinum alloy catalysts and core-shell catalysts, there is no use of unstable metals in the fuel cell operating environment, so both excellent catalytic activity and durability can be achieved, and the amount of noble metals is further reduced. Cost can be reduced.

2.燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の製造方法
本発明の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の製造方法は、白金微粒子、金属酸化物、及び炭素材料を含有する、燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の製造方法であって、白金イオン溶液を準備する工程、前記金属酸化物の前駆体溶液を準備する工程、前記金属酸化物の前駆体溶液及び前記炭素材料を混合し、第1の混合液を調製する工程、前記第1の混合液及び前記白金イオン溶液を混合することにより、少なくとも、前記金属酸化物、前記炭素材料、及び白金イオンを含有する第2の混合液を調製する工程、前記第2の混合液に一酸化炭素をバブリングさせる工程、並びに、バブリング後の第2の混合液に還元剤を加え、白金微粒子を前記炭素材料の表面に析出させることにより、前記炭素材料の表面に、前記金属酸化物を含み且つ前記白金微粒子の周囲を取り巻く金属酸化物層を形成し、且つ、前記金属酸化物層中の、前記炭素材料の表面と前記複合触媒の表面との間に、前記白金微粒子を介した導電チャンネルを少なくとも1つ形成し、且つ、前記導電チャンネル内で、前記白金原子と前記金属酸化物との結合を形成する還元工程を有することを特徴とする。
2. Method for Producing Platinum / Metal Oxide Composite Catalyst for Fuel Cell The method for producing a platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell according to the present invention comprises platinum fine particles, a metal oxide, and a carbon material. A method for producing a metal oxide composite catalyst, comprising: preparing a platinum ion solution; preparing a precursor solution of the metal oxide; mixing the precursor solution of the metal oxide and the carbon material; Preparing a first mixed solution, and mixing the first mixed solution and the platinum ion solution to prepare a second mixed solution containing at least the metal oxide, the carbon material, and platinum ions. A step of bubbling carbon monoxide in the second mixed solution, and a reducing agent added to the second mixed solution after bubbling to precipitate platinum fine particles on the surface of the carbon material, Forming a metal oxide layer containing the metal oxide and surrounding the platinum fine particles on the surface of the carbon material; and the surface of the carbon material and the surface of the composite catalyst in the metal oxide layer And a reduction step of forming at least one conductive channel through the platinum fine particles and forming a bond between the platinum atom and the metal oxide in the conductive channel. To do.

本発明は、(1)白金イオン溶液を準備する工程、(2)金属酸化物の前駆体溶液を準備する工程、(3)第1の混合液を調製する工程、(4)第2の混合液を調製する工程、(5)COバブリング工程、及び(6)還元工程を有する。本発明は、必ずしも上記6工程のみに限定されることはなく、上記6工程以外にも、例えば、後述するようなろ過・洗浄工程、乾燥工程、粉砕工程、加熱工程、酸処理工程、及び電位処理工程等を有していてもよい。
以下、上記工程(1)〜(6)並びにその他の工程について、順に説明する。
The present invention includes (1) a step of preparing a platinum ion solution, (2) a step of preparing a precursor solution of a metal oxide, (3) a step of preparing a first mixed solution, and (4) a second mixing. A step of preparing a liquid, (5) a CO bubbling step, and (6) a reduction step. The present invention is not necessarily limited to the above six steps. In addition to the above six steps, for example, a filtration / washing step, a drying step, a pulverizing step, a heating step, an acid treatment step, and an electric potential as described below. You may have a processing process etc.
Hereinafter, the steps (1) to (6) and other steps will be described in order.

2−1.白金イオン溶液を準備する工程
本製造方法に用いられる白金イオン溶液は特に限定されないが、後述する金属酸化物の前駆体溶液の液性に合わせてpHを調整してもよい。すなわち、金属酸化物の前駆体溶液が酸性であれば、白金イオン溶液は予め酸性(pH:1〜5程度)としてもよい。また、金属酸化物の前駆体溶液が塩基性であれば、白金イオン溶液は予め塩基性(pH:9〜13程度)としてもよい。このように、金属酸化物の前駆体溶液の液性と白金イオン溶液の液性とを一致させることで、白金微粒子や金属酸化物の凝集を抑制できる。金属酸化物の前駆体溶液の液性と白金イオン溶液の液性とが異なると、中和熱により白金微粒子や金属酸化物の凝集が生じる場合がある。白金イオン溶液は予め調製したものを用いてもよいし、市販のものを用いてもよい。
白金イオン溶液中の白金イオン濃度は、製造する複合触媒中の白金量を予め計算した上で調整することが好ましい。
本工程の典型例は以下の通りである。すなわち、白金錯体の結晶を所望のpHの水溶液に溶解させ、白金イオン溶液を準備する。本工程に使用できる白金錯体としては、例えば、ヘキサヒドロキシ白金(IV)酸(H[Pt(OH)])、塩化白金酸(HPtCl・6HO)、テトラヒドロキシ白金(IV)酸(H[Pt(OH)])、塩化白金(IV)酸(H[PtCl])等が挙げられる。
2-1. Step of Preparing Platinum Ion Solution The platinum ion solution used in this production method is not particularly limited, but the pH may be adjusted according to the liquidity of the metal oxide precursor solution described later. That is, if the precursor solution of the metal oxide is acidic, the platinum ion solution may be previously acidic (pH: about 1 to 5). If the precursor solution of the metal oxide is basic, the platinum ion solution may be basic (pH: about 9 to 13) in advance. Thus, aggregation of platinum fine particles and metal oxides can be suppressed by matching the liquidity of the metal oxide precursor solution with the liquidity of the platinum ion solution. If the liquidity of the metal oxide precursor solution and the liquidity of the platinum ion solution are different, aggregation of platinum fine particles or metal oxide may occur due to heat of neutralization. A platinum ion solution prepared in advance may be used, or a commercially available one may be used.
The platinum ion concentration in the platinum ion solution is preferably adjusted after calculating in advance the amount of platinum in the composite catalyst to be produced.
A typical example of this step is as follows. That is, the platinum complex crystal is dissolved in an aqueous solution having a desired pH to prepare a platinum ion solution. Examples of the platinum complex that can be used in this step include hexahydroxyplatinum (IV) acid (H 2 [Pt (OH) 6 ]), chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .6H 2 O), and tetrahydroxyplatinum (IV ) Acid (H 2 [Pt (OH) 4 ]), platinum chloride (IV) acid (H 2 [PtCl 4 ]) and the like.

2−2.金属酸化物の前駆体溶液を準備する工程
本製造方法に用いられる金属酸化物の前駆体とは、本製造方法中のいずれかの工程において、金属酸化物へと変換される化合物を指す。金属酸化物の前駆体の例としては、当該金属酸化物に含まれる金属イオンを含む塩等が挙げられる。当該金属イオンを含む塩は、加水分解により金属酸化物へと変換することができる。
金属酸化物の前駆体溶液は、白金イオン溶液と混合することにより金属酸化物を生成できる溶液であれば、特に限定されない。金属酸化物の前駆体溶液は予め調製したものを用いてもよいし、市販のものを用いてもよい。
金属酸化物の前駆体溶液中の濃度は、製造する複合触媒中の金属酸化物量を予め計算した上で調整することが好ましい。
本工程の典型例は以下の通りである。すなわち、金属酸化物の前駆体の固体を所望のpHの水溶液に溶解させ、金属酸化物の前駆体溶液を準備する。本工程に使用できる金属酸化物の前駆体の固体は、結晶であってもよく、アモルファスの固体であってもよい。
2-2. Step of Preparing a Metal Oxide Precursor Solution The metal oxide precursor used in the production method refers to a compound that is converted into a metal oxide in any step in the production method. Examples of the metal oxide precursor include salts containing metal ions contained in the metal oxide. The salt containing the metal ion can be converted into a metal oxide by hydrolysis.
The precursor solution of the metal oxide is not particularly limited as long as it is a solution capable of generating a metal oxide by mixing with a platinum ion solution. A metal oxide precursor solution prepared in advance or a commercially available solution may be used.
The concentration of the metal oxide in the precursor solution is preferably adjusted after calculating in advance the amount of metal oxide in the composite catalyst to be produced.
A typical example of this step is as follows. That is, a metal oxide precursor solid is dissolved in an aqueous solution having a desired pH to prepare a metal oxide precursor solution. The metal oxide precursor solid that can be used in this step may be a crystal or an amorphous solid.

2−3.第1の混合液を調製する工程
本工程は、上述した金属酸化物の前駆体溶液、及び炭素材料を混合し、第1の混合液を調製する工程である。
本工程に使用できる炭素材料は、上記「1−3.炭素材料」の項で述べたとおりである。
金属酸化物の前駆体溶液及び炭素材料と共に、第1の混合液に界面活性剤を加えてもよい。界面活性剤を加えることにより、主に炭素材料の分散性を高めることができる。
2-3. Step of preparing first mixed solution This step is a step of preparing the first mixed liquid by mixing the above-described metal oxide precursor solution and the carbon material.
The carbon material that can be used in this step is as described in the above section “1-3. Carbon material”.
A surfactant may be added to the first mixed solution together with the metal oxide precursor solution and the carbon material. By adding the surfactant, the dispersibility of the carbon material can be mainly improved.

本発明に使用できる界面活性剤としては、例えば、オクチルフェノールポリ(エチレングリコールエーテル)(例えば、TritonX−100(商品名、ロシュ製)等)、ジ(2−エチルヘキシル)スルホコハク酸ナトリウム(AOT)、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ラウリン酸マグネシウム、カプリン酸亜鉛、ミリスチン酸亜鉛、ナトリウムフェニルステアレート、アルミニウムジカプリレート、テトライソアミルアンモニウムチオシアネート、n−オクタデシルトリn−ブチルアンモニウム蟻酸塩、n−アミルトリn−ブチルアンモニウムヨウ化物、ナトリウムジノニルナフタレンスルホネート、カルシウムセチルサルフェート、ドデシルアミンオレイン酸塩、ドデシルアミンプロピオン酸塩、セチルトリメチルアンモニウムブロマイド、ステアリルトリメチルアンモニウムブロマイド、セチルトリメチルアンモニウムクロライド、ステアリルトリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムブロマイド、オクタデシルトリメチルアンモニウムブロマイド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ジドデシルジメチルアンモニウムブロマイド、ジテトラデシルジメチルアンモニウムブロマイド、ジドデシルジメチルアンモニウムクロライド、ジテトラデシルジメチルアンモニウムクロライド、(2−オクチルオキシ−1−オクチルオキシメチル)ポリオキシエチレンエチルエーテル等が挙げられる。   Examples of the surfactant that can be used in the present invention include octylphenol poly (ethylene glycol ether) (for example, Triton X-100 (trade name, manufactured by Roche)), di (2-ethylhexyl) sodium sulfosuccinate (AOT), poly Oxyethylene nonylphenyl ether, magnesium laurate, zinc caprate, zinc myristate, sodium phenyl stearate, aluminum dicaprylate, tetraisoamylammonium thiocyanate, n-octadecyltri n-butylammonium formate, n-amyltrin-butyl Ammonium iodide, sodium dinonylnaphthalene sulfonate, calcium cetyl sulfate, dodecylamine oleate, dodecylamine propionate, cetyltrimethylan Nitrobromide, stearyltrimethylammonium bromide, cetyltrimethylammonium chloride, stearyltrimethylammonium chloride, dodecyltrimethylammonium bromide, octadecyltrimethylammonium bromide, dodecyltrimethylammonium chloride, octadecyltrimethylammonium chloride, didodecyldimethylammonium bromide, ditetradecyldimethylammonium bromide , Didodecyldimethylammonium chloride, ditetradecyldimethylammonium chloride, (2-octyloxy-1-octyloxymethyl) polyoxyethylene ethyl ether, and the like.

本発明においては、金属酸化物の前駆体及び炭素材料の分散性をより高めるために、超音波ホモジナイザー等を用いてもよい。なお、ホモジナイズ処理により第1の混合液の液温が上昇した場合には、炭素材料が再度凝集するおそれがあるため、ホモジナイズ処理後に冷却することが好ましい。   In the present invention, an ultrasonic homogenizer or the like may be used in order to further improve the dispersibility of the metal oxide precursor and the carbon material. In addition, when the liquid temperature of a 1st liquid mixture rises by a homogenization process, since there exists a possibility that a carbon material may aggregate again, it is preferable to cool after a homogenization process.

2−4.第2の混合液を調製する工程
本工程は、上述した第1の混合液及び白金イオン溶液を混合することにより、少なくとも、金属酸化物、炭素材料、及び白金イオンを含有する第2の混合液を調製する工程である。
本工程においては、第1の混合液と白金イオン溶液との混合速度は、可能な限り遅い方が好ましい。例えば、第1の混合液が酸性であり、白金イオン溶液が塩基性である場合には、混合時に発生した中和熱により、金属酸化物の前駆体、白金イオン、及び炭素材料が凝集するおそれがあるからである。第1の混合液と白金イオン溶液との混合速度を遅くする方法としては、例えば、第1の混合液に、白金イオン溶液をゆっくり滴下する方法、またはその逆に、白金イオン溶液に第1の混合液をゆっくり滴下する方法等が挙げられる。
2-4. Step of preparing the second mixed solution In this step, the second mixed solution containing at least a metal oxide, a carbon material, and platinum ions is obtained by mixing the first mixed solution and the platinum ion solution described above. Is a step of preparing
In this step, the mixing speed of the first mixed solution and the platinum ion solution is preferably as slow as possible. For example, when the first mixed solution is acidic and the platinum ion solution is basic, the metal oxide precursor, platinum ions, and the carbon material may aggregate due to the heat of neutralization generated during mixing. Because there is. As a method of slowing the mixing speed of the first mixed solution and the platinum ion solution, for example, a method of slowly dropping the platinum ion solution into the first mixed solution, or vice versa, Examples include a method of slowly dropping the mixed solution.

白金イオン溶液と混ざることにより、金属酸化物の前駆体は金属酸化物へと変換される。金属酸化物の前駆体が、当該金属酸化物に含まれる金属イオンを含む塩である場合には、白金イオン溶液が酸又は塩基となって、加水分解により金属酸化物へと変換される。なお、本工程において、金属酸化物の一部又は全部が、炭素材料表面に金属酸化物層となって析出してもよい。   By mixing with the platinum ion solution, the precursor of the metal oxide is converted into the metal oxide. When the precursor of a metal oxide is a salt containing a metal ion contained in the metal oxide, the platinum ion solution becomes an acid or a base and is converted into a metal oxide by hydrolysis. In this step, part or all of the metal oxide may be deposited as a metal oxide layer on the surface of the carbon material.

第2の混合液を調製する工程前に、第1の混合液に塩基を加えて、金属酸化物の前駆体の一部又は全部を金属酸化物に変換する工程を有していてもよい。このように、第1の混合液に予め塩基を加えることにより、金属酸化物の凝集を抑制し、その結果得られる金属酸化物層の厚みが薄くなり、白金微粒子の導通が確保しやすくなって、白金のECSAを大きくすることができる。
使用できる塩基としては、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(NaOH)等及びこれらの水溶液や、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)等が挙げられる。これらの塩基は、1種類のみ用いてもよいし、2種類以上組み合わせて用いてもよい。
Before the step of preparing the second mixed solution, a step of adding a base to the first mixed solution to convert a part or all of the precursor of the metal oxide into a metal oxide may be included. In this way, by adding a base to the first mixed solution in advance, the aggregation of the metal oxide is suppressed, and as a result, the thickness of the resulting metal oxide layer is reduced, and the conduction of the platinum fine particles is easily ensured. The ECSA of platinum can be increased.
Examples of the base that can be used include sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (NaOH) and the like, aqueous solutions thereof, sodium borohydride (NaBH 4 ) and the like. These bases may be used alone or in combination of two or more.

2−5.COバブリング工程
本工程は、上述した第2の混合液に一酸化炭素をバブリングさせる工程である。
本工程において、白金イオンに一酸化炭素を配位させることにより、白金イオンが互いに凝集することを防ぎ、より粒径の小さい白金微粒子を得ることができる。
一酸化炭素の濃度は特に限定されないが、安全上の観点から、10〜30%程度が好ましい。COバブリング時間は特に限定されないが、生産性の観点から30分間〜2時間程度が好ましい。
2-5. CO Bubbling Step This step is a step of bubbling carbon monoxide in the second mixed liquid described above.
In this step, by coordinating carbon monoxide to platinum ions, platinum ions can be prevented from aggregating with each other, and platinum fine particles having a smaller particle diameter can be obtained.
The concentration of carbon monoxide is not particularly limited, but is preferably about 10 to 30% from the viewpoint of safety. The CO bubbling time is not particularly limited, but is preferably about 30 minutes to 2 hours from the viewpoint of productivity.

2−6.還元工程
本工程は、バブリング後の第2の混合液に還元剤を加え、白金微粒子を炭素材料の表面に析出させることにより、当該炭素材料の表面に、金属酸化物を含み且つ白金微粒子の周囲を取り巻く金属酸化物層を形成し、且つ、金属酸化物層中の、炭素材料の表面と複合触媒の表面との間に、白金微粒子を介した導電チャンネルを少なくとも1つ形成し、且つ、当該導電チャンネル内で、白金原子と金属酸化物との結合を形成する工程である。
2-6. Reduction step In this step, a reducing agent is added to the second liquid mixture after bubbling, and platinum fine particles are precipitated on the surface of the carbon material, so that the surface of the carbon material contains a metal oxide and surrounds the platinum fine particles. And at least one conductive channel through platinum fine particles is formed between the surface of the carbon material and the surface of the composite catalyst in the metal oxide layer, and This is a step of forming a bond between a platinum atom and a metal oxide in a conductive channel.

本工程においては、還元剤の添加により、炭素材料表面への白金微粒子の付着(好ましくは担持)と、炭素材料表面への金属酸化物層の形成が進行する。白金微粒子の付着と金属酸化物層の形成は、同時に進行してもよいし、白金微粒子が炭素材料表面に付着した後に金属酸化物層が形成されてもよいし、金属酸化物層が形成された後に白金微粒子が炭素材料表面に付着してもよい。
金属酸化物層が炭素材料表面に形成された後に白金微粒子が付着する場合については、いくつかの態様が考えられる。例えば、金属酸化物層同士の隙間の炭素表面上に白金微粒子が付着する態様や、一度形成された金属酸化物層を貫通するように白金微粒子が析出する態様等である。
なお、金属酸化物層が2nm以下と十分に薄い場合には、白金微粒子が炭素材料表面に直接接していなくても、電子の導通は確保できる。
In this step, by adding a reducing agent, adhesion (preferably supporting) of platinum fine particles to the surface of the carbon material and formation of a metal oxide layer on the surface of the carbon material proceed. The adhesion of the platinum fine particles and the formation of the metal oxide layer may proceed at the same time, the metal oxide layer may be formed after the platinum fine particles adhere to the surface of the carbon material, or the metal oxide layer is formed. After that, platinum fine particles may adhere to the surface of the carbon material.
When the fine platinum particles adhere after the metal oxide layer is formed on the surface of the carbon material, several modes are conceivable. For example, there are an aspect in which platinum fine particles adhere to the carbon surface in the gap between the metal oxide layers, and an aspect in which platinum fine particles are deposited so as to penetrate the metal oxide layer once formed.
When the metal oxide layer is sufficiently thin as 2 nm or less, conduction of electrons can be ensured even if the platinum fine particles are not in direct contact with the surface of the carbon material.

炭素材料表面へ白金微粒子が付着して、炭素材料−白金微粒子間の導電性が確保され、さらに金属酸化物層が白金微粒子の周囲を取り巻くように形成されることは、上述した図1に示すように、金属酸化物層中に導電チャンネルが形成されることを意味する。この導電チャンネルは、炭素材料の表面と複合触媒表面との間の電子の導通を確保する経路である。
さらに、導電チャンネル内では、白金原子と金属酸化物との結合が形成される。当該結合、特に白金原子と金属酸化物の酸素欠陥との結合については、上記「1−2.金属酸化物」の項で述べたとおりである。
As shown in FIG. 1 described above, the platinum fine particles adhere to the surface of the carbon material, conductivity between the carbon material and the platinum fine particles is ensured, and the metal oxide layer is formed so as to surround the platinum fine particles. Thus, it means that a conductive channel is formed in the metal oxide layer. This conductive channel is a path that ensures conduction of electrons between the surface of the carbon material and the surface of the composite catalyst.
Furthermore, a bond between a platinum atom and a metal oxide is formed in the conductive channel. The bond, particularly the bond between the platinum atom and the oxygen defect of the metal oxide is as described in the above section “1-2. Metal oxide”.

もっとも、本工程において、炭素材料表面に析出した全ての白金微粒子が、金属酸化物層によって取り囲まれ、且つ金属酸化物と結合を有するとは限らない。すなわち、炭素材料表面には、白金微粒子のみが析出し、当該白金微粒子の近傍に金属酸化物層が形成されていない部分もあると考えられる。
しかし、金属酸化物は非晶性であり且つ表面に多数の官能基、例えば、ペルオキシド基(−OOH)、水酸基(−OH)等を有する。したがって、白金イオンは炭素材料よりも金属酸化物に吸着しやすいため、金属酸化物層が形成された炭素材料表面及び金属酸化物層近傍の炭素材料表面に優先的に白金微粒子が析出すると考えられる。
本工程において、白金微粒子のみが析出し、当該白金微粒子の近傍に金属酸化物層が形成されていない部分は、炭素材料の全表面積のうち5%以下であることが好ましく、1%以下であることがより好ましい。
However, in this step, not all platinum fine particles deposited on the surface of the carbon material are surrounded by the metal oxide layer and do not necessarily have a bond with the metal oxide. That is, it is considered that only platinum fine particles are deposited on the surface of the carbon material, and there is a portion where the metal oxide layer is not formed in the vicinity of the platinum fine particles.
However, the metal oxide is amorphous and has a large number of functional groups such as a peroxide group (—OOH) and a hydroxyl group (—OH) on the surface. Therefore, platinum ions are more likely to be adsorbed to the metal oxide than the carbon material, and it is considered that platinum fine particles are preferentially deposited on the surface of the carbon material on which the metal oxide layer is formed and on the surface of the carbon material in the vicinity of the metal oxide layer. .
In this step, only the platinum fine particles are precipitated, and the portion where the metal oxide layer is not formed in the vicinity of the platinum fine particles is preferably 5% or less of the total surface area of the carbon material, and preferably 1% or less. It is more preferable.

本工程において使用できる還元剤としては、還元力の強い還元剤であれば特に限定されず、例えば、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)、水素、ヒドラジン、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、L−アスコルビン酸、ホルムアルデヒド等が挙げられる。これらの還元剤は、1種類のみを用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
本工程においては、還元剤の使用と共に、析出する白金微粒子の分散性を高めるという観点から、COバブリングを行ってもよい。COバブリングに用いられる一酸化炭素の濃度及びCOバブリング時間は、上述した通りである。
The reducing agent that can be used in this step is not particularly limited as long as it is a reducing agent having a strong reducing power. For example, sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrogen, hydrazine, sodium thiosulfate, citric acid, sodium citrate, Examples include L-ascorbic acid and formaldehyde. These reducing agents may be used alone or in combination of two or more.
In this step, CO bubbling may be performed from the viewpoint of enhancing the dispersibility of the precipitated platinum fine particles together with the use of a reducing agent. The concentration of carbon monoxide used for CO bubbling and the CO bubbling time are as described above.

2−7.その他の工程
還元工程後には、得られた複合触媒のろ過・洗浄、乾燥、粉砕、加熱、酸処理、及び電位処理等を行ってもよい。
複合触媒のろ過・洗浄は、製造された複合触媒の構造を損なうことなく、不純物を除去できる方法であれば特に限定されない。当該ろ過・洗浄の例としては、蒸留水を溶媒にして、ろ紙(Whatman社製、#42)やPTFEメンブレンフィルター(0.25μm)等を用いて吸引ろ過して分離する方法が挙げられる。また、得られたろ過物を、さらに蒸留水や、NHCO水溶液等により洗浄してもよい。
複合触媒の乾燥は、溶媒等を除去できる方法であれば特に限定されない。当該乾燥の例としては、60〜100℃の温度条件下、10〜24時間真空乾燥する方法が挙げられる。
複合触媒の粉砕は、固形物を粉砕できる方法であれば特に限定されない。当該粉砕の例としては、乳鉢等を用いた粉砕や、ボールミル、ターボミル、メカノフュージョン、ディスクミル等のメカニカルミリングが挙げられる。
2-7. Other Steps After the reduction step, the obtained composite catalyst may be subjected to filtration / washing, drying, pulverization, heating, acid treatment, potential treatment, and the like.
The filtration / washing of the composite catalyst is not particularly limited as long as it is a method capable of removing impurities without impairing the structure of the produced composite catalyst. Examples of the filtration / washing include a method of separating by suction filtration using a filter paper (Whatman, # 42), PTFE membrane filter (0.25 μm), etc. using distilled water as a solvent. Moreover, the obtained filtrate, further or distilled water, may be washed by NH 4 CO 3 aqueous solution and the like.
The drying of the composite catalyst is not particularly limited as long as the method can remove the solvent and the like. Examples of the drying include a method of vacuum drying for 10 to 24 hours under a temperature condition of 60 to 100 ° C.
The pulverization of the composite catalyst is not particularly limited as long as the solid catalyst can be pulverized. Examples of the pulverization include pulverization using a mortar and the like, and mechanical milling such as a ball mill, a turbo mill, a mechanofusion, and a disk mill.

複合触媒の加熱は、製造された複合触媒の構造を損なうことなく、不純物を除去できる方法であれば特に限定されない。本工程で行う加熱は、焼成であることが好ましい。
焼成の具体例は下記の通りである。なお、加熱条件は下記のみに限定されない。
雰囲気:不活性ガス(アルゴン等)を30〜120分間パージする。
温度:150〜1000℃、好ましくは200〜900℃
昇温条件:室温から上記温度まで、30〜120分かけて昇温する。
保持条件:上記温度のまま30〜120分間保持する。
The heating of the composite catalyst is not particularly limited as long as it can remove impurities without impairing the structure of the manufactured composite catalyst. The heating performed in this step is preferably baking.
Specific examples of the firing are as follows. The heating conditions are not limited to the following.
Atmosphere: Purge with inert gas (such as argon) for 30-120 minutes.
Temperature: 150-1000 ° C, preferably 200-900 ° C
Temperature raising condition: The temperature is raised from room temperature to the above temperature over 30 to 120 minutes.
Holding conditions: Hold at the above temperature for 30 to 120 minutes.

本発明により得られる複合触媒は、白金微粒子を活性化させるために、酸処理や電位処理を施してもよい。
図7(a)は、後述する比較例2の製造方法に基づいて、焼成温度500℃、600℃及び700℃の条件でそれぞれ焼成を行った触媒のXRDスペクトルの一部である。図7(a)から分かるように、焼成温度500℃のスペクトルにおける2θ=40°のピーク(Pt(111)を表すピーク)は、焼成温度700℃のスペクトルにおいてはほぼ消失している。一方、図7(a)から、焼成温度500℃のスペクトルにおいては全く現れない2θ=30°のピーク(PtS(002)(101)を表すピーク)は、焼成温度700℃のスペクトルにおいて強い強度で現れることが分かる。これらの結果は、焼成温度を上げることにより、白金の一部がPtSになり、白金が酸化されることを示す。したがって、高温焼成後の触媒について正しい電気化学評価を行うためには、白金の清浄が必要であることが分かる。
The composite catalyst obtained by the present invention may be subjected to acid treatment or potential treatment in order to activate the platinum fine particles.
FIG. 7 (a) is a part of the XRD spectrum of a catalyst that was calcined under the conditions of calcining temperatures of 500 ° C., 600 ° C., and 700 ° C. based on the production method of Comparative Example 2 described later. As can be seen from FIG. 7A, the peak at 2θ = 40 ° in the spectrum at the firing temperature of 500 ° C. (the peak representing Pt (111)) has almost disappeared in the spectrum at the firing temperature of 700 ° C. On the other hand, from FIG. 7A, a peak at 2θ = 30 ° (a peak representing PtS (002) (101)) which does not appear at all in the spectrum at the firing temperature of 500 ° C. is strong in the spectrum at the firing temperature of 700 ° C. You can see it. These results show that a part of platinum becomes PtS and platinum is oxidized by raising the firing temperature. Therefore, it can be seen that platinum needs to be cleaned in order to perform a correct electrochemical evaluation of the catalyst after the high-temperature calcination.

酸処理に使用できる酸は、得られた複合触媒の構造を損なうものでなければ特に限定されず、例えば、過塩素酸、塩酸、硝酸等が使用できる。酸処理は、これらの酸に複合触媒を所定時間浸漬させることにより完了する。
電位処理には、通常の電気化学セルが使用できる。電気化学セルには、回転ディスク電極を用いることが好ましい。電気化学セルには、上記酸処理に用いられる酸が使用できる。
図7(b)は、電位掃引範囲0.05〜1.2V(vsRHE)、電位掃引速度100mV/秒で電位を120サイクル掃引した結果を示すサイクリックボルタモグラム(以下、CVと称することがある)である。図7(b)においては、外側のボルタモグラムであるほど、サイクル数がより多いボルタモグラムを表す。図7(b)から分かるように、電位処理を繰り返すことで白金のピークが明確になることが分かる。
なお、白金の清浄が完了した後も上記電位処理を延長して行うと、白金微粒子が溶解するおそれがある。
The acid that can be used for the acid treatment is not particularly limited as long as it does not impair the structure of the obtained composite catalyst. For example, perchloric acid, hydrochloric acid, nitric acid and the like can be used. The acid treatment is completed by immersing the composite catalyst in these acids for a predetermined time.
A normal electrochemical cell can be used for the potential treatment. The electrochemical cell preferably uses a rotating disk electrode. The acid used for the said acid treatment can be used for an electrochemical cell.
FIG. 7B is a cyclic voltammogram showing the result of sweeping the potential for 120 cycles at a potential sweep range of 0.05 to 1.2 V (vs RHE) and a potential sweep rate of 100 mV / sec (hereinafter sometimes referred to as CV). It is. In FIG. 7B, the outer voltammogram represents a voltammogram having a larger number of cycles. As can be seen from FIG. 7B, it can be seen that the peak of platinum becomes clear by repeating the potential treatment.
Note that if the potential treatment is extended after the platinum cleaning is completed, the platinum fine particles may be dissolved.

以下、図を用いて本発明の製造方法を説明する。図2は、本発明に係る製造方法において、第2の混合液を調製する工程から、還元工程までの、炭素材料表面の構造を示した模式図である。ただし、この図は、あくまでも本製造方法の1つの態様を示すものである。また、図2は、実際に使用される炭素材料、金属(又はそのイオン)、及び化合物の大きさを必ずしも忠実に反映した図とは限らない。
図2(a)は、第1の混合液(金属酸化物の前駆体溶液及び炭素材料を含む)及び白金イオン溶液を混合した直後の炭素材料表面の構造を示した模式図である。炭素材料3上には、金属イオン(丸にM4+で表す)及び白金イオン(丸にPt4+で表す)が分散している。なお、図の都合上、界面活性剤その他の添加物は省略する。
図2(b)は、第1の混合液及び白金イオン溶液を混合して所定時間経過した後の炭素材料表面の構造を示した模式図である。混合物内のpHにより、金属イオンは金属酸化物(酸素原子を丸にOで表し、金属原子を丸にMで表す)に変換される一方、白金はイオンの状態を保つ。
図2(c)は、COバブリング後の炭素材料表面の構造を示した模式図である。バブリングされたCO(炭素原子を丸にCで表す)が白金に配位し、一時的に白金のカルボニル錯体が生成することにより、白金微粒子同士の凝集が起きにくくなる。
図2(d)は、還元工程後の炭素材料表面の構造を示した模式図である。白金イオンが白金に還元されることにより、図に示すように金属酸化物の酸素欠陥(−O−M)と白金原子(Pt)とが結合し、本発明に係る複合触媒が生成される。
Hereafter, the manufacturing method of this invention is demonstrated using figures. FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the surface of the carbon material from the step of preparing the second mixed solution to the reduction step in the manufacturing method according to the present invention. However, this figure shows only one aspect of this manufacturing method. Further, FIG. 2 is not necessarily a diagram that faithfully reflects the size of the carbon material, metal (or its ions), and compound that are actually used.
FIG. 2A is a schematic view showing the structure of the surface of the carbon material immediately after mixing the first mixed solution (including the metal oxide precursor solution and the carbon material) and the platinum ion solution. Metal ions (represented by M 4+ in a circle) and platinum ions (represented by Pt 4+ in a circle) are dispersed on the carbon material 3. For convenience of illustration, the surfactant and other additives are omitted.
FIG. 2B is a schematic view showing the structure of the surface of the carbon material after a predetermined time has elapsed after mixing the first mixed solution and the platinum ion solution. Depending on the pH in the mixture, metal ions are converted into metal oxides (oxygen atoms are represented by O in circles and metal atoms are represented by M in circles), while platinum remains in an ionic state.
FIG.2 (c) is the schematic diagram which showed the structure of the carbon material surface after CO bubbling. Bubbled CO (carbon atoms are represented by C in a circle) coordinates to platinum, and a carbonyl complex of platinum is temporarily generated, so that aggregation of platinum fine particles is difficult to occur.
FIG. 2D is a schematic diagram showing the structure of the carbon material surface after the reduction process. When the platinum ions are reduced to platinum, as shown in the figure, oxygen defects (-OM) and platinum atoms (Pt) of the metal oxide are bonded to produce a composite catalyst according to the present invention.

以下に、本発明の具体的態様を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、これらの実施例によって限定されるものではない。   Specific embodiments of the present invention will be described below in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples unless it exceeds the gist.

1.燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の製造
[実施例1]
まず、塩化チタン(IV)溶液(和光純薬工業製、製品番号:203−08955、Ti:16〜17質量%)6.465gを、200mLの超純水に溶解させ、チタン水溶液を調製した。次に、当該水溶液にketjenカーボン粉末を5g、界面活性剤(TritonX−100(商品名、ロシュ製))を蒸留水で1:10に希釈したもの)を数滴、順次加えた。混合物を攪拌しながら、超音波ホモジナイザーで300W、30分間分散させた後、室温まで冷却し、チタン・カーボン分散液を調製した。
一方、ヘキサヒドロキシ白金酸(キャタラー製)の結晶を、塩基性溶液に溶解して、白金イオン溶液(Pt量:4.214g相当、pH:9〜12程度)を調製した。
チタン・カーボン分散液を攪拌しながら、白金イオン溶液82gを滴下ロートでゆっくり少しずつ滴下し、酸化チタン・白金・カーボン分散液を調製した。
1. Production of platinum / metal oxide composite catalyst for fuel cell [Example 1]
First, 6.465 g of titanium (IV) chloride solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, product number: 203-08955, Ti: 16 to 17% by mass) was dissolved in 200 mL of ultrapure water to prepare a titanium aqueous solution. Next, 5 g of ketjen carbon powder and a few drops of a surfactant (Triton X-100 (trade name, manufactured by Roche)) diluted 1:10 with distilled water were sequentially added to the aqueous solution. While stirring the mixture, the mixture was dispersed with an ultrasonic homogenizer at 300 W for 30 minutes, and then cooled to room temperature to prepare a titanium-carbon dispersion.
On the other hand, crystals of hexahydroxyplatinic acid (Cataler) were dissolved in a basic solution to prepare a platinum ion solution (Pt amount: equivalent to 4.214 g, pH: about 9 to 12).
While stirring the titanium / carbon dispersion, 82 g of a platinum ion solution was slowly dropped little by little with a dropping funnel to prepare a titanium oxide / platinum / carbon dispersion.

図8は、COバブリングに用いた反応装置を示した模式図である。
COは、COガスキャビネット30に保管されたCOガスボンベ31から供給した。COガスボンベ31は、SUS製ライン32を介して、ドラフト33内のバルブ34と連結した。ドラフトのシャッターを下まで降ろして、シャッターと実験台の間に隙間を空けないようにした。また、ドラフト33にはCO検知器35を設置し、且つ、シャッターの下部に吹き流し36を設けて、ドラフト33からのCOガス漏れに備えた。ガス流量計37の表示を基に、バルブ34によりCOガス流量を適宜調節した。フレキシブルホース等を通じて、COガスをスターラ38上の反応容器39に導入し、反応溶液へのCOバブリングを行った。バブリングを終えたCOは、バブラー40を通じ、ドラフト上方の排気口を経てドラフト外へと排気するようにした。なお、COバブリング中はバブラー40を常に監視し、バブラー40中の気泡に異変が生じた際にはCOガス漏れを警戒するようにした。
得られた酸化チタン・白金・カーボン分散液中に、図8に示す装置を用いて、20%COを60分間バブリングした。
COバブリング後の分散液に水素化ホウ素ナトリウム(NaBH;以下、SBHと称する場合がある。)1.67gを加え、さらにCOバブリングしながら60分間攪拌した。その後、分散液をPTFEメンブレンフィルター(0.25μm)でろ過し、得られたろ過物を200mLのNHCO水溶液(濃度:6.43mg/L)に加え、加熱せずに30分間攪拌した。中和後のろ過物を80℃の超純水で繰り返し洗浄し、得られた固体を1日真空乾燥した。
FIG. 8 is a schematic view showing a reactor used for CO bubbling.
CO was supplied from a CO gas cylinder 31 stored in the CO gas cabinet 30. The CO gas cylinder 31 was connected to a valve 34 in the draft 33 via a SUS line 32. The draft shutter was lowered to prevent gaps between the shutter and the experimental table. In addition, a CO detector 35 was installed in the draft 33, and a blow-off 36 was provided in the lower part of the shutter to prepare for CO gas leakage from the draft 33. Based on the display of the gas flow meter 37, the CO gas flow rate was appropriately adjusted by the valve 34. CO gas was introduced into the reaction vessel 39 on the stirrer 38 through a flexible hose and the like, and CO bubbling into the reaction solution was performed. The CO after the bubbling was exhausted to the outside of the draft through the bubbler 40 through the exhaust port above the draft. Note that the bubbler 40 was constantly monitored during CO bubbling, and when gas bubbles in the bubbler 40 changed, the CO gas leakage was warned.
Using the apparatus shown in FIG. 8, 20% CO was bubbled into the obtained titanium oxide / platinum / carbon dispersion for 60 minutes.
1.67 g of sodium borohydride (NaBH 4 ; hereinafter may be referred to as SBH) was added to the dispersion after CO bubbling, and the mixture was further stirred for 60 minutes while CO bubbling. Thereafter, the dispersion was filtered through a PTFE membrane filter (0.25 μm), and the obtained filtrate was added to 200 mL of NH 4 CO 3 aqueous solution (concentration: 6.43 mg / L) and stirred for 30 minutes without heating. . The neutralized filtrate was repeatedly washed with ultrapure water at 80 ° C., and the resulting solid was vacuum-dried for 1 day.

真空乾燥した固体を、石英セルに加え、管状炉に設置した。管内をG1アルゴンガス100%で置換した(流量=750mL/min、置換時間:60分間)。アルゴン置換後、管内の温度を60分かけて250℃にまで上げ、250℃のまま60分間保持した。焼成後、室温まで冷却し、実施例1の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒を製造した。   The vacuum-dried solid was added to the quartz cell and placed in a tubular furnace. The inside of the tube was replaced with 100% G1 argon gas (flow rate = 750 mL / min, replacement time: 60 minutes). After the replacement with argon, the temperature in the tube was increased to 250 ° C. over 60 minutes and maintained at 250 ° C. for 60 minutes. After firing, the mixture was cooled to room temperature, and a platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell of Example 1 was produced.

[実施例2]
まず、塩化チタン(IV)溶液(和光純薬工業製、製品番号:203−08955、Ti:16〜17質量%)6.465gを、200mLの超純水に溶解させ、チタン水溶液を調製した。次に、当該水溶液にketjenカーボン粉末を5g、界面活性剤(TritonX−100(商品名、ロシュ製)を蒸留水で1:10に希釈したもの)を数滴、順次加えた。混合物を攪拌しながら、超音波ホモジナイザーで300W、30分間分散させた後、室温まで冷却した。冷却後の混合物に、1mol/L水酸化ナトリウム水溶液を加え、混合物のpHを10とした後、さらにSBHを2.0g投入し、24時間攪拌し、チタン・カーボン分散液を調製した。
後は、実施例1と同様に、チタン・カーボン分散液に白金イオン溶液を滴下し、COバブリング、ろ過、洗浄、及び焼成を行い、実施例2の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒を製造した。
[Example 2]
First, 6.465 g of titanium (IV) chloride solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, product number: 203-08955, Ti: 16 to 17% by mass) was dissolved in 200 mL of ultrapure water to prepare a titanium aqueous solution. Next, 5 g of ketjen carbon powder and several drops of a surfactant (Triton X-100 (trade name, manufactured by Roche) diluted 1:10 with distilled water) were sequentially added to the aqueous solution. While stirring the mixture, the mixture was dispersed with an ultrasonic homogenizer at 300 W for 30 minutes, and then cooled to room temperature. A 1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution was added to the mixture after cooling to adjust the pH of the mixture to 10, and 2.0 g of SBH was further added and stirred for 24 hours to prepare a titanium / carbon dispersion.
Thereafter, in the same manner as in Example 1, a platinum ion solution was dropped into the titanium / carbon dispersion liquid, and CO bubbling, filtration, washing, and firing were performed, and the platinum / metal oxide composite catalyst for the fuel cell of Example 2 was obtained. Manufactured.

2.燃料電池用コアシェル触媒の製造
[比較例1]
まず、カーボン担持パラジウム粒子粉末(Basf社製、20%Pd/C)を準備した。
次に、Cu−UPD法によりパラジウム粒子上に銅単原子を被覆した。具体的には、まず、カーボン担持パラジウム粒子粉末0.5g、及びナフィオン(商品名)0.2gを水に分散させ、ろ過して得た合剤ペーストを、グラッシーカーボン電極に塗工した。
続いて、電気化学セルに、予め窒素をバブリングさせた0.05mol/L CuSOと0.05mol/L HSOの混合溶液を500mL加えた。次に、当該混合溶液中にグラッシーカーボン電極(作用極)、参照極及び対極を浸した。0.05mV/秒の掃引速度で、0.8V(vsRHE)から0.4V(vsRHE)まで掃引した後、0.4V(vsRHE)で電位を約30分間固定し、パラジウム粒子の表面に銅の単原子層を析出させた。
2. Production of core-shell catalyst for fuel cell [Comparative Example 1]
First, carbon-supported palladium particle powder (manufactured by Basf, 20% Pd / C) was prepared.
Next, copper single atoms were coated on the palladium particles by the Cu-UPD method. Specifically, first, 0.5 g of carbon-supported palladium particle powder and 0.2 g of Nafion (trade name) were dispersed in water, and a mixture paste obtained by filtration was applied to a glassy carbon electrode.
Subsequently, 500 mL of a mixed solution of 0.05 mol / L CuSO 4 and 0.05 mol / L H 2 SO 4 previously bubbled with nitrogen was added to the electrochemical cell. Next, the glassy carbon electrode (working electrode), the reference electrode and the counter electrode were immersed in the mixed solution. After sweeping from 0.8 V (vs RHE) to 0.4 V (vs RHE) at a sweep rate of 0.05 mV / sec, the potential was fixed at 0.4 V (vs RHE) for about 30 minutes, and the surface of the palladium particles was made of copper. A monoatomic layer was deposited.

次に、0.1mol/L HClO 500mL中にKPtClを1g溶解させ、白金イオン溶液を調製した。白金イオン溶液は十分に攪拌し、予め当該溶液中に窒素をバブリングさせた。
上記方法で銅単原子層をパラジウム粒子表面に析出させた後、上記グラッシーカーボン電極を、窒素雰囲気下で速やかに白金イオン溶液に浸漬させた。2時間浸漬させ、パラジウム粒子の表面に白金単原子層を析出させ、比較例1の燃料電池用コアシェル触媒を製造した。
Next, 1 g of K 2 PtCl 4 was dissolved in 500 mL of 0.1 mol / L HClO 4 to prepare a platinum ion solution. The platinum ion solution was sufficiently stirred and nitrogen was bubbled through the solution in advance.
After the copper monoatomic layer was deposited on the surface of the palladium particles by the above method, the glassy carbon electrode was quickly immersed in a platinum ion solution in a nitrogen atmosphere. It was immersed for 2 hours to deposit a platinum monoatomic layer on the surface of the palladium particles, and a core-shell catalyst for a fuel cell of Comparative Example 1 was produced.

[比較例2]
まず、1000mLビーカーに、デカン462mL及びAOT20.4068gを加え、マグネチックスターラーで1時間攪拌した。続いて、攪拌後の溶液に、アナターゼ型結晶性TiOゾル(多木化学株式会社製、商品名:タイノックM−6)10gを加え、さらに3時間攪拌し、TiO微粒子を含む逆ミセルの分散液を得た。
[Comparative Example 2]
First, 462 mL of decane and 20.0.468 g of AOT were added to a 1000 mL beaker, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer for 1 hour. Subsequently, 10 g of anatase-type crystalline TiO 2 sol (manufactured by Taki Chemical Co., Ltd., trade name: Tynoch M-6) was added to the stirred solution, and the mixture was further stirred for 3 hours to obtain reverse micelles containing TiO 2 fine particles. A dispersion was obtained.

次に、HPtCl・6HO 5.1778gを、精製水99mLに溶解させ、0.1mol/LのHPtCl水溶液を調製した。次に、1000mLビーカーに、デカン462mL及びAOT20.89gを加え、マグネチックスターラーで1時間攪拌した。続いて、攪拌後の溶液に0.1mol/LのHPtCl水溶液10.16mLを加え、さらに1時間攪拌し、白金イオンを含む逆ミセルの分散液を得た。 Then, the H 2 PtCl 6 · 6H 2 O 5.1778g, dissolved in purified water 99 mL, was prepared H 2 PtCl 6 aqueous solution of 0.1 mol / L. Next, 462 mL of decane and 20.89 g of AOT were added to a 1000 mL beaker, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer for 1 hour. Subsequently, 10.16 mL of a 0.1 mol / L H 2 PtCl 6 aqueous solution was added to the stirred solution, and the mixture was further stirred for 1 hour to obtain a reverse micelle dispersion containing platinum ions.

上記方法で調製したTiO微粒子を含む逆ミセルの分散液及び白金イオンを含む逆ミセルの分散液を混合し、マグネチックスターラーで1時間攪拌した。次に、カーボン担体としてカーボンブラック(Ketjen)0.565gを加え、10℃で30分間攪拌した。続いて、SBH粉末0.38gを加え、5時間攪拌した。さらに2−プロパノール:エタノール=4:1混合溶液を500mL加え、10℃で30分間攪拌した。分散液について吸引ろ過を行い、触媒前駆体である固体を回収した。
回収した固体をデカン:アルコール=4.3:3.0混合溶液500mLで洗浄し、80℃の温度条件下、18時間真空乾燥した。
The dispersion of reverse micelles containing TiO 2 fine particles prepared by the above method and the dispersion of reverse micelles containing platinum ions were mixed and stirred with a magnetic stirrer for 1 hour. Next, 0.565 g of carbon black (Ketjen) was added as a carbon carrier and stirred at 10 ° C. for 30 minutes. Subsequently, 0.38 g of SBH powder was added and stirred for 5 hours. Further, 500 mL of a mixed solution of 2-propanol: ethanol = 4: 1 was added and stirred at 10 ° C. for 30 minutes. The dispersion was subjected to suction filtration to recover a solid as a catalyst precursor.
The collected solid was washed with 500 mL of a mixed solution of decane: alcohol = 4.3: 3.0 and dried under vacuum at 80 ° C. for 18 hours.

上記方法により得られた触媒前駆体の粉末を、下記条件下で焼成した。
・初期条件 室温、アルゴンパージ60分間(Ar:750mL/分、Ar純度:99.9999%)
・昇温条件 室温から700℃まで、120分かけて昇温
・保持条件 700℃のまま60分間保持
焼成後の触媒粉末を80℃精製水で洗浄し、80℃の温度条件下、18時間真空乾燥して、酸化チタン粒子の表面に白金層が析出した、比較例2の燃料電池用コアシェル触媒を製造した。
The catalyst precursor powder obtained by the above method was calcined under the following conditions.
Initial conditions Room temperature, argon purge 60 minutes (Ar: 750 mL / min, Ar purity: 99.9999%)
・ Temperature rise temperature From room temperature to 700 ° C. over 120 minutes ・ Holding condition Hold at 700 ° C. for 60 minutes. It dried and the core-shell catalyst for fuel cells of the comparative example 2 with which the platinum layer deposited on the surface of the titanium oxide particle was manufactured.

3.触媒の分析
実施例1−実施例2の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒、及び比較例1−比較例2の燃料電池用コアシェル触媒(以下、実施例1−実施例2及び比較例1−比較例2の触媒と称する場合がある。)について、触媒中の白金の平均粒径の測定、及び白金担持率の測定を行った。また、実施例1−実施例2の触媒については、TEM観察、及び、電子スピン共鳴(Electron Spin Resonance;以下、ESRと称する。)測定を行った。
3. Analysis of Catalyst Example 1-Platinum / Metal Oxide Composite Catalyst for Fuel Cell of Example 2 and Comparative Example 1-Core Shell Catalyst for Fuel Cell of Comparative Example 2 (hereinafter, Example 1-Example 2 and Comparative Example 1) -In some cases, the average particle diameter of platinum in the catalyst and the platinum loading rate were measured. In addition, the catalyst of Example 1 to Example 2 was subjected to TEM observation and electron spin resonance (hereinafter referred to as ESR) measurement.

3−1.白金の平均粒径の測定
小角X線散乱(SAXS)測定により、触媒中の白金の平均粒径を測定した。詳細な測定条件は以下の通りである。
・SAXS使用機器
装置:X線回折装置(リガク製、型番:RINT−2500)
ターゲット:Cu(波長 1.541Å)
X線出力:50kV、300mA
光学系:多層膜平行ビーム
検出器:シンチレータ NaI
・SAXS測定条件
ステップ:2θ=0.04°
平均時間/ステップ:5sec
スキャン範囲:2θ=0.08〜8.12°
固定発散スリット:0.03mm
加熱速度、冷却速度:共に無し
雰囲気:大気中
3-1. Measurement of average particle diameter of platinum The average particle diameter of platinum in the catalyst was measured by small-angle X-ray scattering (SAXS) measurement. Detailed measurement conditions are as follows.
-Equipment using SAXS Device: X-ray diffractometer (Rigaku, model number: RINT-2500)
Target: Cu (wavelength 1.541 mm)
X-ray output: 50 kV, 300 mA
Optical system: Multi-layer parallel beam Detector: Scintillator NaI
・ SAXS measurement conditions Step: 2θ = 0.04 °
Average time / step: 5 sec
Scan range: 2θ = 0.08-8.12 °
Fixed divergence slit: 0.03mm
Heating rate, cooling rate: None Atmosphere: In air

図3は、SAXS測定により得られた、実施例1及び実施例2の触媒中の白金粒径分布を示したグラフである。図3は、縦軸に頻度、横軸に粒径(nm)の対数をとったグラフである。
図3から、実施例1及び実施例2の触媒中の白金微粒子は、いずれも、極めて粒径分布が狭く、粒子間の粒径のバラつきが極めて小さいことが分かる。図3から、実施例1及び実施例2の白金粒子の平均粒径はいずれも1.3nmであることが分かる。
FIG. 3 is a graph showing the platinum particle size distribution in the catalysts of Example 1 and Example 2 obtained by SAXS measurement. FIG. 3 is a graph with frequency on the vertical axis and logarithm of particle size (nm) on the horizontal axis.
From FIG. 3, it can be seen that the platinum fine particles in the catalysts of Example 1 and Example 2 both have a very narrow particle size distribution and very little variation in particle size between particles. From FIG. 3, it can be seen that the average particle diameters of the platinum particles of Example 1 and Example 2 are both 1.3 nm.

3−2.白金の担持率の測定
触媒中の白金の担持率を測定した。まず、触媒中の白金、チタン等の金属成分を王水に加熱溶解させた。次に、ICP発光分光分析装置(ジャーレルアッシュ製、IRIS ADVANTAGE)を用いて、ICP−発光分光法により試料溶液中の白金量を定量した。
3-2. Measurement of platinum loading rate The platinum loading rate in the catalyst was measured. First, metal components such as platinum and titanium in the catalyst were dissolved by heating in aqua regia. Next, the amount of platinum in the sample solution was quantified by ICP-emission spectroscopy using an ICP emission spectroscopy analyzer (manufactured by Jarrel Ash, IRIS ADVANTAGE).

3−3.TEM観察
TEM観察により、触媒中のチタンとカーボンの質量比を測定した。詳細な測定条件は以下の通りである。
電界放射型透過電子顕微鏡(日本電子製、型番:JEM−2100F、Cs補正付属)を用いて、加速電圧200kVにて、視野0.25μm×0.25μmの範囲(倍率60万倍、図4(a))又は視野約20nm×20nmの範囲(倍率500万倍、図4(b))で暗視野STEM観察(Scanning Transmission Electron Microscopy、以下、STEMと称する。)を行った。
UTW型Si(Li)半導体検出器(日本電子製)を備えた電界放射型透過電子顕微鏡(日本電子製、型番:JEM−2100F、Cs補正付属)を用いたエネルギー分散型X線分光法(EDS)によるスポット分析を行い、測定点におけるチタンとカーボンの質量比を算出した。
3-3. TEM observation The mass ratio of titanium and carbon in the catalyst was measured by TEM observation. Detailed measurement conditions are as follows.
Using a field emission transmission electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model number: JEM-2100F, with Cs correction), at an accelerating voltage of 200 kV, a field of view of 0.25 μm × 0.25 μm (magnification 600,000 times, FIG. a)) or dark field STEM observation (Scanning Transmission Electron Microscopy, hereinafter referred to as STEM) was performed in the range of about 20 nm × 20 nm (magnification 5 million times, FIG. 4B).
Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) using a field emission transmission electron microscope (manufactured by JEOL, model number: JEM-2100F, with Cs correction) equipped with a UTW type Si (Li) semiconductor detector (manufactured by JEOL) ) Was performed, and the mass ratio of titanium and carbon at the measurement point was calculated.

図4は、上記観察条件により得られた実施例1の触媒のTEM画像である。図4(a)は倍率60万倍のTEM画像である。図4(b)は、図4(a)中の枠で囲った部分をさらに拡大した、倍率500万倍のTEM画像である。
図4(b)中に見られる、直径1nm程度の白い円は白金微粒子を示す。また、図4(b)中に見られる暗い部分は酸化チタンを示す。また、図4(a)及び(b)中に薄く明るく見られる部分は、カーボン担体を示す。図4(a)及び(b)から、酸化チタンの層と白金微粒子が互いに接触していることを確認した。
図4(b)中に示した2つの観測点について、それぞれチタンとカーボンの質量比を測定した。観測点1(図4(b)中の白丸)においては、カーボン(C)に対するチタン(Ti)の質量比(以下、Ti/Cと称する。)は、0.13である。観測点2(図4(b)中の黒丸)においては、Ti/Cは0.10である。これらTi/Cから幾何計算で算出した酸化チタン層の厚みは、観測点1において0.6nmであり、観測点2において0.5nmである。したがって、酸化チタン層の厚みは、2つの観測点の平均をとって0.6nmである。
FIG. 4 is a TEM image of the catalyst of Example 1 obtained under the above observation conditions. FIG. 4A is a TEM image with a magnification of 600,000 times. FIG. 4B is a TEM image at a magnification of 5 million, further enlarging the part surrounded by the frame in FIG.
A white circle having a diameter of about 1 nm, which can be seen in FIG. 4B, shows platinum fine particles. Moreover, the dark part seen in FIG.4 (b) shows a titanium oxide. Moreover, the part seen thinly brightly in FIG. 4 (a) and (b) shows a carbon support | carrier. 4 (a) and 4 (b), it was confirmed that the titanium oxide layer and the platinum fine particles were in contact with each other.
At the two observation points shown in FIG. 4B, the mass ratio of titanium and carbon was measured. At the observation point 1 (white circle in FIG. 4B), the mass ratio of titanium (Ti) to carbon (C) (hereinafter referred to as Ti / C) is 0.13. At the observation point 2 (black circle in FIG. 4B), Ti / C is 0.10. The thickness of the titanium oxide layer calculated by geometric calculation from these Ti / C is 0.6 nm at the observation point 1 and 0.5 nm at the observation point 2. Therefore, the thickness of the titanium oxide layer is 0.6 nm taking the average of the two observation points.

3−4.ESR測定
ESR測定により、触媒中のTi3+カチオンの検出を試みた。詳細な測定条件は以下の通りである。
装置:電子スピン共鳴装置(日本電子製、型番:JEOL FE−3X)
測定温度(T):室温(25℃)
マイクロ波周波数(Fr):9.19GHz
マイクロ波出力(パワー)(Pw):2mW
チャートの中心磁場(Fd):327.5±7.5mT
中心磁場よりの掃引巾(SW):327.5±50mT
磁場掃引時間(ST):2.0min
磁場変調巾(MW):0.2mT
倍率(ゲイン)(G):×1000
タイムコンスタント(TC):0.1s
AD変換のレベル(AC):1
標準試料:Mn2+/MgO
3-4. ESR measurement Attempts were made to detect Ti 3+ cations in the catalyst by ESR measurement. Detailed measurement conditions are as follows.
Apparatus: Electron spin resonance apparatus (manufactured by JEOL, model number: JEOL FE-3X)
Measurement temperature (T): room temperature (25 ° C.)
Microwave frequency (Fr): 9.19 GHz
Microwave output (power) (Pw): 2 mW
Central magnetic field (Fd) of the chart: 327.5 ± 7.5 mT
Sweep width from center magnetic field (SW): 327.5 ± 50 mT
Magnetic field sweep time (ST): 2.0 min
Magnetic field modulation width (MW): 0.2 mT
Magnification (gain) (G): x1000
Time constant (TC): 0.1s
AD conversion level (AC): 1
Standard sample: Mn 2+ / MgO

図5は、実施例1のESRスペクトルである。図中に矢印で示すように、実施例1の触媒においては、g=2.0018にピークが検出された。このピークは、Ti3+カチオンそのもの又はTi3+カチオンの痕跡(例えば、白金と結合したTi3+カチオン等)に帰属される。実施例2のESRスペクトルにおいても同様に、Ti3+カチオンそのもの又はTi3+カチオンの痕跡に帰属されるピークが検出された。
以上より、実施例1及び実施例2の触媒中の、Ti3+カチオンの存在が証明された。
白金・チタン合金粒子、及び、白金がチタンと結合することなく単にTiO上に乗っているだけの粒子には、通常、Ti3+カチオンそのもの又はTi3+カチオンの痕跡に帰属されるピークは検出されない。したがってこの結果から、実施例1及び実施例2の触媒中に、白金原子とチタン原子との結合が存在することも証明された。
FIG. 5 is an ESR spectrum of Example 1. As indicated by an arrow in the figure, in the catalyst of Example 1, a peak was detected at g = 2.0018. This peak is attributed to the Ti 3+ cation itself or traces of the Ti 3+ cation (for example, Ti 3+ cation bonded to platinum). Similarly, in the ESR spectrum of Example 2, a peak attributed to the trace of Ti 3+ cation itself or Ti 3+ cation was detected.
From the above, the presence of Ti 3+ cations in the catalysts of Example 1 and Example 2 was proved.
In the case of platinum / titanium alloy particles and particles that platinum is simply on TiO 2 without binding to titanium, the peak attributed to the trace of Ti 3+ cation itself or Ti 3+ cation is usually not detected. . Therefore, from this result, it was proved that a bond between a platinum atom and a titanium atom was present in the catalysts of Example 1 and Example 2.

4.触媒の評価
実施例1−実施例2及び比較例1−比較例2の触媒、並びに、白金−コバルト合金をカーボン担体に担持した触媒(PtCo/C、以下、比較例3の触媒と称する。)、平均粒径2.6nmの白金微粒子をカーボン担体に担持した触媒(Pt/C、以下、比較例4の触媒と称する。)、及び平均粒径5.0nmの白金微粒子をカーボン担体に担持した触媒(Pt/C、以下、比較例5の触媒と称する。)について、回転ディスク電極を用いた測定により、触媒性能及び触媒耐久性の評価を行った。
4). Evaluation of Catalysts Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 2 catalyst and a catalyst in which a platinum-cobalt alloy is supported on a carbon support (PtCo / C, hereinafter referred to as catalyst of Comparative Example 3) Further, a catalyst (Pt / C, hereinafter referred to as catalyst of Comparative Example 4) having platinum fine particles having an average particle diameter of 2.6 nm supported on a carbon carrier, and a platinum fine particle having an average particle diameter of 5.0 nm supported on a carbon carrier. For the catalyst (Pt / C, hereinafter referred to as the catalyst of Comparative Example 5), the catalyst performance and the catalyst durability were evaluated by measurement using a rotating disk electrode.

4−1.触媒に対する電位処理
実施例1−実施例2及び比較例1−比較例5の触媒について、回転ディスク電極による測定を行う前に、白金の清浄を目的として電位処理を行った。
図9は、電位処理を行った装置を示す斜視模式図である。
ガラスセル51に過塩素酸水溶液52を加え、さらに触媒のスラリー53が塗布された回転ディスク電極54をセットした。なお、回転ディスク電極54は、回転計55に接続されている。過塩素酸水溶液52中には、回転ディスク電極54の他にも、対極56、参照極57が過塩素酸水溶液52に十分に浸かるように配置されており、これら3つの電極は、デュアル電気化学アナライザーと電気的に接続されている。また、アルゴン導入管58が過塩素酸水溶液52に浸かるように配置されており、セル外部に設置されたアルゴン供給源(図示せず)から一定時間アルゴンが過塩素酸水溶液52に室温下でバブリングされ、過塩素酸水溶液52中にアルゴンが飽和している状態であった。円59はアルゴンの気泡を示す。
装置の詳細は下記の通りである。
・過塩素酸水溶液:0.1mol/L HClO
・回転ディスク電極:グラッシーカーボンからなる電極
・回転計:北斗電工製、HR−201
・対極:白金電極(北斗電工製)
・参照極:水素電極(KMラボ製)
・デュアル電気化学アナライザー:BAS社製、ALS700C
図9に示した装置により、電位掃引範囲0.05〜1.2V(vsRHE)、電位掃引速度100mV/秒で電位を120サイクル掃引し、白金を活性化させた。
4-1. Potential Treatment for Catalyst The potential treatment for the catalyst of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 5 was performed for the purpose of cleaning platinum before measurement with a rotating disk electrode.
FIG. 9 is a schematic perspective view illustrating an apparatus that performs potential processing.
An aqueous perchloric acid solution 52 was added to the glass cell 51, and a rotating disk electrode 54 coated with a catalyst slurry 53 was set. The rotating disk electrode 54 is connected to a tachometer 55. In the perchloric acid aqueous solution 52, in addition to the rotating disk electrode 54, a counter electrode 56 and a reference electrode 57 are disposed so as to be sufficiently immersed in the perchloric acid aqueous solution 52. It is electrically connected to the analyzer. Argon introduction pipe 58 is disposed so as to be immersed in perchloric acid aqueous solution 52, and argon is bubbled into perchloric acid aqueous solution 52 at room temperature for a certain period of time from an argon supply source (not shown) installed outside the cell. As a result, argon was saturated in the perchloric acid aqueous solution 52. A circle 59 indicates an argon bubble.
The details of the apparatus are as follows.
-Perchloric acid aqueous solution: 0.1 mol / L HClO 4
・ Rotating disk electrode: electrode made of glassy carbon ・ Rotometer: Hokuto Denko, HR-201
・ Counter electrode: Platinum electrode (made by Hokuto Denko)
・ Reference electrode: Hydrogen electrode (manufactured by KM Lab)
Dual electrochemical analyzer: ALS700C manufactured by BAS
With the apparatus shown in FIG. 9, platinum was activated by sweeping the potential for 120 cycles at a potential sweep range of 0.05 to 1.2 V (vs RHE) and a potential sweep rate of 100 mV / sec.

4−2.回転ディスク電極を用いた測定
(a)ECSAの算出
実施例1−実施例2及び比較例1−比較例5の触媒について、当該触媒のECSAを算出した。
図9に示した装置により、電位掃引範囲0.05〜1.2V(vsRHE)、電位掃引速度50mV/秒で電位を2サイクル掃引した。2サイクル目のCVよりECSAを算出した。
4-2. Measurement Using Rotating Disc Electrode (a) Calculation of ECSA For the catalysts of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 5, the ECSA of the catalyst was calculated.
With the apparatus shown in FIG. 9, the potential was swept for two cycles at a potential sweep range of 0.05 to 1.2 V (vs RHE) and a potential sweep rate of 50 mV / sec. ECSA was calculated from CV at the second cycle.

(b)比活性及び質量活性の測定
実施例1−実施例2及び比較例1−比較例5の触媒について電気化学測定を行い、当該微粒子の酸素還元反応(Oxygen reduction reaction;以下、ORRと称する。)活性の指標となる比活性及び質量活性を測定した。
図9に示した装置において、ガラスセル51中の過塩素酸水溶液52中に酸素をバブリングさせながら、電位掃引範囲0.1〜1.05V(vsRHE)、電位掃引速度10mV/秒で電位を2サイクル掃引した。2サイクル目のORR曲線における0.9Vの電流値より活性支配電流(kinetically−controlled current;以下、IKと称する)を算出した。当該IKを上述したECSAで除した値を比活性とし、当該IKをグラッシーカーボン電極上の白金質量で除した値を質量活性とした。
(B) Measurement of specific activity and mass activity Electrochemical measurement was performed on the catalysts of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 5, and the oxygen reduction reaction (Oxygen reduction reaction; hereinafter referred to as ORR). .) Specific activity and mass activity, which are indicators of activity, were measured.
In the apparatus shown in FIG. 9, while bubbling oxygen into the perchloric acid aqueous solution 52 in the glass cell 51, the potential is 2 at a potential sweep range of 0.1 to 1.05 V (vs RHE) and a potential sweep rate of 10 mV / sec. A cycle sweep was performed. An activity-dominated current (hereinafter referred to as IK) was calculated from a current value of 0.9 V in the ORR curve at the second cycle. The value obtained by dividing the IK by the above-mentioned ECSA was defined as specific activity, and the value obtained by dividing the IK by the platinum mass on the glassy carbon electrode was defined as mass activity.

(c)耐久性の評価
実施例1−実施例2及び比較例1−比較例5の触媒について電気化学測定を行い、耐久性を評価した。電気化学測定の詳細な条件は以下の通りである。
図9に示した装置において、ガラスセル51中の過塩素酸水溶液52中に酸素をバブリングさせながら、0.65/5sec〜1.2V/5secの矩形波の電位サイクルを10,000サイクル(vsRHE)掃引した。10,000サイクル掃引後、上述した「(a)ECSAの算出」の項で説明した方法と同様にCVを行い、ECSAを算出した。
10,000サイクル掃引後のCVより算出したECSAを、上記「(a)ECSAの算出」の項で説明した2サイクル目のCVより算出したECSAで除し、さらに100を乗じた値を、その触媒のECSA維持率(%)とした。
(C) Evaluation of durability Electrochemical measurement was performed on the catalysts of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 5 to evaluate durability. The detailed conditions of the electrochemical measurement are as follows.
In the apparatus shown in FIG. 9, a rectangular wave potential cycle of 0.65 / 5 sec to 1.2 V / 5 sec is set to 10,000 cycles (vsRHE) while bubbling oxygen into the perchloric acid aqueous solution 52 in the glass cell 51. ) Swept. After sweeping 10,000 cycles, ECV was calculated by performing CV in the same manner as described in the section “(a) Calculation of ECSA” described above.
The ECSA calculated from the CV after 10,000 cycle sweep is divided by the ECSA calculated from the CV of the second cycle described in the section “(a) Calculation of ECSA”, and then multiplied by 100. The ECSA maintenance rate (%) of the catalyst was used.

下記表2は、実施例1−実施例2及び比較例1−比較例5の触媒中の白金の平均粒径、白金担持率、ECSA、比活性、質量活性、及びECSA維持率をまとめた表である。なお、下記表2中「金属微粒子」とは、実施例1−実施例2及び比較例4−比較例5においては白金微粒子のことであり、比較例1においてはパラジウムに白金が被覆した微粒子のことであり、比較例2においては酸化チタンに白金が被覆した微粒子のことであり、比較例3においては白金−コバルト合金微粒子のことである。また、下記表2において白金担持率とは、白金の質量を触媒全体の質量(すなわち、白金の質量、炭素材料の質量、及び金属酸化物の質量の和)で除し、100を乗じた値である。   Table 2 below summarizes the average particle size, platinum loading, ECSA, specific activity, mass activity, and ECSA retention rate of platinum in the catalysts of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 5. It is. In Table 2 below, “metal fine particles” refers to platinum fine particles in Example 1 to Example 2 and Comparative Example 4 to Comparative Example 5, and in Comparative Example 1, fine particles in which platinum is coated with platinum. In Comparative Example 2, the fine particles are obtained by coating titanium oxide with platinum. In Comparative Example 3, the fine particles are platinum-cobalt alloy fine particles. In Table 2 below, the platinum loading is a value obtained by dividing the mass of platinum by the mass of the entire catalyst (that is, the sum of the mass of platinum, the mass of the carbon material, and the mass of the metal oxide) and multiplying by 100. It is.

まず、パラジウムを白金で被覆した微粒子(以下、Pt/Pd微粒子と称する。)を、カーボン担体に担持させた比較例1の触媒について検討する。上記表2より、比較例1のPt/Pd微粒子の平均粒径は5nmであり、白金担持率は30%である。
上記表2から分かるように、比較例1のECSAは154m/gPtであり、質量活性は550A/gPtである。これらの値は、実施例1−実施例2及び比較例1−比較例5の触媒中、いずれも最も大きい値である。したがって、比較例1の触媒は、少なくとも、燃料電池の触媒として使用できる白金の表面積及び質量活性については問題がない。
しかし、上記表2から分かるように、比較例1のECSA維持率は40%である。これは、10,000サイクル以上運転した場合に、Pt/Pd微粒子から6割以上の白金表面積が失われることを示す。したがって、比較例1の触媒は、極めて耐久性に劣ることが分かる。
First, the catalyst of Comparative Example 1 in which fine particles in which palladium is coated with platinum (hereinafter referred to as Pt / Pd fine particles) is supported on a carbon carrier will be examined. From Table 2 above, the average particle size of the Pt / Pd fine particles of Comparative Example 1 is 5 nm, and the platinum loading is 30%.
As can be seen from Table 2 above, the ECSA of Comparative Example 1 is 154 m 2 / gPt, and the mass activity is 550 A / gPt. These values are the largest values in the catalysts of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 5. Therefore, the catalyst of Comparative Example 1 has no problem at least with respect to the surface area and mass activity of platinum that can be used as a fuel cell catalyst.
However, as can be seen from Table 2 above, the ECSA maintenance rate of Comparative Example 1 is 40%. This indicates that 60% or more of the platinum surface area is lost from the Pt / Pd fine particles when operated for 10,000 cycles or more. Therefore, it can be seen that the catalyst of Comparative Example 1 is extremely inferior in durability.

次に、酸化チタンを白金で被覆した微粒子(以下、Pt/TiO/TiO微粒子と称する。)を、カーボン担体に担持させた比較例2の触媒について検討する。上記表2より、比較例2のPt/TiO/TiO微粒子の平均粒径は6nmであり、白金担持率は20%である。比較例2の白金担持率は、実施例1−実施例2及び比較例1−比較例5の触媒中、最も低い。
上記表2から分かるように、比較例2の比活性は850μA/cmであり、ECSA維持率は96%である。これらの値は、実施例1−実施例2及び比較例1−比較例5の触媒中、いずれも最も大きい値である。したがって、比較例2の触媒は、少なくとも、比活性及び触媒耐久性については問題がない。
しかし、上記表2から分かるように、比較例2のECSAは33m/gPtである。この値は、実施例1−実施例2及び比較例1−比較例5の触媒中、最も小さい値である。したがって、比較例2の触媒は、燃料電池の触媒として使用できる白金の表面積が極めて小さく、実用に適さない。
Next, the catalyst of Comparative Example 2 in which fine particles obtained by coating titanium oxide with platinum (hereinafter referred to as Pt / TiO x / TiO 2 fine particles) are supported on a carbon carrier will be examined. From the above Table 2, the average particle size of the Pt / TiO x / TiO 2 fine particles of Comparative Example 2 is 6 nm, and the platinum loading is 20%. The platinum loading of Comparative Example 2 is the lowest among the catalysts of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 5.
As can be seen from Table 2 above, the specific activity of Comparative Example 2 is 850 μA / cm 2 and the ECSA maintenance rate is 96%. These values are the largest values in the catalysts of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 5. Therefore, the catalyst of Comparative Example 2 has no problem at least with respect to specific activity and catalyst durability.
However, as can be seen from Table 2 above, the ECSA of Comparative Example 2 is 33 m 2 / gPt. This value is the smallest value among the catalysts of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 5. Therefore, the catalyst of Comparative Example 2 has an extremely small surface area of platinum that can be used as a fuel cell catalyst, and is not suitable for practical use.

続いて、白金−コバルト合金微粒子(以下、PtCo微粒子と称する。)をカーボン担体に担持させた比較例3の触媒について検討する。上記表2より、比較例3のPtCo微粒子の平均粒径は4.5nmであり、白金担持率は30%である。
上記表2から分かるように、比較例3のECSAは60m/gPtであり、比活性は450μA/cmであり、質量活性は270A/gPtである。したがって、比較例3の触媒は質量活性に劣り、実用には適さない。
また、比較例3のECSA維持率は70%である。これは、10,000サイクル以上運転した場合に、PtCo微粒子から3割以上の白金表面積が失われることを示す。したがって、比較例3の触媒は耐久性に劣り、実用には適さない。
Subsequently, the catalyst of Comparative Example 3 in which platinum-cobalt alloy fine particles (hereinafter referred to as PtCo fine particles) are supported on a carbon carrier will be examined. From Table 2 above, the average particle size of the PtCo fine particles of Comparative Example 3 is 4.5 nm, and the platinum loading is 30%.
As can be seen from Table 2 above, the ECSA of Comparative Example 3 is 60 m 2 / gPt, the specific activity is 450 μA / cm 2 , and the mass activity is 270 A / gPt. Therefore, the catalyst of Comparative Example 3 is inferior in mass activity and is not suitable for practical use.
Moreover, the ECSA maintenance rate of Comparative Example 3 is 70%. This indicates that 30% or more of the platinum surface area is lost from the PtCo fine particles when operated for 10,000 cycles or more. Therefore, the catalyst of Comparative Example 3 has poor durability and is not suitable for practical use.

次に、白金微粒子をカーボン担体に担持させた比較例4(平均粒径:2.6nm)及び比較例5(平均粒径:5.0nm)の触媒について検討する。上記表2より、比較例4及び比較例5の白金担持率はいずれも30%である。
上記表2から分かるように、比較例4のECSAは86m/gPtであり、比活性は230μA/cmであり、質量活性は199A/gPtである。また、比較例5のECSAは56m/gPtであり、比活性は330μA/cmであり、質量活性は180A/gPtである。比較例4及び比較例5の比活性は、実施例1−実施例2及び比較例1−比較例3の比活性と比較して極めて低い。また、比較例4及び比較例5の質量活性は、実施例1−実施例2及び比較例1−比較例3の比活性と比較して極めて低い。したがって、白金微粒子をカーボン担体に担持した触媒は、比活性及び質量活性に極めて劣ることが分かる。
また、比較例4のECSA維持率は27%である。これは、10,000サイクル以上運転した場合に、7割以上の白金表面積が失われることを示す。したがって、比較例4の触媒はさらに耐久性にも劣ることが分かる。
Next, the catalysts of Comparative Example 4 (average particle size: 2.6 nm) and Comparative Example 5 (average particle size: 5.0 nm) in which platinum fine particles are supported on a carbon carrier will be examined. From Table 2 above, the platinum loadings of Comparative Example 4 and Comparative Example 5 are both 30%.
As can be seen from Table 2 above, the ECSA of Comparative Example 4 is 86 m 2 / gPt, the specific activity is 230 μA / cm 2 , and the mass activity is 199 A / gPt. Moreover, the ECSA of Comparative Example 5 is 56 m 2 / gPt, the specific activity is 330 μA / cm 2 , and the mass activity is 180 A / gPt. The specific activities of Comparative Example 4 and Comparative Example 5 are extremely low compared to the specific activities of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 3. Moreover, the mass activity of Comparative Example 4 and Comparative Example 5 is extremely low as compared with the specific activities of Example 1-Example 2 and Comparative Example 1-Comparative Example 3. Therefore, it can be seen that a catalyst in which platinum fine particles are supported on a carbon support is extremely inferior in specific activity and mass activity.
Moreover, the ECSA maintenance rate of Comparative Example 4 is 27%. This indicates that 70% or more of the platinum surface area is lost when operating 10,000 cycles or more. Therefore, it can be seen that the catalyst of Comparative Example 4 is inferior in durability.

一方、上記表2より、実施例1及び実施例2の平均粒径はいずれも1.3nmであり、白金担持率は33%又は35%である。
上記表2から分かるように、実施例1及び実施例2のECSAは72m/gPt又は87m/gPtであり、比活性は570μA/cm又は400μA/cmであり、質量活性は410A/gPt又は350A/gPtである。特に、実施例1及び実施例2の質量活性は、比較例2(Pt/TiO/TiO微粒子を含む触媒)、比較例3(PtCo微粒子を含む触媒)、並びに、比較例4及び比較例5の白金微粒子を含む触媒の質量活性よりも高い。
また、実施例1及び実施例2のECSA維持率は82%又は86%であり、この結果は、比較例1(Pt/Pd微粒子を含む触媒)、比較例3(PtCo微粒子を含む触媒)、並びに、比較例4及び比較例5の白金微粒子を含む触媒のECSA維持率よりも高い。
これらの結果から、実施例1及び実施例2の触媒においては、上述したSMSI効果により、III価のチタンから白金へ電子供与が起き、白金の電子状態が酸素吸着抑制にシフトしたため、従来のコアシェル触媒や白金合金触媒とは異なり、触媒活性と耐久性が共に向上したことが分かる。
On the other hand, from Table 2 above, the average particle diameters of Example 1 and Example 2 are both 1.3 nm and the platinum loading is 33% or 35%.
As can be seen from Table 2, ECSA of Example 1 and Example 2 is 72m 2 / gPt or 87m 2 / gPt, specific activity is 570μA / cm 2 or 400 .mu.A / cm 2, the mass activity is 410A / gPt or 350 A / gPt. In particular, the mass activities of Example 1 and Example 2 were as follows: Comparative Example 2 (a catalyst containing Pt / TiO x / TiO 2 fine particles), Comparative Example 3 (a catalyst containing PtCo fine particles), and Comparative Example 4 and Comparative Example It is higher than the mass activity of the catalyst containing 5 platinum fine particles.
Moreover, the ECSA maintenance rate of Example 1 and Example 2 is 82% or 86%, and the result is Comparative Example 1 (a catalyst containing Pt / Pd fine particles), Comparative Example 3 (a catalyst containing PtCo fine particles), In addition, the ECSA maintenance rate of the catalyst containing the platinum fine particles of Comparative Example 4 and Comparative Example 5 is higher.
From these results, in the catalysts of Example 1 and Example 2, due to the above-mentioned SMSI effect, electron donation from the trivalent titanium to platinum occurred, and the electronic state of platinum shifted to oxygen adsorption suppression. It can be seen that, unlike the catalyst and the platinum alloy catalyst, both the catalytic activity and the durability are improved.

1 白金微粒子
2 金属酸化物層
3 炭素材料
4 一点鎖線で囲った枠
5 電子の導通方向を示す両矢印
11 3価のチタンから白金への電子の流れを表す矢印
30 COガスキャビネット
31 COガスボンベ
32 SUS製ライン
33 ドラフト
34 バルブ
35 CO検知器
36 吹き流し
37 ガス流量計
38 スターラ
39 反応容器
40 バブラー
51 ガラスセル
52 過塩素酸水溶液
53 触媒のスラリー
54 回転ディスク電極
55 回転計
56 対極
57 参照極
58 アルゴン導入管
59 アルゴンの気泡
100 本発明に係る燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の典型例
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Platinum fine particle 2 Metal oxide layer 3 Carbon material 4 The frame 5 enclosed with a dashed-dotted line 5 The double arrow 11 which shows the conduction direction of an electron The arrow 30 which shows the flow of the electron from trivalent titanium to platinum 30 CO gas cabinet 31 CO gas cylinder 32 SUS line 33 Draft 34 Valve 35 CO detector 36 Blow 37 Gas flow meter 38 Stirrer 39 Reaction vessel 40 Bubbler 51 Glass cell 52 Perchloric acid aqueous solution 53 Catalyst slurry 54 Rotating disk electrode 55 Tachometer 56 Counter electrode 57 Reference electrode 58 Argon Introduction tube 59 Argon bubble 100 Typical example of platinum / metal oxide composite catalyst for fuel cell according to the present invention

Claims (9)

白金微粒子、金属酸化物、及び炭素材料を含有する、燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒であって、
前記金属酸化物は、Ti、Sn、Nb、及びTaからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含み、
前記炭素材料が、その表面に、前記白金微粒子、及び、前記金属酸化物を含み且つ当該白金微粒子の周囲を取り巻く金属酸化物層を備え、
前記白金微粒子中の白金原子と前記炭素材料の表面とが電気的に接触していることにより、前記金属酸化物層は、前記炭素材料の表面と前記複合触媒の表面との間に前記白金微粒子を介した導電チャンネルを少なくとも1つ備え、
前記導電チャンネル内で、前記白金微粒子中の白金原子と前記金属酸化物とが結合を有することを特徴とする、燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒。
A platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell, comprising platinum fine particles, a metal oxide, and a carbon material,
The metal oxide includes at least one metal element selected from the group consisting of Ti, Sn, Nb, and Ta,
The carbon material includes, on the surface thereof, the platinum fine particles and the metal oxide layer that includes the metal oxide and surrounds the platinum fine particles,
Since the platinum atom in the platinum fine particle and the surface of the carbon material are in electrical contact, the metal oxide layer is formed between the surface of the carbon material and the surface of the composite catalyst. Comprising at least one conductive channel via
A platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell, wherein a platinum atom in the platinum fine particle and the metal oxide have a bond in the conductive channel.
前記白金微粒子中の白金原子と前記金属酸化物の酸素欠陥とが結合を有する、請求項1に記載の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒。   The platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell according to claim 1, wherein a platinum atom in the platinum fine particle and an oxygen defect of the metal oxide have a bond. 前記金属酸化物層の厚さが0.2〜0.6nmである、請求項1又は2に記載の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒。   The platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the metal oxide layer has a thickness of 0.2 to 0.6 nm. 前記金属酸化物層は、酸化チタン(IV)(TiO)、酸化スズ(IV)(SnO)、酸化ニオブ(V)(Nb)、及び酸化タンタル(V)(Ta)からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属酸化物を含む、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒。 The metal oxide layer includes titanium (IV) oxide (TiO 2 ), tin oxide (IV) (SnO 2 ), niobium oxide (V) (Nb 2 O 5 ), and tantalum oxide (V) (Ta 2 O 5 ). The platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3 , comprising at least one metal oxide selected from the group consisting of: 前記白金微粒子の平均粒径が0.25〜2.0nmである、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒。 The platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein the platinum fine particles have an average particle diameter of 0.25 to 2.0 nm. 前記金属酸化物層の厚さが前記白金微粒子の平均粒径未満である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒。 The platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein a thickness of the metal oxide layer is less than an average particle diameter of the platinum fine particles. 前記炭素材料は、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、活性炭、メゾフェースカーボン、及び黒鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種の炭素材料である、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒。 7. The carbon material according to claim 1 , wherein the carbon material is at least one carbon material selected from the group consisting of acetylene black, furnace black, carbon black, activated carbon, mesophase carbon, and graphite. Platinum / metal oxide composite catalyst for fuel cells. 白金微粒子、金属酸化物、及び炭素材料を含有する、燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の製造方法であって、
前記金属酸化物は、Ti、Sn、Nb、及びTaからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属元素を含み、
白金イオン溶液を準備する工程、
前記金属酸化物の前駆体溶液を準備する工程、
前記金属酸化物の前駆体溶液及び前記炭素材料を混合し、第1の混合液を調製する工程、
前記第1の混合液及び前記白金イオン溶液を混合することにより、少なくとも、前記金属酸化物、前記炭素材料、及び白金イオンを含有する第2の混合液を調製する工程、
前記第2の混合液に一酸化炭素をバブリングさせる工程、並びに、
バブリング後の第2の混合液に還元剤を加え、白金微粒子を前記炭素材料の表面に析出させることにより、
前記炭素材料の表面に、前記金属酸化物を含み且つ前記白金微粒子の周囲を取り巻く金属酸化物層を形成し、且つ、
前記金属酸化物層中の、前記炭素材料の表面と前記複合触媒の表面との間に、前記白金微粒子を介した導電チャンネルを少なくとも1つ形成し、且つ、
前記導電チャンネル内で、前記白金原子と前記金属酸化物との結合を形成する還元工程を有することを特徴とする、燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の製造方法。
A method for producing a platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell, comprising platinum fine particles, a metal oxide, and a carbon material,
The metal oxide includes at least one metal element selected from the group consisting of Ti, Sn, Nb, and Ta,
Preparing a platinum ion solution;
Preparing a precursor solution of the metal oxide;
Mixing the metal oxide precursor solution and the carbon material to prepare a first mixed liquid;
A step of preparing a second mixed liquid containing at least the metal oxide, the carbon material, and platinum ions by mixing the first mixed liquid and the platinum ion solution;
Bubbling carbon monoxide in the second mixture, and
By adding a reducing agent to the second mixed liquid after bubbling, and precipitating platinum fine particles on the surface of the carbon material,
Forming on the surface of the carbon material a metal oxide layer containing the metal oxide and surrounding the platinum fine particles; and
Forming at least one conductive channel via the platinum fine particles between the surface of the carbon material and the surface of the composite catalyst in the metal oxide layer; and
A method for producing a platinum / metal oxide composite catalyst for a fuel cell, comprising a reduction step of forming a bond between the platinum atom and the metal oxide in the conductive channel.
前記第2の混合液を調製する工程の前に、
前記第1の混合液に塩基を加えて、前記金属酸化物の前駆体の一部又は全部を前記金属酸化物に変換する工程を有する、請求項8に記載の燃料電池用白金・金属酸化物複合触媒の製造方法。
Before the step of preparing the second mixed solution,
The platinum / metal oxide for a fuel cell according to claim 8 , further comprising a step of converting a part or all of the precursor of the metal oxide into the metal oxide by adding a base to the first mixed solution. A method for producing a composite catalyst.
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