JP5758609B2 - Method for producing core-shell particles - Google Patents
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Description
本発明は、コアシェル粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing core-shell particles.
近年、地球環境問題が大きくクローズアップされてきている。燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有する上に、ＣＯ２の排出削減に寄与するだけでなく、酸性雨の原因や大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘ、塵埃等の排出がほとんどないクリーンな電池である。さらに、静粛性も高いという利点がある。そのため、燃料電池は、２１世紀に最適なエネルギー変換装置として一部実用化されつつある。特に、燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、作動温度が低くかつ出力密度が高いため、小型化が可能であるという長所をもっている。 In recent years, global environmental problems have been greatly highlighted. A fuel cell not only has high energy conversion efficiency but also contributes to the reduction of CO 2 emissions, and is also a clean cell that emits almost no NOx, SOx, dust, etc. that cause acid rain and air pollution. It is. Furthermore, there is an advantage that silence is also high. Therefore, some fuel cells are being put into practical use as an energy conversion device that is optimal for the 21st century. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) among fuel cells has an advantage that it can be miniaturized because of its low operating temperature and high output density.
図９は、固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図である。
固体高分子形燃料電池は、高分子固体電解質膜１を中心として酸素極２と水素極３とで挟んだ構成を有する。高分子固体電解質膜１は、例えば、炭素繊維性の多孔性クロス基材上に、高分子固体電解質を含むスラリーを塗布し、次いで焼成することにより得られたイオン交換膜である。
そして、酸素極２の外側の中央部は、集電体６に担持されるとともに、水素極３の外側の中央部は、集電体７に担持されている。集電体６は、良電導性かつ耐食性を有する材料からなり、通常、黒鉛、チタン、ステンレス等で形成されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of a polymer electrolyte fuel cell.
The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a polymer solid electrolyte membrane 1 is sandwiched between an oxygen electrode 2 and a hydrogen electrode 3. The polymer solid electrolyte membrane 1 is an ion exchange membrane obtained by, for example, applying a slurry containing a polymer solid electrolyte on a carbon fiber porous cloth substrate and then baking the slurry.
The central portion outside the oxygen electrode 2 is carried by the current collector 6, and the central portion outside the hydrogen electrode 3 is carried by the current collector 7. The current collector 6 is made of a material having good electrical conductivity and corrosion resistance, and is usually formed of graphite, titanium, stainless steel or the like.
酸素極２の外側の周縁部には、枠形状のガスケット４の内側が接触し、さらにガスケット４の外側には、複数の凹部を内側の中央部に有するフレーム８の内側の突出周縁部が接触している。これにより、フレーム８の内側と酸素極２の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の酸素極室９が形成されている。また、フレーム８は、内側と外側とを貫通するように酸素極室９に連結する酸素ガス供給口１２と、内側と外側とを貫通するように酸素極室９に連結する未反応酸素ガス及び生成水取出口１３とを有する。
一方、水素極３の外側の周縁部には、枠形状のガスケット５の内側が接触し、さらにガスケット５の外側には、複数の凹部を内側の中央部に有するフレーム１０の内側の突出周縁部が接触している。これにより、フレーム１０の内側と水素極３の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の水素極室１１が形成されている。また、フレーム１０は、内側と外側とを貫通するように水素極室１１に連結する水素ガス供給口１４と、内側と外側とを貫通するように水素極室１１に連結する未反応水素ガス取出口１５とを有する。
The outer peripheral edge of the oxygen electrode 2 is in contact with the inside of the frame-shaped gasket 4, and the outer periphery of the gasket 4 is in contact with the protruding peripheral edge of the inner side of the frame 8 having a plurality of recesses at the inner central part. doing. Thus, a plurality of oxygen electrode chambers 9 are formed between the inside of the frame 8 and the outside of the oxygen electrode 2 so as to correspond to the plurality of recesses. The frame 8 includes an oxygen gas supply port 12 connected to the oxygen electrode chamber 9 so as to penetrate the inside and outside, an unreacted oxygen gas connected to the oxygen electrode chamber 9 so as to penetrate the inside and outside, and And a generated water outlet 13.
On the other hand, the outer peripheral edge of the hydrogen electrode 3 is in contact with the inner side of the frame-shaped gasket 5, and the outer peripheral edge of the gasket 5 is a protruding peripheral edge on the inner side of the frame 10 having a plurality of recesses at the inner central part. Are in contact. Thus, a plurality of hydrogen electrode chambers 11 are formed between the inside of the frame 10 and the outside of the hydrogen electrode 3 so as to correspond to the plurality of recesses. The frame 10 has a hydrogen gas supply port 14 connected to the hydrogen electrode chamber 11 so as to penetrate the inside and the outside, and an unreacted hydrogen gas intake connected to the hydrogen electrode chamber 11 so as to penetrate the inside and the outside. And an outlet 15.
このような酸素極２と水素極３とには、高い触媒活性を示す白金微粒子を担体に担持した触媒が通常使用される。そして、白金微粒子の製造方法としては、例えば、電着法、スパッタ法、白金錯体含浸−還元熱分解法、アルコール還元法、ホウ化水素還元法、酸化物気相還元法等の種々の方法が挙げられる。
ところで、このような固体高分子形燃料電池の普及を妨げる一因として、価格が高いことが挙げられている。特に、酸素極２と水素極３とに使用される白金は、極めて高価である。
For the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3, a catalyst in which platinum fine particles exhibiting high catalytic activity are supported on a carrier is usually used. Examples of the method for producing platinum fine particles include various methods such as electrodeposition, sputtering, platinum complex impregnation-reduction thermal decomposition, alcohol reduction, borohydride reduction, and oxide gas phase reduction. Can be mentioned.
By the way, as one factor that hinders the spread of such polymer electrolyte fuel cells, it is cited that the price is high. In particular, platinum used for the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 is extremely expensive.
そこで、固体高分子形燃料電池の酸素極２と水素極３とにおいて、平均粒径３ｎｍの白金微粒子が使用されているが、反応に寄与する白金は、表面層のみであることが知られているので、粒径を小さくすることにより比表面積を増大させることが行われている。また、基体上に数原子層分の白金薄膜を形成することにより、白金のもつ触媒活性を維持したまま白金の低減を目指した触媒設計が行われている。
具体的には、膜厚が薄い白金薄膜の製造方法として、白金カルボニル錯体を有機溶媒に溶解させて白金カルボニル錯体溶液を得る調製工程と、白金カルボニル錯体溶液をイオン化傾向の大きな金属基体上に塗布した後、有機溶媒を除去することで白金薄膜が形成された金属基体を得る工程とを含む（例えば、特許文献１参照）。
なお、白金カルボニル錯体の製造方法としては、水溶液に、化学式（４）又は化学式（５）で示す白金化合物を溶解させて試料溶液を作製した後、試料溶液にＣＯをバブリング（泡入）して、白金カルボニル錯体溶液を作製している。
Ｍ２ＰｔＸ６ ・・・（４）
Ｍ２ＰｔＸ４ ・・・（５）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。
Therefore, platinum fine particles having an average particle diameter of 3 nm are used in the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 of the polymer electrolyte fuel cell, but it is known that platinum contributing to the reaction is only the surface layer. Therefore, the specific surface area is increased by reducing the particle size. In addition, by designing a platinum thin film of several atomic layers on a substrate, a catalyst design aimed at reducing platinum while maintaining the catalytic activity of platinum has been performed.
Specifically, as a method for producing a thin platinum film, a preparation process for obtaining a platinum carbonyl complex solution by dissolving a platinum carbonyl complex in an organic solvent, and coating the platinum carbonyl complex solution on a metal substrate having a large ionization tendency Then, the process of obtaining the metal base | substrate with which the platinum thin film was formed by removing an organic solvent is included (for example, refer patent document 1).
As a method for producing a platinum carbonyl complex, a platinum compound represented by chemical formula (4) or chemical formula (5) is dissolved in an aqueous solution to prepare a sample solution, and then CO is bubbled (bubbled) into the sample solution. A platinum carbonyl complex solution is being prepared.
M 2 PtX 6 (4)
M 2 PtX 4 (5)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
しかしながら、上述したような白金薄膜の製造方法や白金微粒子の製造方法では、平均粒径１．８ｎｍ程度の白金微粒子が作製されているが、さらに小さい平均粒径を有する白金微粒子を作製するには限界があった。 However, in the platinum thin film manufacturing method and the platinum fine particle manufacturing method as described above, platinum fine particles having an average particle diameter of about 1.8 nm are produced, but in order to produce platinum fine particles having a smaller average particle diameter. There was a limit.
本件発明者らは、上記課題を解決するために、白金粒子のごく表面（数原子層）しか反応には関与しないので、白金以外のコア粒子の表面に白金を原子層で修飾するほうが、白金を有効に利用でき、結果として白金使用量を低減するのに役に立つと考えた。そこで、コア粒子を作製し、そのコア粒子の表面に数層の白金原子層をシェル層として配置するコアシェル粒子を作製することについて検討を行った。まず、コア粒子を金粒子やパラジウム粒子で作製することにした。このとき、小さい平均粒径を有するコア粒子を用いることが望ましいため、化学式（１）で示す金化合物とポリビニルアルコール（ＰＶＡ）と水とを含む試料溶液に一酸化炭素（ＣＯ）をバブリングして、金粒子を作製した。これにより、平均粒径５ｎｍ以下を有する金粒子を作製することができることを見出した。
ＭＡｕＸ４ ・・・（１）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。
In order to solve the above problems, the present inventors are concerned only with the very surface (several atomic layers) of platinum particles in the reaction. Therefore, it is better to modify platinum on the surface of core particles other than platinum with atomic layers. It was thought that it can be used effectively, and as a result, it helps to reduce the amount of platinum used. Then, it examined about producing the core-shell particle which produced core particle and arrange | positioned several platinum atom layers as a shell layer on the surface of the core particle. First, the core particles were made of gold particles or palladium particles. At this time, since it is desirable to use core particles having a small average particle diameter, carbon monoxide (CO) is bubbled into a sample solution containing a gold compound represented by chemical formula (1), polyvinyl alcohol (PVA), and water. Gold particles were prepared. Thereby, it discovered that the gold particle which has an average particle diameter of 5 nm or less can be produced.
MAuX 4 (1)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
また、化学式（２）で示すパラジウム化合物とポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）とエタノールとを含む試料溶液にＣＯをバブリングして、パラジウム粒子を作製した。これにより、平均粒径５ｎｍ以下を有するパラジウム粒子を作製することができることを見出した。
Ｍ２ＰｄＸ４ ・・・（２）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。
In addition, CO particles were bubbled into a sample solution containing a palladium compound represented by the chemical formula (2), polyvinylpyrrolidone (PVP), and ethanol to produce palladium particles. Thereby, it discovered that the palladium particle | grains which have an average particle diameter of 5 nm or less can be produced.
M 2 PdX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
さらに、化学式（３）で示すパラジウム化合物とアセトニトリルとを含む試料溶液にＣＯをバブリングして、パラジウム粒子を作製した。これにより、平均粒径５ｎｍ以下を有するパラジウム粒子を作製することができることを見出した。
Ｐｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２ ・・・（３）
Further, CO particles were bubbled into a sample solution containing a palladium compound represented by the chemical formula (3) and acetonitrile to produce palladium particles. Thereby, it discovered that the palladium particle | grains which have an average particle diameter of 5 nm or less can be produced.
Pd (CH 3 COO) 2 (3)
すなわち、本発明のコアシェル粒子の製造方法は、化学式（１）で示す金化合物とポリビニルアルコールとを水に溶解させて試料溶液を作製する試料溶液作製工程と、前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、金コア粒子を作製するＡｕコア粒子作製工程とを含むようにしている。
ＭＡｕＸ４ ・・・（１）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。
That is, the method for producing core-shell particles of the present invention includes a sample solution preparation step of preparing a sample solution by dissolving a gold compound represented by chemical formula (1) and polyvinyl alcohol in water, and bubbling carbon monoxide in the sample solution. In addition, an Au core particle production step for producing gold core particles is included.
MAuX 4 (1)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
以上のように、本発明のコアシェル粒子の製造方法によれば、平均粒径５ｎｍ以下を有する金コア粒子を作製することができる。 As described above, according to the method for producing core-shell particles of the present invention, gold core particles having an average particle size of 5 nm or less can be produced.
（他の課題を解決するための手段および効果）
また、本発明のコアシェル粒子の製造方法は、化学式（２）で示すパラジウム化合物とポリビニルピロリドンとをエタノールに溶解させて試料溶液を作製する試料溶液作製工程と、前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、パラジウムコア粒子を作製するＰｄコア粒子作製工程とを含むようにしている。
Ｍ２ＰｄＸ４ ・・・（２）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。
以上のように、本発明のコアシェル粒子の製造方法によれば、平均粒径５ｎｍ以下を有するパラジウムコア粒子を作製することができる。
(Means and effects for solving other problems)
The method for producing core-shell particles of the present invention includes a sample solution preparation step of preparing a sample solution by dissolving a palladium compound represented by chemical formula (2) and polyvinylpyrrolidone in ethanol, and bubbling carbon monoxide in the sample solution. And a Pd core particle production step of producing palladium core particles.
M 2 PdX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
As described above, according to the method for producing core-shell particles of the present invention, palladium core particles having an average particle size of 5 nm or less can be produced.
また、本発明のコアシェル粒子の製造方法は、化学式（３）で示すパラジウム化合物をアセトニトリルに溶解させて試料溶液を作製する試料溶液作製工程と、前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、パラジウムコア粒子を作製するＰｄコア粒子作製工程とを含むようにしている。
Ｐｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２ ・・・（３）
以上のように、本発明のコアシェル粒子の製造方法によれば、平均粒径５ｎｍ以下を有するパラジウムコア粒子を作製することができる。
In addition, the method for producing core-shell particles of the present invention includes a sample solution preparation step of preparing a sample solution by dissolving a palladium compound represented by chemical formula (3) in acetonitrile, bubbling carbon monoxide into the sample solution, And a Pd core particle production step of producing core particles.
Pd (CH 3 COO) 2 (3)
As described above, according to the method for producing core-shell particles of the present invention, palladium core particles having an average particle size of 5 nm or less can be produced.
また、本発明のコアシェル粒子の製造方法においては、前記コア粒子作製工程において、−１０℃以上１０℃以下で試料溶液に一酸化炭素をバブリングするようにしてもよい。 Moreover, in the manufacturing method of the core-shell particle of this invention, you may make it bubble a carbon monoxide to a sample solution at -10 degreeC or more and 10 degrees C or less in the said core particle preparation process.
また、本発明のコアシェル粒子の製造方法は、水にカーボン粒子を分散させたカーボン粒子分散液に、前記コア粒子を混合して、コア粒子担持カーボンブラック触媒を作製する混合工程と、前記コア粒子担持カーボンブラック触媒に銅のアンダーポテンシャル析出を行い、前記コア粒子の表面に銅原子層が形成されたＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を作製するＵＰＤ工程と、化学式（４）又は化学式（５）で示す白金化合物を溶解させた白金溶液にＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を浸して、白金の置換析出により前記コア粒子の表面に白金シェル層が形成されたＰｔシェル／金属コア粒子担持カーボンブラック触媒を作製するＰｔシェル層作製工程とを含むようにしてもよい。
Ｍ２ＰｔＸ６ ・・・（４）
Ｍ２ＰｔＸ４ ・・・（５）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。
以上のように、本発明のコアシェル粒子の製造方法によれば、平均粒径５ｎｍ以下を有するコア粒子の表面にＰｔシェル層を作製することができる。
Further, the method for producing core-shell particles of the present invention includes a mixing step of preparing a core particle-supporting carbon black catalyst by mixing the core particles with a carbon particle dispersion in which carbon particles are dispersed in water, and the core particles A UPD process for preparing a Cu atomic layer-supported carbon black catalyst in which a copper atomic layer is formed on the surface of the core particle by performing copper underpotential deposition on the supported carbon black catalyst, and a chemical formula (4) or a chemical formula (5) A Pt shell / metal core particle-supported carbon black catalyst in which a platinum shell layer is formed on the surface of the core particles by immersing a Cu atomic layer-supported carbon black catalyst in a platinum solution in which the platinum compound shown in FIG. And a Pt shell layer manufacturing step to be manufactured.
M 2 PtX 6 (4)
M 2 PtX 4 (5)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
As described above, according to the method for producing core-shell particles of the present invention, a Pt shell layer can be formed on the surface of core particles having an average particle size of 5 nm or less.
そして、本発明のコアシェル粒子の製造方法においては、前記カーボン粒子は、ケッチェンブラック、Ｖｕｌｃａｎ、アセチレンブラック、グラファイト、又は、グラフェンであるようにしてもよい。
さらに、本発明のコアシェル粒子の製造方法においては、前記混合工程において、前記カーボン粒子分散液にコア粒子を混合して超音波処理を行うようにしてもよい。
And in the manufacturing method of the core-shell particle of this invention, you may make it the said carbon particle be ketjen black, Vulcan, acetylene black, a graphite, or a graphene.
Furthermore, in the method for producing core-shell particles of the present invention, in the mixing step, ultrasonic treatment may be performed by mixing the core particles with the carbon particle dispersion.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and it goes without saying that various aspects are included without departing from the spirit of the present invention.
＜第一の実施形態＞
第一の実施形態に係るコアシェル粒子の製造方法は、試料溶液を作製する試料溶液作製工程（Ａ）と、金コア粒子を作製するＡｕコア粒子作製工程（Ｂ）と、Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製する混合工程（Ｃ）と、Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を熱処理する熱処理工程（Ｄ）と、電極を得る電極作製工程（Ｅ）と、金コア粒子の表面に銅原子層が形成されたＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を作製するＵＰＤ工程（Ｆ）と、金コア粒子の表面に白金シェル層が形成されたＰｔシェル／Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製するＰｔシェル層作製工程（Ｇ）とを含む。
<First embodiment>
The core shell particle manufacturing method according to the first embodiment includes a sample solution preparation step (A) for preparing a sample solution, an Au core particle preparation step (B) for preparing gold core particles, and an Au core particle-supported carbon black. A mixing step (C) for producing a catalyst, a heat treatment step (D) for heat-treating the Au core particle-supported carbon black catalyst, an electrode producing step (E) for obtaining an electrode, and a copper atomic layer formed on the surface of the gold core particle UPD process (F) for producing a prepared Cu atomic layer-supported carbon black catalyst, and a Pt shell layer preparation process for producing a Pt shell / Au core particle-supported carbon black catalyst in which a platinum shell layer is formed on the surface of a gold core particle (G).
（Ａ）試料溶液作製工程
金化合物とポリビニルアルコール（ＰＶＡ）とを水に溶解させて試料溶液を作製する。
まず、ＰＶＡを水に溶解させてＰＶＡ水溶液を作製する。
上記ポリビニルアルコールとしては、例えば、重合度１５００以上１８００以下であるもの等が挙げられる。そして、ＰＶＡ水溶液におけるポリビニルアルコールの濃度は、特に限定されず、０．１ｍｍｏｌ／Ｌ以上５．０ｍｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。０．１ｍｍｏｌ／Ｌ未満であると、金コア粒子の粒径が大きくなる可能性がある。
(A) Sample solution preparation step A gold compound and polyvinyl alcohol (PVA) are dissolved in water to prepare a sample solution.
First, PVA is dissolved in water to prepare a PVA aqueous solution.
Examples of the polyvinyl alcohol include those having a polymerization degree of 1500 or more and 1800 or less. And the density | concentration of the polyvinyl alcohol in PVA aqueous solution is not specifically limited, It is preferable that they are 0.1 mmol / L or more and 5.0 mmol / L or less. If it is less than 0.1 mmol / L, the particle size of the gold core particles may increase.
次に、化学式（１）で示す金化合物をＰＶＡ水溶液に溶解させて試料溶液を作製する。
ＭＡｕＸ４ ・・・（１）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。
化学式（１）で示す金化合物としては、例えば、ＨＡｕＣｌ４、ＫＡｕＣｌ４、ＫＡｕＢｒ４、ＮａＡｕＣｌ４、ＮＨ４ＡｕＣｌ４、ＮＨ４ＡｕＢｒ４等が挙げられる。
そして、試料溶液における金化合物の濃度は、特に限定されず、０．１ｍｍｏｌ／Ｌ以上０．５ｍｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。０．５ｍｍｏｌ／Ｌを超えると、金コア粒子の粒径が大きくなる可能性がある。
Next, a gold compound represented by the chemical formula (1) is dissolved in a PVA aqueous solution to prepare a sample solution.
MAuX 4 (1)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
Examples of the gold compound represented by the chemical formula (1) include HAuCl 4 , KAuCl 4 , KAuBr 4 , NaAuCl 4 , NH 4 AuCl 4 , NH 4 AuBr 4, and the like.
And the density | concentration of the gold compound in a sample solution is not specifically limited, It is preferable that they are 0.1 mmol / L or more and 0.5 mmol / L or less. If it exceeds 0.5 mmol / L, the particle size of the gold core particles may increase.
（Ｂ）Ａｕコア粒子作製工程
試料溶液に一酸化炭素（ＣＯ）をバブリングして、金コア粒子を作製する。
ＣＯをバブリングする時間は、３０秒以上１０分以下であることが好ましく、ＣＯをバブリングする温度は、１℃以上１０℃以下であることが好ましい。
なお、ＣＯをバブリングする前に、アルゴン（Ａｒ）ガスで２０分間バブリングして、脱気することが好ましい。
(B) Au core particle production process Carbon monoxide (CO) is bubbled through the sample solution to produce gold core particles.
The time for bubbling CO is preferably 30 seconds or more and 10 minutes or less, and the temperature for bubbling CO is preferably 1 ° C. or more and 10 ° C. or less.
In addition, before bubbling CO, it is preferable to deaerate by bubbling with argon (Ar) gas for 20 minutes.
（Ｃ）混合工程
水にカーボン粒子（ＣＢ）を分散させたカーボン粒子分散液に、金コア粒子を混合して、Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製する。そして、濾過して洗浄してエタノールに再分散した後、真空ポンプで真空乾燥することにより、Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を得る。
このとき、カーボン粒子分散液と金コア粒子とを混合して超音波処理を行うことが好ましい。そして、カーボン粒子分散液と金コア粒子とを混合する時間は、１０分以上９０分以下であることが好ましい。
カーボン粒子としては、例えば、ケッチェンブラック、Ｖｕｌｃａｎ、アセチレンブラック、グラファイト、グラフェン等が挙げられる。
そして、カーボン粒子分散液におけるカーボン粒子の濃度は、特に限定されず、０．１ｇ／Ｌ以上０．３ｇ／Ｌ以下であることが好ましい。また、金コア粒子の濃度は、特に限定されず、カーボン粒子の濃度の１／５以上１／３以下であることが好ましい。
(C) Mixing step Gold core particles are mixed in a carbon particle dispersion in which carbon particles (CB) are dispersed in water to produce an Au core particle-supported carbon black catalyst. And after filtering and washing | cleaning and re-dispersing in ethanol, Au core particle carrying | support carbon black catalyst is obtained by vacuum-drying with a vacuum pump.
At this time, it is preferable to perform ultrasonic treatment by mixing the carbon particle dispersion and the gold core particles. The time for mixing the carbon particle dispersion and the gold core particles is preferably 10 minutes or more and 90 minutes or less.
Examples of the carbon particles include ketjen black, Vulcan, acetylene black, graphite, and graphene.
And the density | concentration of the carbon particle in a carbon particle dispersion liquid is not specifically limited, It is preferable that they are 0.1 g / L or more and 0.3 g / L or less. Moreover, the density | concentration of gold core particle is not specifically limited, It is preferable that it is 1/5 or more and 1/3 or less of the density | concentration of carbon particle.
ここで、図１は、金コア粒子担持カーボンブラック触媒の透過型電子顕微鏡写真と粒度分布のグラフとを示す図である。
図１（ａ）において、黒く球状に見えている部分がＡｕ粒子であり、薄いグレーで広がっている部分が担体のＣＢ（カーボンブラック）である。Ａｕ粒子は凝集することなく、ＣＢ上に均一に分布していることが分かる。また、極端に大きな粒径を有するＡｕ粒子も確認されなかった。図１（ｂ）は、ＴＥＭ像に写ったＡｕ粒子の中から無作為に５００個のＡｕ粒子の粒径を計り、作製した粒径分布のヒストグラムである。Ａｕ粒子の平均粒径及び粒径分布は、３．８±０．７６ｎｍとなっている。
Here, FIG. 1 is a diagram showing a transmission electron micrograph and a particle size distribution graph of the gold core particle-supported carbon black catalyst.
In FIG. 1A, the black and spherical portions are Au particles, and the light gray portions are CB (carbon black) of the carrier. It can be seen that the Au particles are uniformly distributed on the CB without aggregation. Also, Au particles having an extremely large particle size were not confirmed. FIG. 1B is a histogram of the particle size distribution produced by measuring the particle size of 500 Au particles randomly from the Au particles shown in the TEM image. The average particle size and particle size distribution of the Au particles are 3.8 ± 0.76 nm.
（Ｄ）熱処理工程
Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を２００℃以上４００℃以下、３時間以下で熱処理する。これにより、Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒に付着しているＰＶＡを除去することができる。
ここで、図２は、金コア粒子の粒径と、１時間の熱処理温度との関係を示すグラフである。熱処理温度が４００℃以下であるときには、金コア粒子の粒径が４ｎｍ以下を保っており、粒子成長はかなり抑えられている。しかし、熱処理温度が５００℃であるときには、金コア粒子の粒径が５ｎｍ以上となっている。
また、図３は、金コア粒子の粒径と、４００℃での熱処理時間との関係を示すグラフである。熱処理時間が１時間以下であるときには、金コア粒子の粒径が４ｎｍ以下を保っており、粒子成長はかなり抑えられている。
(D) Heat treatment step The Au core particle-supported carbon black catalyst is heat-treated at 200 ° C to 400 ° C for 3 hours or less. Thereby, PVA adhering to Au core particle carrying | support carbon black catalyst can be removed.
Here, FIG. 2 is a graph showing the relationship between the particle size of the gold core particles and the heat treatment temperature for 1 hour. When the heat treatment temperature is 400 ° C. or less, the particle size of the gold core particles is kept at 4 nm or less, and the particle growth is considerably suppressed. However, when the heat treatment temperature is 500 ° C., the particle size of the gold core particles is 5 nm or more.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the particle diameter of the gold core particles and the heat treatment time at 400 ° C. When the heat treatment time is 1 hour or less, the particle size of the gold core particles is kept at 4 nm or less, and the particle growth is considerably suppressed.
（Ｅ）電極作製工程
Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒をエタノール中に分散して、懸濁液を得て、懸濁液を基体に塗布して、乾燥させることにより電極を得る。
（Ｆ）ＵＰＤ工程
Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒に銅のアンダーポテンシャル析出を行い、金コア粒子の表面に銅原子層が形成されたＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を作製する。
例えば、０．５ｍｏｌ／ＬＨ２ＳＯ４＋２ｍｍｏｌ／ＬＣｕＳＯ４（Ａｒ雰囲気）中、０．３Ｖで１８０秒間電位保持することにより、Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒における金コア粒子の表面にＣｕ原子層を形成させる。
(E) Electrode preparation process Au core particle carrying | support carbon black catalyst is disperse | distributed in ethanol, suspension is obtained, an electrode is obtained by apply | coating suspension to a base | substrate and drying.
(F) UPD process Underpotential deposition of copper is performed on the Au core particle-supported carbon black catalyst to produce a Cu atomic layer-supported carbon black catalyst in which a copper atomic layer is formed on the surface of the gold core particles.
For example, by holding a potential at 0.3 V for 180 seconds in 0.5 mol / LH 2 SO 4 +2 mmol / LCuSO 4 (Ar atmosphere), a Cu atomic layer is formed on the surface of the gold core particle in the Au core particle-supported carbon black catalyst. Let it form.
（Ｇ）Ｐｔシェル層作製工程
化学式（４）又は化学式（５）で示す白金化合物を溶解させた白金溶液にＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を浸して、金コア粒子の表面にＰｔシェル層が形成されたＰｔシェル／Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製する。
例えば、５ｍｍｏｌ／ＬＫ２ＰｔＣｌ４＋０．０５ｍｏｌ／ＬＨ２ＳＯ４（Ａｒ雰囲気）に移し、１０分間電極を浸し、置換析出させることにより、Ｐｔシェル／Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製する。
(G) Pt shell layer preparation process Cu atom layer-supported carbon black catalyst is immersed in a platinum solution in which a platinum compound represented by chemical formula (4) or chemical formula (5) is dissolved to form a Pt shell layer on the surface of the gold core particles. The prepared Pt shell / Au core particle-supported carbon black catalyst is prepared.
For example, a Pt shell / Au core particle-supported carbon black catalyst is produced by transferring to 5 mmol / LK 2 PtCl 4 +0.05 mol / LH 2 SO 4 (Ar atmosphere), immersing the electrode for 10 minutes, and performing substitution deposition.
Ｍ２ＰｔＸ６ ・・・（４）
Ｍ２ＰｔＸ４ ・・・（５）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。
化学式（４）で示す金化合物としては、例えば、Ｈ２ＰｔＣｌ６、Ｋ２ＰｔＣｌ６、Ｋ２ＰｔＢｒ６、Ｎａ２ＰｔＣｌ６、（ＮＨ４）２ＰｔＣｌ６、（ＮＨ４）２ＰｔＢｒ６等が挙げられる。
化学式（５）で示す金化合物としては、例えば、Ｈ２ＰｔＣｌ４、Ｋ２ＰｔＣｌ４、Ｋ２ＰｔＢｒ４、Ｎａ２ＰｔＣｌ４、（ＮＨ４）２ＰｔＣｌ４、（ＮＨ４）２ＰｔＢｒ４等が挙げられる。
M 2 PtX 6 (4)
M 2 PtX 4 (5)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
Examples of the gold compound represented by the chemical formula (4) include H 2 PtCl 6 , K 2 PtCl 6 , K 2 PtBr 6 , Na 2 PtCl 6 , (NH 4 ) 2 PtCl 6 , (NH 4 ) 2 PtBr 6, and the like. Can be mentioned.
Examples of the gold compound represented by the chemical formula (5) include H 2 PtCl 4 , K 2 PtCl 4 , K 2 PtBr 4 , Na 2 PtCl 4 , (NH 4 ) 2 PtCl 4 , (NH 4 ) 2 PtBr 4, and the like. Can be mentioned.
なお、（Ｆ）ＵＰＤ工程と（Ｇ）Ｐｔシェル層作製工程とを繰り返すことにより、金コア粒子の表面に形成されるＰｔシェル層の数を１層から３層まで変化させてもよい。
ここで、図４は、Ｐｔシェル層の数と、Ａｕの表面積、Ｐｔの表面積、Ｐｔの被覆率との関係を示すグラフである。Ｐｔシェル粒子の層数が１であるときには、Ａｕ表面の７割強をＰｔが覆っており、Ｐｔシェル粒子の層数が３であるときには、Ｐｔの被覆率が１００％にかなり近くなっている。
In addition, you may change the number of Pt shell layers formed in the surface of a gold core particle from 1 layer to 3 layers by repeating a (F) UPD process and a (G) Pt shell layer preparation process.
Here, FIG. 4 is a graph showing the relationship between the number of Pt shell layers and the surface area of Au, the surface area of Pt, and the coverage of Pt. When the number of layers of Pt shell particles is 1, Pt covers over 70% of the Au surface, and when the number of layers of Pt shell particles is 3, the Pt coverage is very close to 100%. .
以上のように、本発明のコアシェル粒子の製造方法によれば、平均粒径５ｎｍ以下を有する金コア粒子を作製することができる。 As described above, according to the method for producing core-shell particles of the present invention, gold core particles having an average particle size of 5 nm or less can be produced.
＜第二の実施形態＞
第二の実施形態に係るコアシェル粒子の製造方法は、試料溶液を作製する試料溶液作製工程（Ａ’）と、パラジウムコア粒子を作製するＰｄコア粒子作製工程（Ｂ’）と、Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製する混合工程（Ｃ’）と、Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を熱処理する熱処理工程（Ｄ’）と、電極を得る電極作製工程（Ｅ’）と、パラジウムコア粒子の表面に銅原子層が形成されたＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を作製するＵＰＤ工程（Ｆ’）と、パラジウムコア粒子の表面に白金シェル層が形成されたＰｔシェル／Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製するＰｔシェル層作製工程（Ｇ’）とを含む。なお、上述した第一の実施形態と同様のものについては、説明を省略する。
<Second Embodiment>
The method for producing core-shell particles according to the second embodiment includes a sample solution preparation step (A ′) for preparing a sample solution, a Pd core particle preparation step (B ′) for preparing palladium core particles, and a Pd core particle support. A mixing step (C ′) for producing a carbon black catalyst, a heat treatment step (D ′) for heat-treating the Pd core particle-supported carbon black catalyst, an electrode producing step (E ′) for obtaining an electrode, and the surface of the palladium core particles UPD process (F ′) for producing a Cu atomic layer-supported carbon black catalyst with a copper atomic layer and a Pt shell / Pd core particle-supported carbon black catalyst with a platinum shell layer formed on the surface of a palladium core particle And a Pt shell layer manufacturing step (G ′). In addition, description is abbreviate | omitted about the thing similar to 1st embodiment mentioned above.
（Ａ’）試料溶液作製工程
化学式（２）で示すパラジウム化合物とポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）とをエタノールに溶解させて試料溶液を作製する。
上記ポリビニルピロリドンとしては、例えば、重合度１００００以上５００００以下であるもの等が挙げられる。そして、試料溶液におけるポリビニルピロリドンの濃度は、特に限定されず、１ｍｍｏｌ／Ｌ以上５．０ｍｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。１ｍｍｏｌ／Ｌ未満であると、パラジウムコア粒子の粒径が大きくなる可能性がある。
(A ′) Sample solution preparation step A palladium compound represented by chemical formula (2) and polyvinylpyrrolidone (PVP) are dissolved in ethanol to prepare a sample solution.
Examples of the polyvinyl pyrrolidone include those having a polymerization degree of 10,000 to 50,000. And the density | concentration of polyvinylpyrrolidone in a sample solution is not specifically limited, It is preferable that they are 1 mmol / L or more and 5.0 mmol / L or less. If it is less than 1 mmol / L, the particle diameter of the palladium core particles may increase.
Ｍ２ＰｄＸ４・・・（２）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。
化学式（２）で示す金化合物としては、例えば、Ｈ２ＰｄＣｌ４、Ｋ２ＰｄＣｌ４、Ｋ２ＰｄＢｒ４、Ｎａ２ＰｄＣｌ４、（ＮＨ４）２ＰｄＣｌ４、（ＮＨ４）２ＰｄＢｒ４等が挙げられる。
そして、試料溶液におけるパラジウム化合物の濃度は、特に限定されず、０．１ｍｍｏｌ／Ｌ以上０．５ｍｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。０．５ｍｍｏｌ／Ｌを超えると、パラジウムコア粒子の粒径が大きくなる可能性がある。
M 2 PdX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
Examples of the gold compound represented by the chemical formula (2) include H 2 PdCl 4 , K 2 PdCl 4 , K 2 PdBr 4 , Na 2 PdCl 4 , (NH 4 ) 2 PdCl 4 , (NH 4 ) 2 PdBr 4 and the like. Can be mentioned.
And the density | concentration of the palladium compound in a sample solution is not specifically limited, It is preferable that they are 0.1 mmol / L or more and 0.5 mmol / L or less. If it exceeds 0.5 mmol / L, the particle diameter of the palladium core particles may increase.
（Ｂ’）Ｐｄコア粒子作製工程
試料溶液に一酸化炭素（ＣＯ）をバブリングして、パラジウムコア粒子を作製する。
ＣＯをバブリングする時間は、３０秒以上３０分以下であることが好ましく、ＣＯをバブリングする温度は、−１０℃以上１０℃以下であることが好ましい。
なお、ＣＯをバブリングする前に、アルゴン（Ａｒ）ガスで２０分間バブリングして、脱気することが好ましい。
(B ′) Pd core particle production step Carbon monoxide (CO) is bubbled into the sample solution to produce palladium core particles.
The time for bubbling CO is preferably 30 seconds or longer and 30 minutes or shorter, and the temperature for bubbling CO is preferably −10 ° C. or higher and 10 ° C. or lower.
In addition, before bubbling CO, it is preferable to deaerate by bubbling with argon (Ar) gas for 20 minutes.
（Ｃ’）混合工程
水にカーボン粒子（ＣＢ）を分散させたカーボン粒子分散液に、パラジウムコア粒子を混合して、Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製する。そして、濾過して洗浄してエタノールに再分散した後、真空ポンプで真空乾燥することにより、Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を得る。
このとき、カーボン粒子分散液とパラジウムコア粒子とを混合して超音波処理を行うことが好ましい。そして、カーボン粒子分散液とパラジウムコア粒子とを混合する時間は、１０分以上９０分以下であることが好ましい。
カーボン粒子としては、例えば、ケッチェンブラック、Ｖｕｌｃａｎ、アセチレンブラック、グラファイト、グラフェン等が挙げられる。
そして、カーボン粒子分散液におけるカーボン粒子の濃度は、特に限定されず、０．１ｇ／Ｌ以上０．５ｇ／Ｌ以下であることが好ましい。また、パラジウムコア粒子の濃度は、特に限定されず、カーボン粒子の濃度の１／５以上１／３以下であることが好ましい。
(C ′) Mixing Step Pd core particle-supported carbon black catalyst is prepared by mixing palladium core particles in a carbon particle dispersion in which carbon particles (CB) are dispersed in water. And after filtering and washing | cleaning and redispersing in ethanol, Pd core particle carrying | support carbon black catalyst is obtained by vacuum-drying with a vacuum pump.
At this time, it is preferable to perform ultrasonic treatment by mixing the carbon particle dispersion and the palladium core particles. The time for mixing the carbon particle dispersion and the palladium core particles is preferably 10 minutes or longer and 90 minutes or shorter.
Examples of the carbon particles include ketjen black, Vulcan, acetylene black, graphite, and graphene.
And the density | concentration of the carbon particle in a carbon particle dispersion liquid is not specifically limited, It is preferable that they are 0.1 g / L or more and 0.5 g / L or less. Moreover, the density | concentration of palladium core particle | grains is not specifically limited, It is preferable that it is 1/5 or more and 1/3 or less of the density | concentration of carbon particles.
（Ｄ’）熱処理工程
Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を１５０℃以上３００℃以下、１時間以下で熱処理する。これにより、Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒に付着しているＰＶＰを除去することができる。
(D ′) Heat treatment step The Pd core particle-supported carbon black catalyst is heat treated at 150 ° C. or more and 300 ° C. or less for 1 hour or less. Thereby, PVP adhering to the Pd core particle carrying carbon black catalyst can be removed.
（Ｅ’）電極作製工程
Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒をエタノール中に分散して、懸濁液を得て、懸濁液を基体に塗布して、乾燥させることにより電極を得る。
（Ｆ’）ＵＰＤ工程
Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒に銅のアンダーポテンシャル析出を行い、Ｐｄコア粒子の表面に銅原子層が形成されたＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を作製する。
(E ′) Electrode preparation step A Pd core particle-supported carbon black catalyst is dispersed in ethanol to obtain a suspension, and the suspension is applied to a substrate and dried to obtain an electrode.
(F ′) UPD process Underpotential deposition of copper is performed on the Pd core particle-supported carbon black catalyst to prepare a Cu atomic layer-supported carbon black catalyst in which a copper atomic layer is formed on the surface of the Pd core particles.
（Ｇ’）Ｐｔシェル層作製工程
化学式（４）又は化学式（５）で示す白金化合物を溶解させた白金溶液にＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を浸して、パラジウムコア粒子の表面にＰｔシェル層が形成されたＰｔシェル／Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製する。
(G ′) Pt shell layer preparation step A Cu atom layer-supported carbon black catalyst is immersed in a platinum solution in which a platinum compound represented by chemical formula (4) or chemical formula (5) is dissolved, and a Pt shell layer is formed on the surface of the palladium core particles. The formed Pt shell / Pd core particle-supported carbon black catalyst is prepared.
以上のように、本発明のコアシェル粒子の製造方法によれば、平均粒径５ｎｍ以下を有するパラジウムコア粒子を作製することができる。 As described above, according to the method for producing core-shell particles of the present invention, palladium core particles having an average particle size of 5 nm or less can be produced.
＜第三の実施形態＞
第三の実施形態に係るコアシェル粒子の製造方法は、試料溶液を作製する試料溶液作製工程（Ａ’’）と、パラジウムコア粒子を作製するＰｄコア粒子作製工程（Ｂ’’）と、Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製する混合工程（Ｃ’）と、電極を得る電極作製工程（Ｅ’）と、パラジウムコア粒子の表面に銅原子層が形成されたＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を作製するＵＰＤ工程（Ｆ’）と、パラジウムコア粒子の表面に白金シェル層が形成されたＰｔシェル／Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製するＰｔシェル層作製工程（Ｇ’）とを含む。なお、上述した第二の実施形態と同様のものについては、説明を省略する。
<Third embodiment>
The method for producing core-shell particles according to the third embodiment includes a sample solution preparation step (A ″) for preparing a sample solution, a Pd core particle preparation step (B ″) for preparing palladium core particles, and a Pd core. A mixing step (C ′) for producing a particle-supporting carbon black catalyst, an electrode production step (E ′) for obtaining an electrode, and a Cu atomic layer-supporting carbon black catalyst in which a copper atomic layer is formed on the surface of palladium core particles. And a Pt shell layer preparation step (G ′) for preparing a Pt shell / Pd core particle-supported carbon black catalyst in which a platinum shell layer is formed on the surface of the palladium core particles. In addition, description is abbreviate | omitted about the thing similar to 2nd embodiment mentioned above.
（Ａ’’）試料溶液作製工程
化学式（３）で示すパラジウム化合物をアセトニトリルに溶解させて試料溶液を作製する。
Ｐｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２ ・・・（３）
そして、試料溶液におけるパラジウム化合物の濃度は、特に限定されず、０．１ｍｍｏｌ／Ｌ以上１．０ｍｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。１．０ｍｍｏｌ／Ｌを超えると、パラジウムコア粒子の粒径が大きくなる可能性がある。
(A ″) Sample solution preparation step A palladium compound represented by chemical formula (3) is dissolved in acetonitrile to prepare a sample solution.
Pd (CH 3 COO) 2 (3)
And the density | concentration of the palladium compound in a sample solution is not specifically limited, It is preferable that they are 0.1 mmol / L or more and 1.0 mmol / L or less. If it exceeds 1.0 mmol / L, the particle diameter of the palladium core particles may increase.
（Ｂ’’）Ｐｄコア粒子作製工程
試料溶液に一酸化炭素（ＣＯ）をバブリングして、パラジウムコア粒子を作製する。
ＣＯをバブリングする時間は、３０秒以上３０分以下であることが好ましく、ＣＯをバブリングする温度は、−１０℃以上１０℃以下であることが好ましい。
なお、ＣＯをバブリングする前に、アルゴン（Ａｒ）ガスで２０分間バブリングして、脱気することが好ましい。
(B ″) Pd Core Particle Production Step Carbon monoxide (CO) is bubbled into the sample solution to produce palladium core particles.
The time for bubbling CO is preferably 30 seconds or longer and 30 minutes or shorter, and the temperature for bubbling CO is preferably −10 ° C. or higher and 10 ° C. or lower.
In addition, before bubbling CO, it is preferable to deaerate by bubbling with argon (Ar) gas for 20 minutes.
以上のように、本発明のコアシェル粒子の製造方法によれば、ＰＶＰ（安定化剤）を使用せずに平均粒径５ｎｍ以下を有するＰｄコア粒子を作製することができる。 As described above, according to the method for producing core-shell particles of the present invention, Pd core particles having an average particle diameter of 5 nm or less can be produced without using PVP (stabilizer).
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらによりなんら制限されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
＜実施例１＞
（Ａ）試料溶液作製工程
０．２５ｍｍｏｌ／ＬのＫＡｕＣｌ４と、重合度１５００以上１８００以下である１ｍｍｏｌ／Ｌのポリビニルアルコール（ＰＶＡ）とを水に溶解させて試料溶液を作製した。
（Ｂ）金コア粒子作製工程
試料溶液を４℃で冷却しながら、試料溶液にＡｒガスを２０分間バブリングした後、ＣＯを９０秒間バブリングして、金コア粒子を作製した。
<Example 1>
(A) Sample solution preparation step A sample solution was prepared by dissolving 0.25 mmol / L of KAuCl 4 and 1 mmol / L of polyvinyl alcohol (PVA) having a polymerization degree of 1500 to 1800 in water.
(B) Gold core particle production process While cooling the sample solution at 4 ° C, Ar gas was bubbled into the sample solution for 20 minutes, and then CO was bubbled for 90 seconds to produce gold core particles.
（Ｃ）混合工程
水にケッチェンブラック（ＫＢ）を分散させたカーボン粒子分散液に、Ａｕ：ＫＢ＝２０：８０となるように金コア粒子を混合して、超音波処理を３０分間行った。そして、濾過して洗浄してエタノールに再分散した後、真空ポンプで真空乾燥することにより、実施例１に係るＡｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を得た。
（Ｄ）熱処理工程
Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を４００℃、１時間で熱処理した。
(C) Mixing step Gold core particles were mixed in a carbon particle dispersion in which ketjen black (KB) was dispersed in water so that Au: KB = 20: 80, and sonication was performed for 30 minutes. . And after filtering and wash | cleaning and redispersing in ethanol, the Au core particle carrying | support carbon black catalyst which concerns on Example 1 was obtained by vacuum-drying with a vacuum pump.
(D) Heat treatment process The Au core particle carrying | support carbon black catalyst was heat-processed at 400 degreeC for 1 hour.
（Ｅ）電極作製工程
Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒をエタノール１．１ｍｌ中に分散して、懸濁液を得て、懸濁液２０μｌをマイクロピペットで直径５ｍｍのグラッシーカーボン製円柱体の上面に滴下して、エタノール飽和蒸気圧下で乾燥させた。さらに０．０５重量％のＮａｆｉｏｎ（登録商標）／エタノール溶液をマイクロピペットにより１０μｌ滴下し、エタノール飽和蒸気圧下で乾燥させた。その後、電気炉を用いてＡｒ雰囲気下、１２０℃で１時間熱処理を行うことにより、電極を得た。このとき、触媒担持量は１４．４μｇＡｕｃｍ−２となるようにした。
（Ｆ）ＵＰＤ工程
０．５ｍｏｌ／ＬＨ２ＳＯ４＋２ｍｍｏｌ／ＬＣｕＳＯ４（Ａｒ雰囲気）中、０．３Ｖで１８０秒間電位保持することにより、Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒における金コア粒子の表面にＣｕ原子層を形成させた。
(E) Electrode preparation step Au core particle-supported carbon black catalyst was dispersed in 1.1 ml of ethanol to obtain a suspension, and 20 μl of suspension was applied to the upper surface of a glassy carbon cylinder having a diameter of 5 mm with a micropipette. It was dripped and dried under ethanol saturated vapor pressure. Furthermore, 10 μl of 0.05% by weight Nafion® / ethanol solution was dropped with a micropipette and dried under ethanol saturated vapor pressure. Then, the electrode was obtained by performing heat processing for 1 hour at 120 degreeC by Ar atmosphere using an electric furnace. At this time, the catalyst loading was set to 14.4 μg Au cm −2 .
(F) UPD process In 0.5 mol / LH 2 SO 4 +2 mmol / LCuSO 4 (Ar atmosphere), by holding the potential at 0.3 V for 180 seconds, Cu surface is deposited on the surface of the gold core particles in the Au core particle-supported carbon black catalyst. An atomic layer was formed.
（Ｇ）Ｐｔシェル粒子作製工程
５ｍｍｏｌ／ＬＫ２ＰｔＣｌ４＋０．０５ｍｏｌ／ＬＨ２ＳＯ４（Ａｒ雰囲気）に移し、１０分間電極を浸し、置換析出させることにより、実施例１に係るＰｔシェル／Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を作製した。
(G) Pt shell particle preparation step 5 mmol / LK 2 PtCl 4 +0.05 mol / LH 2 SO 4 (Ar atmosphere), immersed in electrodes for 10 minutes, and substitution deposition is performed, whereby Pt shell / Au according to Example 1 A core particle-supported carbon black catalyst was prepared.
＜実施例２＞
熱処理工程（Ｄ）で、Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を４００℃、１時間で熱処理する代わりに、５００℃、１時間で熱処理したこと以外は実施例１と同様にして、実施例２に係るＡｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を得た。
＜実施例３＞
熱処理工程（Ｄ）で、Ａｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を４００℃、１時間で熱処理する代わりに、４００℃、３時間で熱処理したこと以外は実施例１と同様にして、実施例３に係るＡｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を得た。
<Example 2>
Example 2 is the same as Example 1 except that in the heat treatment step (D), the Au core particle-supported carbon black catalyst was heat treated at 400 ° C. for 1 hour, instead of being heat treated at 500 ° C. for 1 hour. An Au core particle-supported carbon black catalyst was obtained.
<Example 3>
Example 3 is the same as Example 1 except that in the heat treatment step (D), the Au core particle-supported carbon black catalyst was heat treated at 400 ° C. for 3 hours instead of heat treatment at 400 ° C. for 1 hour. An Au core particle-supported carbon black catalyst was obtained.
＜比較例１＞
試料溶液作製工程（Ａ）で、水の代わりにエタノールを使用するとともに、ＰＶＡを使用しなかったこと以外は実施例１と同様にして、比較例１に係るＡｕコア粒子担持カーボンブラック触媒を得た。
<Comparative Example 1>
In the sample solution preparation step (A), an Au core particle-supported carbon black catalyst according to Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that ethanol was used instead of water and PVA was not used. It was.
＜実施例４＞
（Ａ’）試料溶液作製工程
６．９６ｍｇのＮａ２ＰｄＣｌ４・３Ｈ２Ｏと、４ｍｇのポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）とを、２０ｍｌのエタノールに溶解させて試料溶液を作製した。
（Ｂ’）パラジウムコア粒子作製工程
試料溶液を４℃で冷却しながら、試料溶液にＡｒガスを２０分間バブリングした後、ＣＯを３０分間バブリングして、パラジウムコア粒子を作製した。
<Example 4>
(A ′) Sample solution preparation step 6.96 mg of Na 2 PdCl 4 .3H 2 O and 4 mg of polyvinylpyrrolidone (PVP) were dissolved in 20 ml of ethanol to prepare a sample solution.
(B ′) Palladium core particle production step While cooling the sample solution at 4 ° C., Ar gas was bubbled into the sample solution for 20 minutes, and then CO was bubbled for 30 minutes to produce palladium core particles.
（Ｃ’）混合工程
水にケッチェンブラックを分散させたカーボン粒子分散液に、Ｐｄ：ＫＢ＝２０：８０となるようにパラジウムコア粒子を混合して、超音波処理を３０分間行った。そして、濾過して洗浄してエタノールに再分散した後、真空ポンプで真空乾燥することにより、実施例４に係るＰｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を得た。
（Ｅ’）電極作製工程
Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒をエタノール１．１ｍｌ中に分散して、懸濁液を得て、懸濁液２０μｌをマイクロピペットで直径５ｍｍのグラッシーカーボン製円柱体の上面に滴下して、エタノール飽和蒸気圧下で乾燥させた。さらに０．０５重量％のＮａｆｉｏｎ／エタノール溶液をマイクロピペットにより１０μｌ滴下し、エタノール飽和蒸気圧下で乾燥させた。その後、電気炉を用いてＡｒ雰囲気下、１２０℃で１時間熱処理を行うことにより、電極を得た。このとき、触媒担持量は１４．４μｇＡｕｃｍ−２となるようにした。
(C ′) Mixing Step Palladium core particles were mixed in a carbon particle dispersion in which ketjen black was dispersed in water so that Pd: KB = 20: 80, and sonication was performed for 30 minutes. And after filtering and washing | cleaning and re-dispersing in ethanol, the Pd core particle carrying | support carbon black catalyst which concerns on Example 4 was obtained by vacuum-drying with a vacuum pump.
(E ′) Electrode preparation step A Pd core particle-supported carbon black catalyst is dispersed in 1.1 ml of ethanol to obtain a suspension, and 20 μl of the suspension is micropipetted on the upper surface of a glassy carbon cylinder having a diameter of 5 mm. And was dried under ethanol saturated vapor pressure. Further, 10 μl of 0.05 wt% Nafion / ethanol solution was dropped with a micropipette and dried under ethanol saturated vapor pressure. Then, the electrode was obtained by performing heat processing for 1 hour at 120 degreeC by Ar atmosphere using an electric furnace. At this time, the catalyst loading was set to 14.4 μg Au cm −2 .
＜比較例２＞
試料溶液作製工程（Ａ’）でＰＶＰを使用せず、パラジウムコア粒子作製工程（Ｂ’）でＣＯを３０分間バブリングする代わりにＣＯを１８０秒間バブリングしたこと以外は実施例４と同様にして、比較例２に係るＰｄコア粒子担持カーボンブラック触媒と電極とを得た。
<Comparative Example 2>
In the same manner as in Example 4 except that PVP was not used in the sample solution preparation step (A ′), and CO was bubbled for 180 seconds instead of bubbling CO for 30 minutes in the palladium core particle preparation step (B ′). A Pd core particle-supported carbon black catalyst and an electrode according to Comparative Example 2 were obtained.
＜実施例５＞
（Ａ’’）試料溶液作製工程
２２．４５ｍｇのＰｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２を、１００ｍｌのアセトニトリルに溶解させて試料溶液を作製した。
（Ｂ’’）Ｐｄコア粒子作製工程
試料溶液を４℃で冷却しながら、試料溶液にＡｒガスを２０分間バブリングした後、ＣＯを５分間バブリングして、パラジウムコア粒子を作製した。
<Example 5>
(A ″) Sample Solution Preparation Step 22.45 mg of Pd (CH 3 COO) 2 was dissolved in 100 ml of acetonitrile to prepare a sample solution.
(B ″) Pd core particle production step While cooling the sample solution at 4 ° C., Ar gas was bubbled through the sample solution for 20 minutes, and then CO was bubbled through for 5 minutes to produce palladium core particles.
（Ｃ’’）混合工程
アセトニトリルにケッチェンブラックを分散させたカーボン粒子分散液に、Ｐｄ：ＫＢ＝２０：８０となるようにＰｄコア粒子を混合して、超音波処理を３０分間行った。そして、濾過して洗浄してエタノールに再分散した後、真空ポンプで真空乾燥することにより、実施例５に係るＰｄコア粒子担持カーボンブラック触媒を得た。
（Ｅ’）電極作製工程
Ｐｄコア粒子担持カーボンブラック触媒をエタノール１．１ｍｌ中に分散して、懸濁液を得て、懸濁液２０μｌをマイクロピペットで直径５ｍｍのグラッシーカーボン製円柱体の上面に滴下して、エタノール飽和蒸気圧下で乾燥させた。さらに０．０５重量％のＮａｆｉｏｎ／エタノール溶液をマイクロピペットにより１０μｌ滴下し、エタノール飽和蒸気圧下で乾燥させた。その後、電気炉を用いてＡｒ雰囲気下、１２０℃で１時間熱処理を行うことにより、電極を得た。このとき、触媒担持量は１４．４μｇＡｕｃｍ−２となるようにした。
(C ″) Mixing Step Pd core particles were mixed in a carbon particle dispersion obtained by dispersing ketjen black in acetonitrile so that Pd: KB = 20: 80, and sonication was performed for 30 minutes. And after filtering and washing | cleaning and redispersing in ethanol, the Pd core particle carrying | support carbon black catalyst which concerns on Example 5 was obtained by vacuum-drying with a vacuum pump.
(E ′) Electrode preparation step A Pd core particle-supported carbon black catalyst is dispersed in 1.1 ml of ethanol to obtain a suspension, and 20 μl of the suspension is micropipetted on the upper surface of a glassy carbon cylinder having a diameter of 5 mm. And was dried under ethanol saturated vapor pressure. Further, 10 μl of 0.05 wt% Nafion / ethanol solution was dropped with a micropipette and dried under ethanol saturated vapor pressure. Then, the electrode was obtained by performing heat processing for 1 hour at 120 degreeC by Ar atmosphere using an electric furnace. At this time, the catalyst loading was set to 14.4 μg Au cm −2 .
＜物性評価＞
（１）粒径
電解放射型透過電子顕微鏡（ＦＥ−ＴＥＭ）（日立製作所社製、「ＨＦ−２０００」、加速電圧２００ｋＶ）を用いて、実施例１〜５及び比較例１，２に係るコア粒子担持カーボンブラック触媒のＴＥＭ写真を撮影した。そして、ＴＥＭ像に写ったコア粒子の中から無作為に５００個のコア粒子の平均粒径を計った。その結果を表１に示す。なお、実施例１〜３に係るコア粒子担持カーボンブラック触媒は、熱処理工程（Ｄ）を実行したものである。
<Physical property evaluation>
(1) Particle size Cores according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 using an electrolytic emission transmission electron microscope (FE-TEM) (manufactured by Hitachi, Ltd., “HF-2000”, acceleration voltage 200 kV) A TEM photograph of the particle-supported carbon black catalyst was taken. And the average particle diameter of 500 core particles was measured at random from the core particles reflected in the TEM image. The results are shown in Table 1. In addition, the core particle carrying | support carbon black catalyst which concerns on Examples 1-3 performs the heat processing process (D).
＜性能評価＞
（２）Ｔａｆｅｌプロット
Ｔａｆｅｌプロットを算出するための対流ボルタモグラムを測定するのに、回転電極用測定セルを使用した。ここで、図５は、回転電極用測定セルを示す図である。
回転電極用測定セルは、第一貯水槽３１と、第二貯水槽３２と、第一貯水槽３１内の上部に配置される作用極２１と、第一貯水槽３１内の下部に配置される対極２２と、第二貯水槽３２内の上部に配置される参照極（ＲＨＥ）２３と、第一貯水槽３１内と第二貯水槽３２内とを連結するキャピラリー２４と、第一貯水槽３１内に連結される酸素ガス供給口２５及び酸素ガス排出口２６と、作用極２１が下部に取り付けられる電極支持体３０と、電極支持体３０を回転させるモータ２７と、回転電極用測定セルを制御するポテンシオスタット２８とを備える。
<Performance evaluation>
(2) Tafel plot The measurement cell for rotating electrodes was used to measure the convection voltammogram for calculating the Tafel plot. Here, FIG. 5 is a diagram showing a measurement cell for a rotating electrode.
The rotating electrode measurement cell is arranged in the first water tank 31, the second water tank 32, the working electrode 21 arranged in the upper part in the first water tank 31, and the lower part in the first water tank 31. A counter electrode 22, a reference electrode (RHE) 23 disposed at an upper portion in the second water tank 32, a capillary 24 that connects the first water tank 31 and the second water tank 32, and the first water tank 31. The oxygen gas supply port 25 and the oxygen gas discharge port 26 connected to the inside, the electrode support 30 to which the working electrode 21 is attached at the bottom, the motor 27 for rotating the electrode support 30, and the measurement cell for the rotating electrode are controlled. And a potentiostat 28.
ポテンシオスタット２８は、例えば、コンピュータ制御のポテンシオスタット「ＢＡＳＣＶ−５０Ｗ」等である。
作用極２１には、実施例４〜５及び比較例２に係る電極を用いた。このとき、作用極２１を、熱収縮チューブと銀ペーストとを用いて、グラッシーカーボン製円柱体の上面が下側となるように、電極支持体３０の下部に取り付けた。さらに、メタクリル酸メチルポリマー（和光純薬工業社製、「１３８−０２７３５」）のアセトン溶液を作用極２１の側面に塗布した後、アセトンを除去することにより、作用極２１の側面をメタクリル酸メチルポリマーで被覆した。
The potentiostat 28 is, for example, a computer-controlled potentiostat “BASCV-50W” or the like.
As the working electrode 21, the electrodes according to Examples 4 to 5 and Comparative Example 2 were used. At this time, the working electrode 21 was attached to the lower part of the electrode support 30 using a heat-shrinkable tube and silver paste so that the upper surface of the glassy carbon cylinder was on the lower side. Further, an acetone solution of methyl methacrylate polymer (“138-02735” manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was applied to the side surface of the working electrode 21, and then the acetone was removed, so that the side surface of the working electrode 21 was methyl methacrylate. Coated with polymer.
なお、対極２２は円形状の白金板で形成し、参照極２３はＨｇ／Ｈｇ２ＳＯ４電極で形成した。第一貯水槽３１内と第二貯水槽３２内とには、０．１ｍｏｌ／ＬのＨＣｌＯ４を電解液２９として入れた。
また、測定中には、電解液２９を２５℃に保ち、酸素ガス供給口２５から酸素ガスを流速２０ｍｌ／ｍｉｎで導入しながら、０．０５〜１．０Ｖ（ｖｓ．ＲＨＥ）まで正電位方向に走査して行った。
そして、モータ２７を各回転数（０、１６００ｒｐｍ）で回転させた際に得られる測定電流ｉ及び電極電位Ｅを５回ずつ測定した。
The counter electrode 22 was formed of a circular platinum plate, and the reference electrode 23 was formed of an Hg / Hg 2 SO 4 electrode. In the first water tank 31 and the second water tank 32, 0.1 mol / L HClO 4 was put as the electrolyte solution 29.
During the measurement, the electrolytic solution 29 is kept at 25 ° C., and oxygen gas is introduced from the oxygen gas supply port 25 at a flow rate of 20 ml / min, and the positive potential direction is 0.05 to 1.0 V (vs. RHE). Scanning was performed.
Then, the measurement current i and the electrode potential E obtained when the motor 27 was rotated at each rotation speed (0, 1600 rpm) were measured five times.
その結果、１６００ｒｐｍの結果の平均値から０ｒｐｍの結果の平均値を差し引くことで、対流ボルタモグラムを得た。そして、式（１）を用いて実面積Ｓｐｔを算出した。さらに、対流ボルタモグラムから式（２）を用いて活性化支配電流ｉｋを算出し、活性化支配電流ｉｋと電極電位Ｅとの関係からＴａｆｅｌプロットを描いた。図６〜図８に、実施例４〜５及び比較例２に係る電極のＴａｆｅｌプロットを示す。
Ｓｐｔ＝Ｑ／２１０ ・・・（１）
ｉｋ＝ｉｌ×ｉ／（ｉｌ−ｉ） ・・・（２）
ここで、Ｑは水素の脱着電気量であり、ｉｌは拡散限界電流であり、ｉは測定電流である。
As a result, a convection voltammogram was obtained by subtracting the average value of the result of 0 rpm from the average value of the result of 1600 rpm. And real area Spt was computed using Formula (1). Furthermore, the activation dominant current ik was calculated from the convection voltammogram using the equation (2), and a Tafel plot was drawn from the relationship between the activation dominant current ik and the electrode potential E. 6 to 8 show Tafel plots of the electrodes according to Examples 4 to 5 and Comparative Example 2. FIG.
S pt = Q / 210 (1)
i k = i 1 × i / (i 1 −i) (2)
Here, Q is desorbed electrical quantity of the hydrogen, i l is the diffusion limiting current, i is a measured current.
本発明は、コアシェル粒子の製造等に利用することができる。 The present invention can be used for producing core-shell particles.
１ 高分子固体電解質膜
２ 酸素極
３ 水素極
４、５ ガスケット
６、７ 集電体
８、１０ フレーム
９ 酸素極室
１１ 水素極室
１２ 酸素ガス供給口
１３ 未反応酸素ガス及び生成水取出口
１４ 水素ガス供給口
１５ 未反応水素ガス取出口
２１ 作用極
２２ 対極
２３ 参照極
２４ キャピラリー
２５ 酸素ガス供給口
２６ 酸素ガス排出口
２７ モータ
２８ ポテンシオスタット
３０ 電極支持体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer solid electrolyte membrane 2 Oxygen electrode 3 Hydrogen electrode 4, 5 Gasket 6, 7 Current collector 8, 10 Frame 9 Oxygen electrode chamber 11 Hydrogen electrode chamber 12 Oxygen gas supply port 13 Unreacted oxygen gas and generated water outlet 14 Hydrogen gas supply port 15 Unreacted hydrogen gas outlet 21 Working electrode 22 Counter electrode 23 Reference electrode 24 Capillary 25 Oxygen gas supply port 26 Oxygen gas discharge port 27 Motor 28 Potentiostat 30 Electrode support
Claims (8)
前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、金コア粒子を作製するＡｕコア粒子作製工程とを含むことを特徴とするコアシェル粒子の製造方法。
ＭＡｕＸ４ ・・・（１）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。 A sample solution preparation step of preparing a sample solution by dissolving a gold compound represented by chemical formula (1) and polyvinyl alcohol in water;
A method for producing core-shell particles, comprising: an Au core particle producing step of producing gold core particles by bubbling carbon monoxide in the sample solution.
MAuX 4 (1)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、パラジウムコア粒子を作製するＰｄコア粒子作製工程とを含むことを特徴とするコアシェル粒子の製造方法。
Ｍ２ＰｄＸ４ ・・・（２）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。 A sample solution preparation step of preparing a sample solution by dissolving a palladium compound represented by the chemical formula (2) and polyvinylpyrrolidone in ethanol;
A method for producing core-shell particles, comprising: a Pd core particle production step of bubbling carbon monoxide in the sample solution to produce palladium core particles.
M 2 PdX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、パラジウムコア粒子を作製するＰｄコア粒子作製工程とを含むことを特徴とするコアシェル粒子の製造方法。
Ｐｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２ ・・・（３） A sample solution preparation step of preparing a sample solution by dissolving a palladium compound represented by chemical formula (3) in acetonitrile;
A method for producing core-shell particles, comprising: a Pd core particle production step of bubbling carbon monoxide in the sample solution to produce palladium core particles.
Pd (CH 3 COO) 2 (3)
前記コア粒子担持カーボンブラック触媒に銅のアンダーポテンシャル析出を行い、前記コア粒子の表面に銅原子層が形成されたＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を作製するＵＰＤ工程と、
化学式（４）又は化学式（５）で示す白金化合物を溶解させた白金溶液にＣｕ原子層担持カーボンブラック触媒を浸して、前記コア粒子の表面に白金シェル層が形成されたＰｔシェル／金属コア粒子担持カーボンブラック触媒を作製するＰｔシェル層作製工程とを含むことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のコアシェル粒子の製造方法。
Ｍ２ＰｔＸ６ ・・・（４）
Ｍ２ＰｔＸ４ ・・・（５）
ここで、Ｍはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Ｘはハロゲン原子である。 A mixing step of preparing a core particle-supporting carbon black catalyst by mixing the core particles in a carbon particle dispersion in which carbon particles are dispersed in water;
UPD step of performing copper underpotential deposition on the core particle-supported carbon black catalyst to produce a Cu atom layer-supported carbon black catalyst in which a copper atom layer is formed on the surface of the core particles;
Pt shell / metal core particles in which a platinum atom layer-supported carbon black catalyst is immersed in a platinum solution in which a platinum compound represented by chemical formula (4) or chemical formula (5) is dissolved, and a platinum shell layer is formed on the surface of the core particles The method for producing core-shell particles according to any one of claims 1 to 5, further comprising a Pt shell layer production step of producing a supported carbon black catalyst.
M 2 PtX 6 (4)
M 2 PtX 4 (5)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
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