JP5792514B2 - Catalyst production method - Google Patents

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Description

本発明は、白金粒子及び白金粒子を担持した導電性担体からなる触媒の製造方法に係り、白金粒子の表面に銅層を好適に被覆することができる触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a catalyst comprising platinum particles and a conductive carrier carrying the platinum particles, and more particularly to a method for producing a catalyst capable of suitably covering a surface of platinum particles with a copper layer.

従来から、めっき、物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)などの表面処理は、一般的に、粒子などの基材表面を異種材料で被覆することにより、基材の性質を維持したまま、基材表面の性質のみを改質するために行われることがある。一方、この種の表面処理は、被覆材となる高価な金属材料の使用量の低減、利用率の向上、あるいは、特性劣化の抑制のために利用される。   Conventionally, surface treatments such as plating, physical vapor deposition (PVD), and chemical vapor deposition (CVD) are generally performed by coating the surface of a substrate such as particles with a different material, while maintaining the properties of the substrate. This may be done to modify only the properties of the substrate surface. On the other hand, this type of surface treatment is used for reducing the amount of expensive metal material used as a coating material, improving the utilization rate, or suppressing characteristic deterioration.

例えば、燃料電池用電極には、粒状カーボンなどの導電性担体に白金粒子を担持させたものを触媒として用い、酸素センサなどには、白金粒子そのものが触媒として用いられる。このような白金粒子は、白金または白金合金からなる、数ナノメートルの粒子である。このような触媒は、白金粒子の表面およびその近傍が触媒として機能するため、高価な白金または白金合金の利用率の向上(使用量の低減)が望まれている。   For example, an electrode for a fuel cell is a catalyst in which platinum particles are supported on a conductive carrier such as granular carbon, and a platinum particle itself is used as a catalyst for an oxygen sensor or the like. Such platinum particles are particles of several nanometers made of platinum or a platinum alloy. In such a catalyst, the surface of the platinum particles and the vicinity thereof function as a catalyst. Therefore, improvement in the utilization rate (reduction in the amount of use) of expensive platinum or a platinum alloy is desired.

さらに、燃料電池使用環境下において、このような触媒を用いた場合には、白金粒子が酸化、溶出し、再析出により粗大化することがあり、電池性能が低下することが知られている。そのため、白金粒子の表面の一部に薄い金層を形成し(白金粒子の表面に金を修飾し)、白金粒子の酸化、溶出を抑制する技術が提案されている。   Furthermore, it is known that when such a catalyst is used in an environment where a fuel cell is used, platinum particles may be oxidized and eluted, and may be coarsened by reprecipitation, resulting in a decrease in cell performance. Therefore, a technique has been proposed in which a thin gold layer is formed on a part of the surface of the platinum particles (gold is modified on the surface of the platinum particles) to suppress the oxidation and elution of the platinum particles.

例えば、(1)白金粒子を電極(作用極)上に固定し、この電極を窒素雰囲気中で、硫酸銅水溶液に浸漬し、電極に適切な還元電位を印加することにより、銅の単原子層を白金粒子の表面に析出させて銅被覆白金粒子を製造し、(2)電極と共に銅被覆白金粒子を精製水で濯ぎ、溶液内に存在する銅イオンを除去し、(3)銅被覆白金粒子を、HAuCl水溶液に浸漬することにより、単原子層の銅を金に置換する触媒の製造技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。 For example, (1) by fixing platinum particles on an electrode (working electrode), immersing the electrode in an aqueous copper sulfate solution in a nitrogen atmosphere, and applying an appropriate reduction potential to the electrode, a copper monoatomic layer Is deposited on the surface of the platinum particles to produce copper-coated platinum particles, (2) the copper-coated platinum particles are rinsed with purified water together with the electrode, copper ions present in the solution are removed, and (3) the copper-coated platinum particles Has been proposed in which a monoatomic layer of copper is replaced with gold by immersing the substrate in a HAuCl 4 aqueous solution (see, for example, Patent Document 1).

このように、特許文献1に記載の製造装置によれば、アンダーポテンシャルディポジション(UPD)法を用いて、白金粒子表面を銅単原子層で被覆し、この銅単原子層を金でガルバニック置換することにより、白金粒子の表面に金が修飾された触媒を得ることができる。   Thus, according to the manufacturing apparatus described in Patent Document 1, the surface of platinum particles is coated with a copper monoatomic layer using an underpotential deposition (UPD) method, and the copper monoatomic layer is galvanically replaced with gold. By doing so, a catalyst in which gold is modified on the surface of the platinum particles can be obtained.

特表2009−510705号公報Special table 2009-510705 gazette

ここで、特許文献1に示すように、白金粒子の表面に金が修飾された触媒を得る前段階として、UPD法を用いた銅単原子層(銅層)の析出は、通常、被覆すべき銅イオンを含む溶液中に、粒子が固定された作用極(WE)、さらには、この作用極に対する対極(CE)及び参照極(RE)を浸漬し、外部電源を用いて作用極を所定の電位に保持することにより行われる。   Here, as shown in Patent Document 1, as a step before obtaining a catalyst in which gold is modified on the surface of platinum particles, the precipitation of a copper monoatomic layer (copper layer) using the UPD method should normally be coated. A working electrode (WE) in which particles are fixed, a counter electrode (CE) and a reference electrode (RE) with respect to the working electrode are immersed in a solution containing copper ions, and the working electrode is set to a predetermined position using an external power source. This is done by holding the potential.

しかしながら、特許文献1に示すような装置では外部電源を用いるため装置が大型化し、この外部電源で、参照極に対する作用極の電位を調整せねばならず、その作業は煩雑である。さらには、作用極の表面に白金粒子を塗布し、これを固定しなければならず、触媒の量産には適さない。   However, since an apparatus such as that shown in Patent Document 1 uses an external power supply, the apparatus becomes large, and the external power supply must adjust the potential of the working electrode with respect to the reference electrode, which is complicated. Furthermore, platinum particles must be applied to the surface of the working electrode and fixed, which is not suitable for mass production of the catalyst.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、表面に銅層を被覆した白金粒子を少なくとも含む触媒を、外部電源を用いることなく、容易に量産できる触媒の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and its object is to easily mass-produce a catalyst including at least platinum particles coated with a copper layer on its surface without using an external power source. Another object is to provide a method for producing a catalyst.

発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、以下の新たな知見を得た。具体的には、銅イオンを含む平衡状態の酸水溶液中に銅材(電極)の少なくとも一部を浸漬すると、銅材の電位は、その場所によらず銅の標準電極電位(約0.35V)に等しくなる。この銅材と白金粒子(または白金粒子が担持された導電性担体)とを接触させると、この白金粒子の電位は、銅材と同電位となる。この状態で白金粒子と酸水溶液とを接触させると、ほぼ瞬間的にUPDが起こり、白金粒子の表面に1原子層分の銅層が被覆される。このように、酸水溶液と接触している銅材そのものが、外部電源無しに、約0.35Vの電源として機能するという、これまでにない原理を利用したものである。   As a result of intensive studies, the inventors have obtained the following new findings. Specifically, when at least a part of a copper material (electrode) is immersed in an equilibrium acid aqueous solution containing copper ions, the potential of the copper material is equal to the copper standard electrode potential (about 0.35 V) regardless of the location. ). When this copper material and platinum particles (or a conductive carrier carrying platinum particles) are brought into contact, the potential of the platinum particles becomes the same as that of the copper material. When the platinum particles are brought into contact with the acid aqueous solution in this state, UPD occurs almost instantaneously, and the surface of the platinum particles is covered with a copper layer for one atomic layer. In this way, the copper material itself in contact with the acid aqueous solution utilizes an unprecedented principle that it functions as a power source of about 0.35 V without an external power source.

しかしながら、このような原理を利用した場合、酸水溶液(懸濁液)中に、白金粒子または導電性担体が浮遊しているため、全ての白金粒子が銅材に接触し、白金粒子の表面に銅層が被覆されたかどうかを判断することは、容易ではない。そこで、発明者らは、白金または白金合金からなる作用極を用いて、この作用極に、銅層が形成された白金粒子を接触させることにより、上述した原理と参照極に対する作用極の時間的な電位の変化を確認すれば、全ての白金粒子に銅層が被覆されたかを判断することができるとの新たな知見を得た。   However, when such a principle is used, since platinum particles or conductive carriers are suspended in the acid aqueous solution (suspension), all the platinum particles come into contact with the copper material, and the surface of the platinum particles is contacted. It is not easy to determine whether a copper layer has been coated. Therefore, the inventors use a working electrode made of platinum or a platinum alloy, and contact the platinum particles on which the copper layer is formed with this working electrode, so that the above-described principle and the time of the working electrode with respect to the reference electrode are changed. New knowledge that it was possible to judge whether or not all the platinum particles were covered with the copper layer was confirmed by confirming a change in potential.

本発明は、発明者らの新たな知見に基づくものであり、本発明に係る触媒の製造方法は、白金または白金合金からなる白金粒子の表面、または、白金粒子を担持した導電性担体の前記白金粒子の表面に、銅層を被覆した触媒の製造方法である。該製造方法は、銅イオンを含む酸水溶液を、前記白金粒子または前記導電性担体で懸濁した懸濁液に銅材を浸漬した状態で、前記懸濁液を攪拌して該銅材と前記白金粒子または前記導電性担体を接触させることにより、前記白金粒子の表面に銅層を析出させる析出工程と、該析出工程に合わせて、析出工程における前記白金粒子の表面の銅層の析出状態を評価する評価工程と、を含む。該評価工程は、参照極と、白金または白金合金からなる作用極と、を前記懸濁液に浸漬する浸漬工程を含み、前記懸濁液の攪拌で、前記銅層が形成された白金粒子を前記作用極に接触させることにより、前記作用極の表面に銅層を析出させながら、前記参照極に対する前記作用極の電位が一定電位となるまでの時間を測定する測定工程と、該測定工程後の前記作用極に析出した銅層を除去する除去工程とからなる一連の工程を、繰り返し行うものであり、繰り返し行われる前記測定工程における測定時間の変化量に基づいて、前記析出工程を終了することを特徴とする。   The present invention is based on the inventors' new knowledge, and the method for producing a catalyst according to the present invention includes the surface of platinum particles made of platinum or a platinum alloy, or the conductive carrier carrying platinum particles. In this method, the surface of platinum particles is coated with a copper layer. In the production method, in the state where the copper material is immersed in a suspension obtained by suspending an acid aqueous solution containing copper ions with the platinum particles or the conductive carrier, the suspension is stirred and the copper material is mixed with the copper material. A deposition step of depositing a copper layer on the surface of the platinum particles by contacting the platinum particles or the conductive support, and a deposition state of the copper layer on the surface of the platinum particles in the deposition step according to the deposition step And an evaluation process to be evaluated. The evaluation step includes an immersion step in which a reference electrode and a working electrode made of platinum or a platinum alloy are immersed in the suspension. By stirring the suspension, the platinum particles on which the copper layer is formed are obtained. A measuring step of measuring a time until the potential of the working electrode becomes a constant potential with respect to the reference electrode while depositing a copper layer on the surface of the working electrode by contacting the working electrode; and after the measuring step The removal step of removing the copper layer deposited on the working electrode is repeatedly performed, and the deposition step is completed based on the amount of change in the measurement time in the repeated measurement step. It is characterized by that.

本発明によれば、銅イオンを含む酸水溶液を、前記白金粒子または前記導電性担体で懸濁した懸濁液に銅材を浸漬した状態で、前記懸濁液を攪拌することにより、懸濁液に含まれる白金粒子または導電性担体が、銅イオンを含む酸水溶液中において銅材に接触する。これにより、外部電源なしで、表面に1原子層分の銅層(銅単原子層)が被覆された白金粒子またはこれを担持した導電性担体を得ることができる。   According to the present invention, an acid aqueous solution containing copper ions is suspended by stirring the suspension while the copper material is immersed in the suspension suspended in the platinum particles or the conductive carrier. The platinum particles or conductive carrier contained in the liquid comes into contact with the copper material in the acid aqueous solution containing copper ions. Thereby, the platinum particle | grains by which the copper layer (copper monoatomic layer) for 1 atomic layer was coat | covered on the surface, or the electroconductive support | carrier carrying this can be obtained without an external power supply.

すなわち、外部電源なしで、銅材(銅電極)の表面では、酸化反応としてCuの溶解反応(Cu→Cu2++2e-)が起こり、白金粒子表面では、Cuの析出反応(Pt+Cu2++2e-→Cu−Pt)が起こる。そして、銅材の表面では、酸素ガスの発生は生じないので、銅単原子層(銅層)は、白金粒子と剥離し難い。 That is, without an external power source, a Cu dissolution reaction (Cu → Cu 2+ + 2e ) occurs as an oxidation reaction on the surface of the copper material (copper electrode), and a Cu precipitation reaction (Pt + Cu 2+ + 2e) occurs on the platinum particle surface. - → Cu-Pt) occurs. And since generation | occurrence | production of oxygen gas does not arise in the surface of a copper material, a copper monoatomic layer (copper layer) is hard to peel from a platinum particle.

攪拌中において、白金粒子が銅材に接触しない一部の白金粒子は、その表面に銅層は被覆されていない(析出していない)ので、これらすべての白金粒子の表面に、銅層が被覆されたかを確認するために、析出工程と並列して、析出工程における前記白金粒子の表面の銅層の析出状態を評価する評価工程を行う。   During stirring, some of the platinum particles whose platinum particles do not come into contact with the copper material are not coated with a copper layer (not precipitated), so the surface of all these platinum particles is covered with a copper layer. In order to confirm whether or not it has been done, an evaluation step is performed in parallel with the precipitation step to evaluate the precipitation state of the copper layer on the surface of the platinum particles in the precipitation step.

評価工程では、参照極、作用極、必要に応じて対極を浸漬する。作用極には、白金または白金合金からなる電極を用いる。懸濁液を攪拌することにより、銅材では、銅層が被覆されていない白金粒子が接触し、その表面に銅層(銅単原子層)が析出する。一方、作用極では、銅層(銅単原子層)が析出した白金粒子が接触し、その表面に銅層が析出する。   In an evaluation process, a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode are immersed as needed. For the working electrode, an electrode made of platinum or a platinum alloy is used. By stirring the suspension, platinum particles that are not coated with a copper layer come into contact with the copper material, and a copper layer (copper monoatomic layer) is deposited on the surface thereof. On the other hand, at the working electrode, platinum particles on which a copper layer (copper monoatomic layer) is deposited come into contact, and a copper layer is deposited on the surface thereof.

ここで、懸濁液の攪拌が進むに従って、表面に銅層が被覆された白金粒子の割合が増え、これに応じて、作用極の表面に析出する銅層の割合も増える。そして、作用極の浸漬した全表面に銅層が析出したときには、懸濁液の攪拌に拘わらず、参照極に対する作用極の電位が一定電位となる。すべての白金粒子に銅層が析出している状態では、作用極の電位が一定電位になるまでの時間(すなわち、作用極の銅層の析出開始から、作用極の全表面に銅層が析出するまでの時間)は略一定時間になる。この点を利用して、すべての白金粒子の表面の銅層の析出の完了を判断する。   Here, as the suspension is stirred, the proportion of the platinum particles whose surface is coated with the copper layer increases, and accordingly, the proportion of the copper layer deposited on the surface of the working electrode also increases. When the copper layer is deposited on the entire surface where the working electrode is immersed, the potential of the working electrode with respect to the reference electrode becomes a constant potential regardless of the stirring of the suspension. In the state where the copper layer is deposited on all platinum particles, the time until the potential of the working electrode becomes a constant potential (that is, the deposition of the copper layer on the entire surface of the working electrode from the start of the deposition of the copper layer of the working electrode) The time until this is approximately constant. Using this point, the completion of the deposition of the copper layer on the surface of all platinum particles is judged.

すなわち、本発明では、測定工程と除去工程とからなる一連の工程を繰り返し、繰り返し行われる測定工程において測定された測定時間毎の変化量に基づいて、析出工程を終了する。すなわち、測定時間毎の変化量が、ほとんど無い(ぼぼゼロの)場合、換言すると、繰り返し行われる測定工程における、前回の測定時間と、今回の測定時間とがほぼ同じ場合、すべての白金粒子の表面の銅層の析出が完了したものとみなすことができる。このときに、例えば、懸濁液の攪拌を終了したり、懸濁液から銅材を取り出したり、または、懸濁液そのものを取り出すことにより、析出工程を終了する。   That is, in the present invention, a series of steps consisting of a measurement step and a removal step is repeated, and the precipitation step is terminated based on the amount of change for each measurement time measured in the repeated measurement step. That is, when there is almost no change amount per measurement time (nearly zero), in other words, when the previous measurement time and the current measurement time in the repeated measurement process are almost the same, all the platinum particles It can be considered that the deposition of the surface copper layer has been completed. At this time, for example, the agitation of the suspension is finished, the copper material is taken out of the suspension, or the suspension itself is taken out, thereby completing the precipitation step.

このようにして、さらに、外部電源を用いた従来のUPDにおいて、作用電極の表面に白金粒子または導電性担体を固定していたところ、このような固定を行わずに、酸水溶液中の白金粒子が銅材に接触するだけで、白金粒子の表面に銅層を被覆することができ、さらには、すべての白金粒子の表面に銅層が被覆されたことを容易に判断することができる。これにより、銅層が被覆された白金粒子または、これを担持した導電性担体を容易に量産することができる。   Thus, in addition, in the conventional UPD using an external power source, platinum particles or conductive carriers were fixed on the surface of the working electrode. By simply contacting the copper material, the surface of the platinum particles can be coated with the copper layer, and furthermore, it can be easily determined that the surface of all the platinum particles is coated with the copper layer. Thereby, the platinum particle with which the copper layer was coat | covered, or the electroconductive support | carrier which carry | supported this can be mass-produced easily.

ここで、本発明でいう、白金粒子とは、白金原子を主材として含有した粒子であり、白金またはその合金からなる粒子である。また。銅材とは、銅電極として作用する(銅がイオン化する)材料からなる部材であり、銅またはその合金からなる部材である。また、本発明でいう触媒とは、白金粒子のみからなる触媒、または白金粒子が担持された導電性担体からなる触媒をいい、白金粒子を少なくとも含むものをいう。   Here, the platinum particles referred to in the present invention are particles containing platinum atoms as a main material, and are particles made of platinum or an alloy thereof. Also. The copper material is a member made of a material that acts as a copper electrode (copper is ionized), and is a member made of copper or an alloy thereof. Moreover, the catalyst as used in the field of this invention means the catalyst which consists only of platinum particles, or the catalyst which consists of an electroconductive support | carrier with which platinum particles were carry | supported, and means what contains at least platinum particles.

また、評価工程において、繰り返し行われる測定工程の測定時間を比較することにより、白金粒子の表面の銅層の析出の終了を判断するため、上述した一連の工程を行う際には、懸濁液に浸漬される作用極の面積は、繰り返し行う浸漬工程に拘わらず常に一定であることが好ましい。   In addition, in the evaluation process, by comparing the measurement time of the measurement process that is repeatedly performed, in order to determine the end of precipitation of the copper layer on the surface of the platinum particles, It is preferable that the area of the working electrode immersed in is always constant regardless of the repeated immersion process.

したがって、より好ましい態様としては、前記作用極として、少なくとも先端側が露出するように、基端側にガラス材が被覆された作用極を用い、前記浸漬工程において、前記先端側の露出した全ての部分が、前記懸濁液に浸漬するように、前記作用極を浸漬させる。このような態様にすることにより、繰り返し行う浸漬工程において、懸濁液に作用極の一定面積を容易に浸漬することができる。   Therefore, as a more preferred embodiment, as the working electrode, a working electrode coated with a glass material on the base end side so that at least the tip side is exposed is used, and in the dipping step, all the exposed portions on the tip side are used. However, the working electrode is immersed so as to be immersed in the suspension. By setting it as such an aspect, the fixed area of a working electrode can be easily immersed in suspension in the immersion process performed repeatedly.

さらに、参照極に用いる材料は、前記懸濁液に対して化学的に安定していれば、一般的に知られた標準水素電電極など、特に限定されるものではないが、好ましい態様では、前記参照極に銅からなる参照極を用い、前記浸漬工程において、該参照極に前記懸濁液中の前記酸水溶液が接触し、かつ、前記懸濁液中の前記白金粒子または前記導電性担体が接触しないように、前記参照極を浸漬させる。   Further, the material used for the reference electrode is not particularly limited, as long as it is chemically stable with respect to the suspension, and is not particularly limited, but in a preferred embodiment, A reference electrode made of copper is used as the reference electrode, and in the immersion step, the acid aqueous solution in the suspension is in contact with the reference electrode, and the platinum particles or the conductive carrier in the suspension The reference electrode is immersed so as not to come into contact.

この態様によれば、参照極に銅を用いることにより、作用極に銅層が被覆されたときに、参照極に対する作用極の電位が銅の標準電極電位(約0.35V)となるので、作用極に銅層が被覆されたことを容易に判断することができる。また、参照極は、白金粒子または導電性担体に接触しないように懸濁液中の酸水溶液に液絡しているので、参照極の表面が安定する(基準となる参照極の電位が変化しない)。これにより、参照極に対する作用極の電位を安定して測定することができる。   According to this aspect, by using copper for the reference electrode, when the working electrode is coated with a copper layer, the potential of the working electrode with respect to the reference electrode becomes the standard electrode potential of copper (about 0.35 V). It can be easily determined that the working electrode is coated with the copper layer. In addition, since the reference electrode is in contact with the acid aqueous solution in the suspension so as not to come into contact with the platinum particles or the conductive carrier, the surface of the reference electrode is stabilized (the potential of the reference reference electrode does not change). ). Thereby, the potential of the working electrode with respect to the reference electrode can be stably measured.

また、除去工程において、作用極の表面に付着した銅層を除去することができるのであれば、その除去方法は、機械的除去、化学的除去、または電気化学的除去など特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記除去工程において、前記参照極に対する前記作用極の電位を、銅の標準電極電位よりも高い電位に制御することにより、前記作用極の表面に被覆された銅層を除去する。   If the copper layer attached to the surface of the working electrode can be removed in the removal step, the removal method is not particularly limited, such as mechanical removal, chemical removal, or electrochemical removal. Absent. However, as a more preferred embodiment, in the removing step, the potential of the working electrode with respect to the reference electrode is controlled to a potential higher than the standard electrode potential of copper, whereby the copper layer coated on the surface of the working electrode Remove.

この態様によれば、参照極に対する作用極の電位を銅の標準電極電位よりも高い電位に制御することにより、懸濁液に作用極を浸漬した状態で、作用極の表面に形成された銅層が、懸濁液中(酸水溶液中)に溶出し、作用極の表面から銅層を迅速に除去することができる。これにより、作用極を取り出すことなく、作用極の銅表面を再度懸濁液に浸漬した状態にすることができる。   According to this aspect, the potential of the working electrode with respect to the reference electrode is controlled to a potential higher than the standard electrode potential of copper, so that the copper formed on the surface of the working electrode is immersed in the suspension. The layer elutes in the suspension (in the aqueous acid solution), and the copper layer can be quickly removed from the surface of the working electrode. Thereby, the copper surface of a working electrode can be made into the state again immersed in suspension, without taking out a working electrode.

本発明によれば、表面に銅層が被覆された白金粒子を少なくとも含む触媒を、外部電源を用いることなく、容易に量産することができる。   According to the present invention, a catalyst containing at least platinum particles having a copper layer coated on the surface can be easily mass-produced without using an external power source.

本発明の実施形態に係る触媒の製造方法に用いる装置の模式的概略図。The schematic schematic of the apparatus used for the manufacturing method of the catalyst which concerns on embodiment of this invention. 本発明に係る触媒の製造方法を説明するためのフロー図。The flowchart for demonstrating the manufacturing method of the catalyst which concerns on this invention. 図2に示すフローにおける触媒の状態を説明するための模式図であり、(a)は、析出工程前の触媒の断面図であり、(b)は、析出工程後の触媒の一部の拡大断面図。It is a schematic diagram for demonstrating the state of the catalyst in the flow shown in FIG. 2, (a) is sectional drawing of the catalyst before a precipitation process, (b) is a partial expansion of the catalyst after a precipitation process. Sectional drawing. 図2に示す評価工程における作用極の表面の状態を説明するための模式図であり、(a)は、銅層被覆白金触媒が作用極に接触する前の状態を示した図であり、(b)は、その接触直後の状態を説明するための図であり、(c)は、作用極に銅層が析出した状態を説明するための図。It is a schematic diagram for demonstrating the state of the surface of the working electrode in the evaluation process shown in FIG. 2, (a) is the figure which showed the state before a copper layer coating platinum catalyst contacts a working electrode, (b) is a figure for demonstrating the state immediately after the contact, (c) is a figure for demonstrating the state which the copper layer deposited on the working electrode. 実施例における1回目の銅層析出時の作用極の電位と析出時間の関係を示した図。The figure which showed the relationship between the electric potential of the working electrode at the time of the 1st copper layer deposition in an Example, and deposition time. 実施例における2〜5回目の銅層析出時の作用極の電位と析出時間の関係を示した図。The figure which showed the relationship of the electric potential of the working electrode at the time of the 2nd-5th copper layer deposition in an Example, and deposition time. 銅層の析出状態を確認するためのサイクリックボルタンメトリの結果を示した図。The figure which showed the result of the cyclic voltammetry for confirming the precipitation state of a copper layer.

以下の本実施形態に係る触媒の製造方法を実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る触媒の製造方法に用いる装置の模式的概略図である。図2は、本発明に係る触媒の製造方法を説明するためのフロー図である。図3は、図2に示すフローにおける触媒の状態を説明するための模式図であり、(a)は、析出工程前の触媒の断面図であり、(b)は、析出工程後の触媒の一部の拡大断面図である。
Embodiments of the catalyst production method according to the present embodiment will be described below.
FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus used in a method for producing a catalyst according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart for explaining the method for producing a catalyst according to the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the state of the catalyst in the flow shown in FIG. 2, (a) is a sectional view of the catalyst before the deposition step, and (b) is a view of the catalyst after the deposition step. It is a partial expanded sectional view.

図4は、図2に示す評価工程における作用極の表面の状態を説明するための模式図であり、(a)は、銅層被覆白金触媒が作用極に接触する前の状態を示した図であり、(b)は、その接触直後の状態を説明するための図であり、(c)は、作用極に銅層が析出した状態を説明するための図である。   FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the state of the surface of the working electrode in the evaluation step shown in FIG. 2, and (a) is a diagram showing the state before the copper layer-covered platinum catalyst contacts the working electrode. (B) is a figure for demonstrating the state immediately after the contact, (c) is a figure for demonstrating the state which the copper layer deposited on the working electrode.

本発明に係る触媒の製造方法は、表面に銅層が被覆された白金合金または白金からなる白金粒子を含む触媒の製造方法であり、以下に示す白金粒子表面に銅層を析出させる析出工程と、該析出工程における銅層の析出状態を評価する評価工程、および、評価後(析出工程完了後)に、銅層を金に置換する金置換工程を経て、触媒を製造することができる。   The method for producing a catalyst according to the present invention is a method for producing a catalyst containing platinum particles made of platinum alloy or platinum with a copper layer coated on the surface, and a deposition step of depositing a copper layer on the surface of the platinum particles shown below. The catalyst can be manufactured through an evaluation step for evaluating the deposition state of the copper layer in the deposition step, and a gold substitution step for replacing the copper layer with gold after the evaluation (after completion of the deposition step).

1.析出工程
図2に示すように、白金粒子表面に銅層を析出させる析出工程S21を行う。具体的には、白金粒子、または白金粒子を担持した導電性担体を準備する。本実施形態では、図3(a)に示す導電性担体31に白金粒子32を担持した白金担持導電体3aを準備する。白金粒子は、白金合金または白金からなり、白金合金として、例えば、PtFe合金、PtMo合金、PtCu合金、PtRu合金、PtSn合金、PtW合金、PtCo合金、PtNi合金、PtIr合金、PtAu合金などを挙げることができ、触媒として作用することができる白金合金であれば特に限定されるものではない。また、白金粒子の大きさは特に限定されるものではなく、例えば燃料電池用の電極触媒に用いる場合には、2〜10nmが好ましい。
1. Precipitation process As shown in Drawing 2, deposition process S21 which precipitates a copper layer on the surface of platinum particles is performed. Specifically, platinum particles or conductive carriers carrying platinum particles are prepared. In the present embodiment, a platinum-carrying conductor 3a in which platinum particles 32 are carried on a conductive carrier 31 shown in FIG. The platinum particles are made of a platinum alloy or platinum, and examples of the platinum alloy include a PtFe alloy, a PtMo alloy, a PtCu alloy, a PtRu alloy, a PtSn alloy, a PtW alloy, a PtCo alloy, a PtNi alloy, a PtIr alloy, and a PtAu alloy. The platinum alloy is not particularly limited as long as it is a platinum alloy that can act as a catalyst. Further, the size of the platinum particles is not particularly limited. For example, when used for an electrode catalyst for a fuel cell, 2 to 10 nm is preferable.

また、白金粒子を担持する導電性担体の材料として、カーボン、チタン酸化物(TiO,Tiなど)、モリブデン酸化物、またはタンタル酸化物等を挙げることができ、その形態は、粉末状、板状、棒状、または網状のいずれの形態であってもよい。 Examples of the conductive carrier material supporting platinum particles include carbon, titanium oxide (TiO 2 , Ti 4 O 7, etc.), molybdenum oxide, tantalum oxide, and the like. , Plate shape, rod shape, or net shape.

このような白金粒子(または導電性担体に担持された白金粒子)の表面に、UPD法により銅単原子層(銅層)を析出させ、白金粒子表面に銅層を被覆する。具体的には、不活性ガス(窒素ガス、アルゴンガスなどの)雰囲気下で、図1に示す銅析出槽18に、銅イオンを含む酸水溶液を上述した白金担持導電体3aで懸濁した懸濁液11を投入し、この懸濁液11に平板状の銅材10の少なくとも一部を浸漬させる。この状態で、懸濁液11を攪拌器17で攪拌し、銅材10と導電性担体(または白金粒子)を接触させる。   A copper monoatomic layer (copper layer) is deposited on the surface of such platinum particles (or platinum particles supported on a conductive carrier) by the UPD method, and the surface of the platinum particles is coated with the copper layer. Specifically, a suspension of an acid aqueous solution containing copper ions suspended in the above-described platinum-supported conductor 3a in a copper deposition tank 18 shown in FIG. 1 under an inert gas (nitrogen gas, argon gas, etc.) atmosphere. The turbid liquid 11 is introduced, and at least a part of the flat copper material 10 is immersed in the suspension 11. In this state, the suspension 11 is stirred by the stirrer 17 to bring the copper material 10 and the conductive carrier (or platinum particles) into contact.

この際に、酸水溶液(懸濁液11)に接触した銅材10は、銅の標準電極電位(約0.35V)に等しくなり、さらに銅材10に接触した白金粒子(または導電性担体を介した白金粒子)の電位は、銅材10と同じ電位になる。このような状態では、酸水溶液と銅材10間、および、白金粒子と銅材10間が接触している状態において、白金粒子に酸水溶液が接触しているので、図3(b)に示すように、ほぼ瞬間的に、少なくとも一部の白金粒子32の表面に銅単原子層(銅層)33が析出した銅層被覆白金担持導電体3bを得ることができる。   At this time, the copper material 10 in contact with the acid aqueous solution (suspension 11) becomes equal to the standard electrode potential (about 0.35 V) of copper, and further, the platinum particles (or the conductive carrier in contact with the copper material 10 are removed). The potential of the interposed platinum particles is the same as that of the copper material 10. In such a state, the acid aqueous solution is in contact with the platinum particles in the state where the acid aqueous solution and the copper material 10 and between the platinum particles and the copper material 10 are in contact with each other, as shown in FIG. As described above, the copper layer-covered platinum-supported conductor 3b in which the copper monoatomic layer (copper layer) 33 is deposited on the surface of at least a part of the platinum particles 32 can be obtained almost instantaneously.

すなわち、外部電源なしで、銅材10の表面では、酸化反応としてCuの溶解反応(Cu→Cu2++2e-)が起こり、一部の白金粒子の表面では、水溶液のCuイオンからCuの析出反応(Pt+Cu2++2e-→Cu−Pt)が起こる。 That is, without an external power source, a Cu dissolution reaction (Cu → Cu 2+ + 2e ) occurs as an oxidation reaction on the surface of the copper material 10, and on the surface of a part of the platinum particles, Cu ions from the aqueous acid solution form Cu ions. A precipitation reaction (Pt + Cu 2+ + 2e → Cu—Pt) occurs.

このように、銅材10を酸水溶液(懸濁液11)に接触させると、銅イオンが溶出する。この銅イオンが存在する酸水溶液中では、銅材10の表面で、銅の溶解と銅イオンの析出が起こる。これが平衡状態に達すると、このときの材の表面電位は、銅の標準電極電位となる。このような状態の銅材10に白金粒子(導電性担体を介してもよい)を接触させると、白金粒子の電位は、同電位となる。この電位(平衡電位)で、白金粒子の表面に銅単原子層が析出する。 Thus, when the copper material 10 is brought into contact with the acid aqueous solution (suspension 11), copper ions are eluted. In the acid aqueous solution in which copper ions are present, dissolution of copper and precipitation of copper ions occur on the surface of the copper material 10. When this reaches an equilibrium state, the surface potential of the copper material at this time becomes the standard electrode potential of copper. When platinum particles (which may be provided with a conductive carrier) are brought into contact with the copper material 10 in such a state, the potential of the platinum particles becomes the same potential. At this potential (equilibrium potential), a copper monoatomic layer is deposited on the surface of the platinum particles.

ここで、銅材10は、少なくともその表面が銅または銅合金からなる部材であり(必ずしも、全体が銅または銅合金からならずともよい)、銅材−白金粒子−酸水溶液間を、直接的または間接的に、イオン的に導通することが可能なものである。   Here, the copper material 10 is a member having at least a surface thereof made of copper or a copper alloy (not necessarily entirely made of copper or a copper alloy), and a direct connection between the copper material, the platinum particles, and the aqueous acid solution. Or indirectly, it can conduct ionically.

具体的には、銅材10は、高純度の銅が好ましく、白金粒子の電位を銅の標準電極電位(約0.35V)にすることが可能な限りにおいて、不可避的不純物を含む低純度銅や合金元素を含む銅合金であってもよい。例えば、酸化還元電位が銅よりも低い金属(例えば、Zn、Snなど)を含む銅合金は、本実施形態では、望ましいものではない。これは、銅よりも卑なる金属が優先的に溶出してしまう(または、溶出時に電極が銅の標準電極電位よりも低い電位となる)ためである。従って、銅よりも貴なる金属(例えば、Pt,Ag,Au、Pd,Irなど)を含む銅合金は、銅材10に好適に用いることができる。   Specifically, the copper material 10 is preferably high-purity copper, and low-purity copper containing inevitable impurities as long as the potential of the platinum particles can be the standard electrode potential of copper (about 0.35 V). Or a copper alloy containing an alloy element. For example, a copper alloy containing a metal (for example, Zn, Sn, etc.) whose oxidation-reduction potential is lower than copper is not desirable in this embodiment. This is because the base metal elutes preferentially over copper (or the electrode has a potential lower than the standard electrode potential of copper during elution). Therefore, a copper alloy containing a metal (for example, Pt, Ag, Au, Pd, Ir, etc.) nobler than copper can be suitably used for the copper material 10.

銅材10に銅合金を用いる場合において、銅含有量が少なくなるほど、銅の溶出速度が遅くなる。また、銅の溶出が進むに従って、銅材表面の銅の比率が下がり、銅と白金粒子の直接的または間接的な接触が起き難くなる。従って、銅合金を用いる場合、銅材10の銅含有量が多ければ多いほど好ましい。なお、銅材10として、平板状の銅材を用いたが、銅または銅合金からなる粒状片、棒、細線、網(メッシュ)、塊などを挙げることができる。   In the case where a copper alloy is used for the copper material 10, the copper elution rate becomes slower as the copper content decreases. Moreover, as copper elution progresses, the ratio of copper on the surface of the copper material decreases, and direct or indirect contact between copper and platinum particles hardly occurs. Therefore, when using a copper alloy, the copper content of the copper material 10 is preferably as much as possible. In addition, although the flat copper material was used as the copper material 10, the granular piece which consists of copper or a copper alloy, a stick | rod, a thin wire | line, a net | network (mesh), a lump etc. can be mentioned.

また、懸濁液11を構成する酸水溶液は、白金粒子にUPDが可能な酸溶液であり、可溶性の銅塩を酸水溶液に溶解させることにより得られる。可溶性の銅塩として、例えば、硫酸銅(CuSO)、塩化銅(CuCl)、酢酸銅(Cu(CHCOO))、硝酸銅(Cu(NO)などを挙げることができる。 Moreover, the acid aqueous solution which comprises the suspension 11 is an acid solution in which UPD is possible for platinum particles, and is obtained by dissolving a soluble copper salt in an acid aqueous solution. Examples of the soluble copper salt include copper sulfate (CuSO 4 ), copper chloride (CuCl 2 ), copper acetate (Cu 2 (CH 3 COO) 4 ), and copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ). it can.

ここで、酸水溶液中の銅イオンの濃度は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な濃度を選択することができる。本実施形態では、UPDにより白金粒子の表面に銅が析出した分だけ、材から銅が溶出する。そのため、銅イオン濃度がμMレベルでも反応は進む。しかしながら、工業的には反応を速やかに進めることが好ましく、その場合には、銅イオン濃度は、1mM以上であることが好ましい。一方、銅イオン濃度が過剰になると、溶質が析出し易くなる。従って、銅イオン濃度は、飽和濃度以下であることが好ましく、さらに好ましくは、飽和濃度の90%以下である。 Here, the concentration of copper ions in the acid aqueous solution is not particularly limited, and an optimum concentration can be selected according to the purpose. In the present embodiment, copper is eluted from the copper material by the amount of copper deposited on the surface of the platinum particles by UPD. Therefore, the reaction proceeds even when the copper ion concentration is at the μM level. However, industrially, it is preferable to proceed the reaction promptly, and in that case, the copper ion concentration is preferably 1 mM or more. On the other hand, when the copper ion concentration is excessive, the solute is likely to precipitate. Accordingly, the copper ion concentration is preferably not more than the saturation concentration, and more preferably not more than 90% of the saturation concentration.

水溶液中に含まれる酸は、Cuを溶解可能なものであれば、特に限定されるものではなく、このような酸として、例えば、硝酸、硫酸、過塩素酸、塩酸、またはホウ酸などを挙げることができ、Cu塩と酸との組合せは、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。   The acid contained in the aqueous solution is not particularly limited as long as it can dissolve Cu. Examples of such acids include nitric acid, sulfuric acid, perchloric acid, hydrochloric acid, and boric acid. The combination of the Cu salt and the acid is not particularly limited, and can be arbitrarily selected according to the purpose.

さらに、酸水溶液のpHが大きくなり過ぎると、一般的に、後述する銅材を所定の電位にするのが困難となる。また、水溶液中のpHが大きくなるほど、反応速度が低下する。従って、このような観点から、水溶液のpHは、4以下であることが好ましい。一方、pHが小さくなり過ぎると、導電性担体(例えばカーボン)の表面を酸化させる場合がある。従って、水溶液のpHは、1以上が好ましい。   Furthermore, if the pH of the acid aqueous solution becomes too high, it is generally difficult to bring a copper material described later to a predetermined potential. Moreover, the reaction rate decreases as the pH in the aqueous solution increases. Therefore, from such a viewpoint, the pH of the aqueous solution is preferably 4 or less. On the other hand, if the pH is too low, the surface of the conductive carrier (for example, carbon) may be oxidized. Accordingly, the pH of the aqueous solution is preferably 1 or more.

酸水溶液には、白金粒子の白金または白金合金を被毒しない限りにおいては、銅イオン、酸および水以外の成分がさらに含まれていてもよい。他の成分としては、例えば可溶性の銅塩に由来する陰イオン、還元性の弱い有機溶媒(例えば、高級アルコール類)などがさらに含まれていてもよい。また、酸水溶液は、溶存酸素を取り除くため、反応中または反応前に充分に不活性ガス(例えば、窒素ガスやアルゴンガス)でバブリングすることが好ましい。   The acid aqueous solution may further contain components other than copper ions, acid, and water as long as the platinum particles or the platinum alloy is not poisoned. As other components, for example, an anion derived from a soluble copper salt, an organic solvent (for example, higher alcohols) having a low reducing property, and the like may further be included. The aqueous acid solution is preferably sufficiently bubbled with an inert gas (for example, nitrogen gas or argon gas) during or before the reaction in order to remove dissolved oxygen.

以上のようにして、懸濁液11と接触している銅材10が0.35Vの電源として機能するため、単原子層の銅を析出させるために外部電源や参照極を準備する必要がない。また、白金粒子を作用極に塗布しこれを固定する必要がないので、量産性にも適している。さらに、銅材は対極としても作用するが、銅材の表面では、酸化反応として銅の溶解反応が起こるだけであるので、酸素ガスの発生を伴わず、銅層の剥離も抑制できる。   As described above, since the copper material 10 in contact with the suspension 11 functions as a power source of 0.35 V, it is not necessary to prepare an external power source or a reference electrode in order to deposit a monoatomic layer of copper. . Moreover, since it is not necessary to apply platinum particles to the working electrode and fix them, it is suitable for mass production. Further, although the copper material also acts as a counter electrode, since only the copper dissolution reaction occurs as an oxidation reaction on the surface of the copper material, oxygen gas is not generated and the peeling of the copper layer can be suppressed.

2.評価工程
攪拌中において、白金粒子が銅材に接触しない一部の白金粒子は、その表面に銅層は被覆されていない(析出していない)ので、これらすべての白金粒子の表面に、銅層が被覆されたかを確認するために、図2に示すように、析出工程S21と並列して、評価工程S20をおこなう。評価工程S20は、析出工程S21における白金粒子の表面の銅層の析出状態を評価する工程であり、評価工程S20は、浸漬工程S22、測定工程S23、除去工程S24、および判定工程S25からなる。
2. Evaluation process During stirring, some platinum particles whose platinum particles do not contact the copper material are not coated with a copper layer on the surface (not precipitated), so the copper layer on the surface of all these platinum particles As shown in FIG. 2, an evaluation step S20 is performed in parallel with the precipitation step S21. The evaluation step S20 is a step of evaluating the deposition state of the copper layer on the surface of the platinum particles in the precipitation step S21. The evaluation step S20 includes an immersion step S22, a measurement step S23, a removal step S24, and a determination step S25.

まず、浸漬工程S22では、図1に示すように、作用極14、対極15、および参照極16を準備する。作用極14は、ガラス材12が被覆された、白金または白金合金からなる白金線を用い、好ましくは、白金粒子と同じ材料からなる電極を用いる。対極15には、作用極14と同じくガラス材12が被覆された、白金線の先端側に白金または白金合金からなる白金板が接続された電極を用いる。さらに、参照極16には、銅線を用い、この銅線は、底面にガラスフリット(ガラスフィルタ)16bが取り付けられたガラス管16aに内挿入されている。ガラスフリット16bは、懸濁液中の白金担持導電体3aをガラス管16a内に通過させず、酸水溶液のみを通過させるものである。そして、図1に示すように、作用極14、対極15および参照極16を、上述した懸濁液11に浸漬する。   First, in the immersion step S22, as shown in FIG. 1, a working electrode 14, a counter electrode 15, and a reference electrode 16 are prepared. The working electrode 14 uses a platinum wire made of platinum or a platinum alloy coated with the glass material 12, and preferably an electrode made of the same material as the platinum particles. As the counter electrode 15, an electrode coated with a glass material 12 and having a platinum plate made of platinum or a platinum alloy connected to the front end side of a platinum wire is used. Further, a copper wire is used for the reference electrode 16, and this copper wire is inserted into a glass tube 16a having a glass frit (glass filter) 16b attached to the bottom surface. The glass frit 16b does not allow the platinum-supported conductor 3a in the suspension to pass through the glass tube 16a but allows only the aqueous acid solution to pass therethrough. And as shown in FIG. 1, the working electrode 14, the counter electrode 15, and the reference electrode 16 are immersed in the suspension 11 mentioned above.

次に、上述した析出工程S21の攪拌に合わせて、測定工程S23を行う。具体的には、図4(a)に示すように、析出工程では、一部の白金担持導電体3aが、銅層被覆白金担持導電体3bとなり、これが作用極14の周りの懸濁液中に存在する。さらなる懸濁液の攪拌により、図4(b)に示すように、銅層被覆白金担持導電体3bを作用極14に接触させることにより、作用極14の表面に銅33’が析出する。これは、上述した白金粒子の表面に銅層が析出する原理と同じである。一方、作用極14に接触した銅層被覆白金担持導電体3bは、白金担持導電体3aに戻る(図3(a)参照)。   Next, the measurement step S23 is performed in accordance with the stirring in the precipitation step S21 described above. Specifically, as shown in FIG. 4A, in the precipitation step, a part of the platinum-supported conductor 3a becomes a copper layer-covered platinum-supported conductor 3b, which is in the suspension around the working electrode 14. Exists. By further stirring the suspension, as shown in FIG. 4B, copper 33 ′ is deposited on the surface of the working electrode 14 by bringing the copper layer-covered platinum-supported conductor 3 b into contact with the working electrode 14. This is the same as the principle of depositing a copper layer on the surface of the platinum particles described above. On the other hand, the copper layer-covered platinum-supported conductor 3b in contact with the working electrode 14 returns to the platinum-supported conductor 3a (see FIG. 3A).

ここで、測定工程S23では、析出工程S21と浸漬工程S22とが共に開始されたとき(すなわち作用極に銅層が析出し始めたとき)を開始時刻として、時間を測定する。作用極14の浸漬した銅層が析出するに従って、参照極16に銅を用いているので、参照極16に対する作用極14の電位は、銅の標準電極電位に近づく。最終的には、図4(c)に示すように、作用極14の浸漬した全表面に銅層が析出したときには、懸濁液の攪拌に拘わらず、参照極16に対する作用極14の電位が一定電位(銅の標準電極電位)となるので、この時点を、測定の終了時刻とし、開始時刻から終了時刻までの時間t1を算出する。   Here, in the measurement step S23, the time is measured with the time when the deposition step S21 and the dipping step S22 are started together (that is, when the copper layer starts to deposit on the working electrode) as the start time. Since copper is used for the reference electrode 16 as the copper layer in which the working electrode 14 is immersed is deposited, the potential of the working electrode 14 with respect to the reference electrode 16 approaches the standard electrode potential of copper. Finally, as shown in FIG. 4 (c), when the copper layer is deposited on the entire surface immersed in the working electrode 14, the potential of the working electrode 14 with respect to the reference electrode 16 is increased regardless of the stirring of the suspension. Since the potential is constant (copper standard electrode potential), the time t1 from the start time to the end time is calculated with this time as the end time of the measurement.

次に、図2に示すように、除去工程S24において、作用極の表面に付着した銅層を除去する。本実施形態では、除去工程において、例えば、ポテンショスタットに各電極を接続し、参照極16に対する作用極14の電位を、銅の標準電極電位よりも高い電位(たとえば、0.7V)に制御することにより、作用極14の表面に被覆された銅層を除去する。ここで、対極15の浸漬している部分は、白金板であるので、白金線に比べて、作用極14の表面における銅層の除去効率をより高めることができる。このようにして、作用極14を懸濁液11から取り出すことなく、その表面から銅層を除去し、表面に白金が露出した作用極14を懸濁液11に再度浸漬した状態にすることができる。   Next, as shown in FIG. 2, in the removal step S24, the copper layer attached to the surface of the working electrode is removed. In the present embodiment, in the removing process, for example, each electrode is connected to a potentiostat, and the potential of the working electrode 14 with respect to the reference electrode 16 is controlled to a potential (for example, 0.7 V) higher than the standard electrode potential of copper. As a result, the copper layer coated on the surface of the working electrode 14 is removed. Here, since the portion in which the counter electrode 15 is immersed is a platinum plate, the removal efficiency of the copper layer on the surface of the working electrode 14 can be further increased as compared with the platinum wire. In this way, without removing the working electrode 14 from the suspension 11, the copper layer is removed from the surface, and the working electrode 14 with platinum exposed on the surface is immersed again in the suspension 11. it can.

また、ガラスフリット16bが取り付けられたガラス管16aにより、参照極16には、懸濁液11中の酸水溶液が接触するが、懸濁液中の白金担持導電体3aは接触しない。これにより、測定中において、基準となる参照極16の電位を安定させることができる。   Further, the glass tube 16a to which the glass frit 16b is attached contacts the reference electrode 16 with the acid aqueous solution in the suspension 11, but does not contact the platinum-supported conductor 3a in the suspension. Thereby, the potential of the reference electrode 16 serving as a reference can be stabilized during the measurement.

ここで、測定工程S23と除去工程S24からなる一連の工程が、1度目の場合には、判定工程S25を行わず、測定工程S23と除去工程S24からなる一連の工程を繰り返す。そして、一連の工程を繰り返す際に、繰り返し行われる測定工程S23における測定時間(T1,T2,…Tn−1,Tn(n=繰り返し回数))毎の変化量に基づいて、析出工程の完了を決定する。   Here, when the series of steps including the measurement step S23 and the removal step S24 is the first time, the determination step S25 is not performed, and the series of steps including the measurement step S23 and the removal step S24 is repeated. Then, when the series of steps is repeated, the precipitation step is completed based on the amount of change for each measurement time (T1, T2,... Tn-1, Tn (n = number of repetitions)) in the measurement step S23 performed repeatedly. decide.

具体的には、図2に示すように、n−1回目の測定時間Tn−1と、n回目の測定時間Tnとを比較して、その差(すなわち変化量)が所定時間t(ただしt≒0)以下であるときは、すべての白金粒子に銅層が析出している状態と判断し、析出工程の完了を決定する(析出工程を終了する)。これは、全ての白金粒子に、銅層が析出したときには、作用極14の電位が一定電位になるまでの時間(すなわち、作用極の銅の析出の開始時刻から、作用極の全表面の銅層の析出が完了する時刻までの時間)は略一定になるので、前記変化量は、ほぼゼロとなるからである。析出工程の終了は、銅材10または懸濁液11を銅析出槽18から取り出したり、攪拌器17を停止したりすることにより行う。一方、変化量が所定時間tよりも大きい場合には、白金粒子の一部は、未だ銅層が析出されていないと判断し、析出工程を終了せずに、一連の工程を繰り返す。   Specifically, as shown in FIG. 2, the (n-1) th measurement time Tn-1 is compared with the nth measurement time Tn, and the difference (that is, the amount of change) is a predetermined time t (however, t When ≈0) or less, it is determined that the copper layer is deposited on all platinum particles, and the completion of the deposition process is determined (the deposition process is terminated). This is because when the copper layer is deposited on all platinum particles, the time until the potential of the working electrode 14 becomes a constant potential (that is, the copper on the entire surface of the working electrode from the start time of the deposition of copper on the working electrode). This is because the amount of change is substantially zero. The precipitation process is completed by removing the copper material 10 or the suspension 11 from the copper precipitation tank 18 or stopping the stirrer 17. On the other hand, when the amount of change is greater than the predetermined time t, it is determined that a part of the platinum particles have not yet deposited the copper layer, and the series of steps is repeated without terminating the precipitation step.

3.金置換工程
金置換工程S26では、不活性ガス中において、析出工程S21で得られた銅層被覆白金担持導電体(懸濁液)を金イオン水溶液に攪拌することにより、前記銅層の銅を金に置換する。これにより、白金粒子32の表面に、金粒子が修飾される。ここで、金イオン水溶液として、AuCl を含む塩など、銅を金に置換することができる水溶液を用い、この水溶液に、塩酸や過塩素酸をさらに添加してもよい。
3. Gold Substitution Step In the gold substitution step S26, the copper layer-covered platinum-supported conductor (suspension) obtained in the precipitation step S21 is stirred in a gold ion aqueous solution in an inert gas, whereby the copper in the copper layer is agitated. Replace with gold. Thereby, the gold particles are modified on the surface of the platinum particles 32. Here, as the gold ion aqueous solution, an aqueous solution capable of replacing copper with gold, such as a salt containing AuCl 4 , may be used, and hydrochloric acid or perchloric acid may be further added to this aqueous solution.

以下に本発明を実施例により説明する。
銅材を浸漬した硫酸銅水溶液(50mM CuSO/0.1M HSO)、90mlに、白金粒子を30質量%担持した白金担持カーボン(30mass%Pt/C)100mgに対して硫酸酸溶液200mlとなるように、白金担持カーボンを投入し、攪拌した。これにより、白金粒子の表面に銅層が被覆された白金担持カーボンを含む懸濁液を得た。この懸濁液を、収容槽に投入し、析出工程を行うための銅ロッド(φ5.5mm)×4本を浸漬した。一方、評価工程を行うために、ポテンショスタットに、ガラス材が一部被覆された白金線(粉末電位モニター)からなる作用極と、ガラスフリットによりCuSO/HSOを液絡した銅線からなる参照極と、白金板を露出するようにガラス被覆で被覆された対極とを浸漬した。そして、参照極に対する作用極の電位をモニタリングした。
Hereinafter, the present invention will be described by way of examples.
Copper sulfate aqueous solution (50 mM CuSO 4 /0.1 MH 2 SO 4 ) dipped in copper material, 90 ml of platinum-supported carbon (30 mass% Pt / C) with 30% by mass of platinum particles, sulfuric acid solution Platinum-supported carbon was added and stirred so as to be 200 ml. As a result, a suspension containing platinum-supported carbon having a copper layer coated on the surface of platinum particles was obtained. This suspension was put into a storage tank, and 4 copper rods (φ5.5 mm) for performing the precipitation step were immersed therein. On the other hand, in order to perform the evaluation process, a working electrode made of a platinum wire (powder potential monitor) partially coated with a glass material on a potentiostat, and a copper wire in which CuSO 4 / H 2 SO 4 is liquid-coupled by a glass frit And a counter electrode covered with a glass coating so as to expose the platinum plate. Then, the potential of the working electrode with respect to the reference electrode was monitored.

次に、作用極の電位が0.81Vになってから、攪拌条件300rpmで懸濁液を攪拌し、参照極に対する作用極の電位を測定し、この電位が銅の標準電極電位(約0.35V)となるまで攪拌し、その時間をモニタリングした。この結果を、図5に示す。なお、このとき作用極には銅層が被覆されていた。その後、参照極に対する作用極の電位を、約0.7Vに制御し、作用極の表面に被覆された銅層を除去した。   Next, when the potential of the working electrode becomes 0.81 V, the suspension is stirred under a stirring condition of 300 rpm, and the potential of the working electrode with respect to the reference electrode is measured. 35V) and the time was monitored. The result is shown in FIG. At this time, the working electrode was covered with a copper layer. Thereafter, the potential of the working electrode with respect to the reference electrode was controlled to about 0.7 V, and the copper layer coated on the surface of the working electrode was removed.

そして、同様に、懸濁液を再度攪拌し、参照極に対する作用極の電位が銅の標準電極電位(約0.35V)となるまでの時間を測定し、その後、作用極の表面に被覆された銅層を除去する工程を、さらに4回(計5回)行った。この結果を、図6に示す。   Similarly, the suspension is stirred again, and the time until the potential of the working electrode with respect to the reference electrode becomes the standard electrode potential of copper (about 0.35 V) is measured, and then the surface of the working electrode is coated. The step of removing the copper layer was further performed 4 times (5 times in total). The result is shown in FIG.

得られた懸濁液をグラッシーカーボン電極に塗布し、電解液:0.1MHClO、参照電極:可逆水素電極、対極:白金板を用い、掃引速度100mV/Sで、図7に示すようなサイクリックボルタンメトリ(CV)を行い、銅が脱離する電気量から白金粒子表面の銅層の析出量を測定した。さらに、白金粒子の表面への水素吸着量が一定となるまでCVを繰り返し、水素吸着量を算出した。これにより、銅と水素の原子比を算出した。このような作業を、懸濁液を4回採取して行った。この結果を表1に示す。 The obtained suspension was applied to a glassy carbon electrode, an electrolyte solution: 0.1M HClO 4 , a reference electrode: a reversible hydrogen electrode, a counter electrode: a platinum plate, and a sweep rate of 100 mV / S, as shown in FIG. Click voltammetry (CV) was performed, and the amount of copper layer deposited on the surface of the platinum particles was measured from the amount of electricity from which copper was desorbed. Further, CV was repeated until the hydrogen adsorption amount on the surface of the platinum particles became constant, and the hydrogen adsorption amount was calculated. Thereby, the atomic ratio of copper and hydrogen was calculated. Such an operation was performed by collecting the suspension four times. The results are shown in Table 1.

Figure 0005792514
Figure 0005792514

(結果および考察)
図5および図6に示すように1回目の測定時間から、回数が進むに従って、測定時間(銅の標準電極電位に到達する時間)が短くなった。これは、銅層が析出された白金粒子の割合が増加しているからであると考えられる。さらに、図6に示すように、4回目と5回目では、ほぼ同じ測定時間となった。すなわち、4回目と5回目の測定時間の変化量はほぼ0である。これは、ほぼ全ての白金粒子に銅層が析出したからであると考えられる。そして、表1に示すように、水素と銅の原子量比は、回数に拘らずほぼ1に近く、このことから、すべての白金粒子の表面には、銅が被覆されていることが確認された。したがって、この繰り返し行う測定時間の変化量に基づいて、析出工程の完了を判定すればよいことがわかる。
(Results and Discussion)
As shown in FIGS. 5 and 6, the measurement time (time to reach the standard electrode potential of copper) was shortened as the number of times progressed from the first measurement time. This is considered to be because the ratio of the platinum particles on which the copper layer is deposited is increased. Furthermore, as shown in FIG. 6, the measurement times were almost the same at the fourth time and the fifth time. That is, the amount of change in the fourth and fifth measurement times is almost zero. This is presumably because the copper layer was deposited on almost all platinum particles. As shown in Table 1, the atomic weight ratio of hydrogen and copper is close to 1 regardless of the number of times, and from this, it was confirmed that the surface of all platinum particles was coated with copper. . Therefore, it can be seen that the completion of the deposition step may be determined based on the amount of change in the measurement time that is repeatedly performed.

以上、本発明の実施の形態を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。   As mentioned above, although it explained in full detail using embodiment of this invention, a concrete structure is not limited to this embodiment and an Example, There exists a design change in the range which does not deviate from the summary of this invention. They are also included in the present invention.

3a:白金担持導電体、3b:銅層被覆白金担持導電体、10…銅材、11…懸濁液、12…ガラス材、14…作用極、15…対極、16…参照極、18:銅析出槽、16a:ガラス管、16b:ガラスフリット、S20:評価工程、S21:析出工程、S22:浸漬工程、S23:測定工程、S24:除去工程、S25:判定工程、S26:金置換工程、31:導電性担体、32:白金粒子、33:銅層、33’:銅   3a: platinum carrying conductor, 3b: copper layer coated platinum carrying conductor, 10 ... copper material, 11 ... suspension, 12 ... glass material, 14 ... working electrode, 15 ... counter electrode, 16 ... reference electrode, 18: copper Deposition tank, 16a: glass tube, 16b: glass frit, S20: evaluation process, S21: precipitation process, S22: dipping process, S23: measurement process, S24: removal process, S25: determination process, S26: gold replacement process, 31 : Conductive carrier, 32: platinum particles, 33: copper layer, 33 ': copper

Claims (4)

白金または白金合金からなる白金粒子の表面、または、白金粒子を担持した導電性担体の前記白金粒子の表面に銅層を被覆した触媒の製造方法であって、
該製造方法は、銅イオンを含む酸水溶液を、前記白金粒子または前記導電性担体で懸濁した懸濁液に銅材を浸漬した状態で、前記懸濁液を攪拌して該銅材と前記白金粒子または前記導電性担体を接触させることにより、前記白金粒子の表面に銅層を析出させる析出工程と、該析出工程に合わせて、析出工程における前記白金粒子の表面の銅層の析出状態を評価する評価工程と、を含み、
該評価工程は、参照極と、白金または白金合金からなる作用極とを前記懸濁液に浸漬する浸漬工程を含み、
前記懸濁液の攪拌で、前記銅層が形成された白金粒子を前記作用極に接触させることにより、前記作用極の表面に銅層を析出させながら、前記参照極に対する前記作用極の電位が一定電位となるまでの時間を測定する測定工程と、該測定工程後の前記作用極に析出した銅層を除去する除去工程とからなる一連の工程を、繰り返し行うものであり、
繰り返し行われる前記測定工程における測定時間毎の変化量に基づいて、前記析出工程を終了することを特徴とする触媒の製造方法。
A method for producing a catalyst in which a surface of platinum particles made of platinum or a platinum alloy or a surface of the platinum particles of a conductive carrier supporting platinum particles is coated with a copper layer,
In the production method, in the state where the copper material is immersed in a suspension obtained by suspending an acid aqueous solution containing copper ions with the platinum particles or the conductive carrier, the suspension is stirred and the copper material is mixed with the copper material. A deposition step of depositing a copper layer on the surface of the platinum particles by contacting the platinum particles or the conductive support, and a deposition state of the copper layer on the surface of the platinum particles in the deposition step according to the deposition step And an evaluation process to evaluate,
The evaluation step includes a dipping step of dipping a reference electrode and a working electrode made of platinum or a platinum alloy in the suspension,
By stirring the suspension, platinum particles having the copper layer formed thereon are brought into contact with the working electrode, so that the potential of the working electrode with respect to the reference electrode is reduced while the copper layer is deposited on the surface of the working electrode. A series of steps consisting of a measurement step for measuring the time until a constant potential is reached and a removal step for removing the copper layer deposited on the working electrode after the measurement step are repeated.
The method for producing a catalyst, characterized in that the precipitation step is terminated based on a change amount for each measurement time in the measurement step that is repeatedly performed.
前記作用極として、少なくとも先端側が露出するように、基端側にガラス材が被覆された作用極を用い、
前記浸漬工程において、前記先端側の露出した全ての部分が、前記懸濁液に浸漬するように、前記作用極を浸漬させることを特徴とする請求項1に記載の触媒の製造方法。
As the working electrode, using a working electrode covered with a glass material on the base end side so that at least the tip side is exposed,
2. The method for producing a catalyst according to claim 1, wherein in the dipping step, the working electrode is dipped so that all exposed portions on the tip side are dipped in the suspension.
前記参照極に銅からなる参照極を用い、
前記浸漬工程において、該参照極に前記懸濁液中の前記酸水溶液が接触し、かつ、前記懸濁液中の前記白金粒子または前記導電性担体が接触しないように、前記参照極を浸漬させることを特徴とする請求項1または2に記載の触媒の製造方法。
Using a reference electrode made of copper as the reference electrode,
In the immersion step, the reference electrode is immersed so that the acid aqueous solution in the suspension is in contact with the reference electrode and the platinum particles or the conductive carrier in the suspension is not in contact. The method for producing a catalyst according to claim 1 or 2, wherein:
前記除去工程において、前記参照極に対する前記作用極の電位を、銅の標準電極電位よりも高い電位に制御することにより、前記作用極の表面に被覆された銅層を除去することを特徴とする請求項3に記載の触媒の製造方法。   In the removing step, the copper layer coated on the surface of the working electrode is removed by controlling the potential of the working electrode with respect to the reference electrode to a potential higher than a standard electrode potential of copper. A method for producing the catalyst according to claim 3.
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