JP6098871B2 - Catalyst and cathode for fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用触媒に適した複合体に関する。より詳しくは、本発明は、酸素欠損酸化ジルコニウムと所定の被覆を有する固体高分子型燃料電池カソード用触媒に適した複合体及びこの複合体を触媒として用いた固体高分子型燃料電池カソードに関する。   The present invention relates to a composite suitable for a fuel cell catalyst. More specifically, the present invention relates to a composite suitable for a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell cathode having oxygen-deficient zirconium oxide and a predetermined coating, and a polymer electrolyte fuel cell cathode using the complex as a catalyst.

固体高分子型燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜を負極及び正極で挟み込んだ構造を有し、負極に水素を含む燃料、例えば、メタノール水溶液を供給し、正極に空気を供給する。負極では、燃料に含まれる水素が酸化され、正極では酸素が還元されて、外部に電気エネルギーが取り出される。上記正極としては、カーボンブラックに白金を担持した電極が用いられている。しかし、高価な白金に代わる材料を用いた正極の開発も進められている。   A solid polymer fuel cell has a structure in which a proton conductive polymer electrolyte membrane is sandwiched between a negative electrode and a positive electrode, a fuel containing hydrogen, for example, an aqueous methanol solution, is supplied to the negative electrode, and air is supplied to the positive electrode. At the negative electrode, hydrogen contained in the fuel is oxidized, and at the positive electrode, oxygen is reduced, and electric energy is extracted outside. As the positive electrode, an electrode in which platinum is supported on carbon black is used. However, development of a positive electrode using an alternative material to expensive platinum is also underway.

特許文献1には、酸素欠損を有する酸化ジルコニウム等を主触媒とし、金を助触媒とする酸素還元用電極触媒が開示されている。特許文献2にはZrCNとZrO2からなる電極触媒及びこの触媒を担持した正極用酸素還元電極が開示されている。   Patent Document 1 discloses an electrode catalyst for oxygen reduction using zirconium oxide or the like having oxygen deficiency as a main catalyst and gold as a promoter. Patent Document 2 discloses an electrode catalyst composed of ZrCN and ZrO2 and an oxygen reduction electrode for a positive electrode carrying the catalyst.

WO2006/019128WO2006 / 019128 WO2009/060777WO2009 / 060777

Y. Liu, A. Ishihara, S. Mitsushima, N. Kamiya, K. Ota ; J. Electrochem. Soc. 154,B664-669 (2007).Y. Liu, A. Ishihara, S. Mitsushima, N. Kamiya, K. Ota; J. Electrochem. Soc. 154, B664-669 (2007). B. A. van Hassel and A. J. Burggraaf ; Appl. Phys. A, 52, 410-417 (1991)B. A. van Hassel and A. J. Burggraaf; Appl. Phys. A, 52, 410-417 (1991)

しかし、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムを用いた触媒やZrCNとZrO2からなる触媒は、固体高分子型燃料電池の正極用酸素還元電極に用いられる触媒としては、依然として能力が十分ではなかった。   However, a catalyst using zirconium oxide having oxygen vacancies and a catalyst made of ZrCN and ZrO2 are still insufficient in ability as a catalyst used for a positive electrode oxygen reduction electrode of a solid polymer fuel cell.

そこで本発明の目的は、固体高分子型燃料電池の正極用酸素還元電極に適した高い触媒性能を有する電極用触媒に適した複合体と、この複合体を触媒として用いた正極用酸素還元電極を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a composite suitable for an electrode catalyst having high catalytic performance suitable for an oxygen reduction electrode for a positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell, and an oxygen reduction electrode for a positive electrode using the composite as a catalyst. Is to provide.

本発明は以下のとおりである。
[1]酸素欠損を有する酸化ジルコニウムであって、硫黄またはフルオロカーボンの被覆を有する複合体。
[2]複合体表面の水接触角が70〜120°の範囲である[1]に記載の複合体。
[3]酸素欠損を有する酸化ジルコニウムはZrO2-x(xは 0.001〜0.1の範囲である)で示される[1]または[2]に記載の複合体。
[4]硫黄の被覆量は、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムのジルコニウムに対する硫黄のモル比で0.01〜0.5の範囲である[1]〜[3]のいずれか1項に記載の複合体。
[5]フルオロカーボンの被覆量は、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムのジルコニウムに対するフルオロカーボンのフッ素のモル比で0.01〜0.5の範囲である[1]〜[3]のいずれか1項に記載の複合体。
[6]固体高分子型燃料電池カソード用触媒として用いられる[1]〜[5]のいずれか1項に記載の複合体。
[7][1]〜[5]のいずれか1項に記載の複合体を触媒として電極担体に担持した、固体高分子型燃料電池用カソード。
The present invention is as follows.
[1] Zirconium oxide having oxygen deficiency and having a sulfur or fluorocarbon coating.
[2] The composite according to [1], wherein a water contact angle on the surface of the composite is in the range of 70 to 120 °.
[3] The complex according to [1] or [2], wherein the zirconium oxide having an oxygen deficiency is represented by ZrO 2-x (x is in the range of 0.001 to 0.1).
[4] The composite according to any one of [1] to [3], wherein a covering amount of sulfur is in a range of 0.01 to 0.5 in terms of a molar ratio of sulfur to zirconium of zirconium oxide having oxygen deficiency.
[5] The composite according to any one of [1] to [3], wherein a coating amount of the fluorocarbon is in a range of 0.01 to 0.5 in terms of a molar ratio of fluorocarbon fluorine to zirconium of zirconium oxide having oxygen deficiency.
[6] The composite according to any one of [1] to [5], which is used as a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell cathode.
[7] A cathode for a polymer electrolyte fuel cell, in which the composite according to any one of [1] to [5] is supported on an electrode carrier as a catalyst.

本発明によれば、酸性電解質中での酸素還元能及び安定性に優れた、電極用触媒に適した複合体及び酸素還元電極を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the composite_body | complex suitable for the catalyst for electrodes and the oxygen reduction electrode excellent in the oxygen reduction ability and stability in acidic electrolyte can be provided.

活物質の合成に用いる合成装置を図1に示す。A synthesis apparatus used for synthesis of the active material is shown in FIG. ドープ物質に硫黄またはPTFEを用いた場合の発光スペクトルを図2に示す。Fig. 2 shows the emission spectrum when sulfur or PTFE is used as the doping material. ZrO2原料、S-ZrO2およびCF-ZrO2のSEM像を図3に示す。FIG. 3 shows SEM images of the ZrO 2 raw material, S—ZrO 2 and CF—ZrO 2 . XPSスペクトルを示す。図4(a)は70秒間マイクロ波照射したS-ZrO2の最表面と20nmスパッタした内部のZr3dナロースペクトルである。図4(b)は70秒間プラズマ照射したCF-ZrO2の最表面と20nmスパッタした内部のZr3dナロースペクトルである。図4(c)はN2雰囲気中1,200℃で焼成したZrO2の最表面と20nmスパッタした内部のZr3dナロースペクトルである。The XPS spectrum is shown. FIG. 4 (a) shows the Zr3d narrow spectrum of the outermost surface of S-ZrO 2 irradiated with microwaves for 70 seconds and the interior sputtered by 20 nm. FIG. 4 (b) shows the Zr3d narrow spectrum of the innermost surface sputtered by 20 nm and the outermost surface of CF-ZrO 2 irradiated with plasma for 70 seconds. FIG. 4 (c) shows the Zr3d narrow spectrum of the outermost surface of ZrO 2 baked at 1,200 ° C. in an N 2 atmosphere and the interior sputtered by 20 nm. 図5は合成した70秒間プラズマ照射したCF-ZrO2の最表面と20nmスパッタした内部のF1sナロースペクトルである。FIG. 5 shows the F1s narrow spectrum of the innermost surface sputtered by 20 nm and the outermost surface of CF-ZrO 2 irradiated with plasma for 70 seconds. Sプラズマの照射時間とZrO2の重量変化の関係を図6(a)に示す。NおよびCNプラズマの照射時間とZrO2の重量変化の関係を図6(b)に示す。FIG. 6 (a) shows the relationship between the S plasma irradiation time and the change in the weight of ZrO 2 . FIG. 6 (b) shows the relationship between the irradiation time of N and CN plasma and the change in the weight of ZrO 2 . 図7(a-1)に硫黄添加量と硫黄ドープ量の関係を示す。図7(a-2)に硫黄添加量とS-ZrO2電極の撥水性の関係を示す。図7(b-1)にPTFE添加量とドープフルオロカーボンのフッ素の量の関係を示す。図7(b-2)にPTFE添加量とCF-ZrO2電極の撥水性の関係を示す。FIG. 7 (a-1) shows the relationship between the sulfur addition amount and the sulfur doping amount. FIG. 7 (a-2) shows the relationship between the amount of sulfur added and the water repellency of the S-ZrO 2 electrode. FIG. 7 (b-1) shows the relationship between the amount of PTFE added and the amount of fluorine in the doped fluorocarbon. FIG. 7 (b-2) shows the relationship between the amount of PTFE added and the water repellency of the CF-ZrO 2 electrode. 図8にZrO2、 S-ZrO2 および CF-ZrO2電極の3、 6、 9サイクルのサイクリックボルタモグラム(CV)を示す。Figure 8 shows cyclic voltammograms (CV) of 3, 6 and 9 cycles of ZrO 2 , S-ZrO 2 and CF-ZrO 2 electrodes. 図9にZrO2、 S-ZrO2 および CF-ZrO2電極のボルタモグラムを示す。Figure 9 shows the voltammograms of ZrO 2 , S-ZrO 2 and CF-ZrO 2 electrodes. 図10に硫黄またはPTFEのドープ量と0.6V vs. RHEでの電流密度iO2-iN2の関係を示す。FIG. 10 shows the relationship between the doping amount of sulfur or PTFE and the current density i O2 -i N2 at 0.6 V vs. RHE.

<複合体>
本発明は、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムであって、硫黄またはフルオロカーボンの被覆を有する複合体に関する。酸素欠損を有する酸化ジルコニウムは、ZrO2-x(xは 0.001〜0.1の範囲である)で示されるものであることができる。酸素欠損量xは、本発明の複合体を固体高分子型燃料電池カソード用触媒として用いる際に、酸性電解質中での酸素還元能及び安定性に優れるという観点から、好ましくは0.01〜0.08の範囲であり、より好ましくは、0.03〜0.06の範囲である。酸化ジルコニウムの酸素欠損量は、例えば、酸化ジルコニウムのXPSスペクトルにおけるZr3dスペクトルのピーク(ZrO2 3d5/2 :182.7eV及びZrO2 3d3/2 :184.7eV)の低エネルギー側へのシフト量から求めることができる。この点については、非特許文献1および2を参照できる。
<Complex>
The present invention relates to a composite having an oxygen deficiency and having a sulfur or fluorocarbon coating. Zirconium oxide having oxygen deficiency can be represented by ZrO 2-x (x is in the range of 0.001 to 0.1). The oxygen deficiency x is preferably in the range of 0.01 to 0.08 from the viewpoint of excellent oxygen reducing ability and stability in an acidic electrolyte when the composite of the present invention is used as a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell cathode. More preferably, it is the range of 0.03-0.06. The amount of oxygen deficiency in zirconium oxide can be determined, for example, from the shift amount of Zr3d spectrum peaks (ZrO 2 3d5 / 2: 182.7 eV and ZrO 2 3d3 / 2: 184.7 eV) in the XPS spectrum of zirconium oxide to the lower energy side. Can do. Regarding this point, Non-Patent Documents 1 and 2 can be referred to.

本発明の複合体における酸素欠損を有する酸化ジルコニウムは、最表面のみならず、最表面から少なく20nmのバルクにおいても、最表面とほぼ同じ量の酸素欠損を示すものである。このように最表面から少なく20nmのバルクにおいても高い酸素欠損を示す酸化ジルコニウムを用いるものであることから、酸性電解質中での酸素還元能及び安定性に優れた触媒を提供できるものと推察される。   Zirconium oxide having oxygen vacancies in the composite of the present invention exhibits not only the outermost surface but also oxygen vacancies in the same amount as the outermost surface not only in the outermost surface but also in a 20 nm bulk. As described above, it is presumed that a catalyst excellent in oxygen reducing ability and stability in an acidic electrolyte can be provided because it uses zirconium oxide that exhibits high oxygen vacancies even in a bulk of 20 nm which is small from the outermost surface. .

複合体は、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムの表面の少なく一部に、硫黄またはフルオロカーボンの被覆を有するものである。硫黄の被覆及びフルオロカーボンの被覆は、いずれも、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムの表面に物理的に担持されているものであり、硫黄原子と酸化ジルコニウムのジルコニウム原子、あるいはフルオロカーボンのフッ素原子または炭素原子と酸化ジルコニウムのジルコニウム原子とが結合を有するものではない。この点もXPSスペクトルにより確認できる。   The composite has a sulfur or fluorocarbon coating on at least a part of the surface of zirconium oxide having oxygen deficiency. Both the sulfur coating and the fluorocarbon coating are physically supported on the surface of zirconium oxide having oxygen vacancies, and the sulfur atom and the zirconium atom of zirconium oxide, or the fluorine atom or carbon atom of the fluorocarbon, It does not have a bond with the zirconium atom of zirconium oxide. This point can also be confirmed by the XPS spectrum.

硫黄の被覆を有する複合体の場合、硫黄の被覆量は、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムのジルコニウムに対する硫黄のモル比で0.01〜0.5の範囲であることができる。硫黄の被覆量は、本発明の複合体を触媒として用いる場合、酸性電解質中での酸素還元能及び安定性に影響を与える。酸性電解質中での酸素還元能及び安定性は、酸化ジルコニウムの酸素欠損量と硫黄の被覆量、さらには、硫黄の被覆状態等により変動することを考慮して適宜選択することができる。酸化ジルコニウムの酸素欠損量xが0.04の場合、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムのジルコニウムに対する硫黄のモル比で0.015〜0.035の範囲であることが好ましく、0.02〜0.03の範囲であることがより好ましい。   In the case of a composite having a sulfur coating, the sulfur coating amount can range from 0.01 to 0.5 in terms of the molar ratio of zirconium to zirconium in the zirconium oxide having oxygen deficiency. When the composite of the present invention is used as a catalyst, the sulfur coating amount affects the oxygen reducing ability and stability in an acidic electrolyte. The oxygen reducing ability and stability in the acidic electrolyte can be appropriately selected in consideration of fluctuations depending on the amount of oxygen deficiency and sulfur coverage of zirconium oxide, and the state of sulfur coating. When the amount of oxygen deficiency x of zirconium oxide is 0.04, the molar ratio of zirconium oxide having oxygen deficiency to sulfur is preferably in the range of 0.015 to 0.035, and more preferably in the range of 0.02 to 0.03.

フルオロカーボンの被覆を有する複合体の場合、フルオロカーボンの被覆量は、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムのジルコニウムに対するフルオロカーボンのフッ素のモル比で0.01〜0.5の範囲であることができる。フルオロカーボンの被覆量は、本発明の複合体を触媒として用いる場合、酸性電解質中での酸素還元能及び安定性に影響を与える。酸性電解質中での酸素還元能及び安定性は、酸化ジルコニウムの酸素欠損量とフルオロカーボンの被覆量、さらには、フルオロカーボンの被覆状態等により変動することを考慮して適宜選択することができる。酸化ジルコニウムの酸素欠損量xが0.04の場合、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムのジルコニウムに対するフルオロカーボンのフッ素のモル比で0.015〜0.15の範囲であることが好ましく、0.02〜0.12の範囲であることがより好ましい。   In the case of a composite having a fluorocarbon coating, the coating amount of the fluorocarbon can be in the range of 0.01 to 0.5 in terms of the molar ratio of fluorocarbon fluorine to zirconium in zirconium oxide having oxygen deficiency. When the composite of the present invention is used as a catalyst, the coating amount of the fluorocarbon affects the oxygen reducing ability and stability in the acidic electrolyte. The oxygen reducing ability and stability in the acidic electrolyte can be appropriately selected in consideration of variations depending on the oxygen deficiency amount of zirconium oxide and the coating amount of the fluorocarbon, and the coating state of the fluorocarbon. When the oxygen deficiency x of zirconium oxide is 0.04, the molar ratio of fluorine of fluorocarbon to zirconium of zirconium oxide having oxygen deficiency is preferably in the range of 0.015 to 0.15, more preferably in the range of 0.02 to 0.12. .

酸素欠損を有する酸化ジルコニウムに対する硫黄またはフルオロカーボンの被覆状態は特に制限はない。但し、本発明の複合体が、後述するようにプラズマを用い、かつ静置状態の酸化ジルコニウム粉末に被覆を形成することから、酸化ジルコニウム粉末の表面が均一に被覆されておらず、被覆を有する箇所と被覆を有さない箇所が共存している場合もある。但し、プラズマでの処理において酸化ジルコニウム粉末を断続的に流動化させることで、被覆をより均一に形成することも可能である。   The covering state of sulfur or fluorocarbon on zirconium oxide having oxygen deficiency is not particularly limited. However, since the composite of the present invention forms a coating on the zirconium oxide powder in a stationary state using plasma as described later, the surface of the zirconium oxide powder is not uniformly coated and has a coating. In some cases, a portion and a portion having no coating coexist. However, the coating can be formed more uniformly by intermittently fluidizing the zirconium oxide powder in the plasma treatment.

本発明の複合体は、表面の水接触角が、例えば、70〜120°の範囲である。表面の水接触角は、酸化ジルコニウムの酸素欠損量と硫黄またはフルオロカーボンの被覆量、さらには、硫黄またはフルオロカーボンの被覆状態等により変動する。本発明の複合体表面の水接触角は、好ましくは、80〜120°の範囲であり、より好ましくは90〜120°の範囲である。上記水接触角が高いほど、酸性電解質中での酸素還元能及び安定性が優れた複合体となり得る。   The composite of the present invention has a surface water contact angle in the range of 70 to 120 °, for example. The water contact angle on the surface varies depending on the oxygen deficiency amount of zirconium oxide, the coating amount of sulfur or fluorocarbon, and the covering state of sulfur or fluorocarbon. The water contact angle on the surface of the composite of the present invention is preferably in the range of 80 to 120 °, more preferably in the range of 90 to 120 °. The higher the water contact angle, the more excellent the oxygen reducing ability and stability in the acidic electrolyte.

本発明の複合体は、固体高分子型燃料電池カソード用触媒として用いられる。本発明の複合体を電極触媒として酸素還元電極に用いると、酸性電解質中での酸素還元能及び安定性が優れている。   The composite of the present invention is used as a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell cathode. When the composite of the present invention is used as an electrode catalyst for an oxygen reduction electrode, the oxygen reduction ability and stability in an acidic electrolyte are excellent.

本発明の複合体の製造方法は、実施例において詳述するが、市販の酸化ジルコニウム、市販の硫黄及び市販のフルオロカーボンを用いてマイクロ波共振装置を用いて製造することができる。酸化ジルコニウム、硫黄及びフルオロカーボンは、何れも粉末であることができる。特に、酸化ジルコニウムは、固体高分子型燃料電池カソード用触媒として用いることを考慮して、平均粒子径が、例えば、0.01〜100μmの範囲、好ましくは0.1〜10μmの範囲であることができる。但し、この範囲に限定する意図ではない。   Although the manufacturing method of the composite_body | complex of this invention is explained in full detail in an Example, it can manufacture using a commercially available zirconium oxide, commercially available sulfur, and a commercially available fluorocarbon using a microwave resonance apparatus. Zirconium oxide, sulfur and fluorocarbon can all be powders. In particular, considering that the zirconium oxide is used as a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell cathode, the average particle size can be, for example, in the range of 0.01 to 100 μm, preferably in the range of 0.1 to 10 μm. However, it is not intended to limit to this range.

マイクロ波共振装置を用いての複合体の製造は、例えば、3層のカーボン製フェルトの各層の間に酸化ジルコニウム及び硫黄またはフルオロカーボンを配置し、装置内を減圧にし、その上で、マイクロ波共振装置を起動して、装置内にプラズマを生成させて所定時間処理する。マイクロ波共振装置の運転条件は、限定されるものではないが、例えば、マイクロ波としては、2.45GHz、出力100〜1000Wとすることができる。処理時間は、上記運転条件及び処理する試料の量や種類に応じて適宜決定できる。例えば、10秒〜10分の範囲とすることができる。但し、この範囲に限定される意図ではない。プラズマ生成時の装置内の減圧度にも特に制限はなく、プラズマ生成に適した条件を適宜選択することができる。   Production of a composite using a microwave resonator device is performed, for example, by placing zirconium oxide and sulfur or fluorocarbon between each layer of a three-layer carbon felt, depressurizing the inside of the device, and then microwave resonance. The apparatus is started, plasma is generated in the apparatus, and processing is performed for a predetermined time. The operating conditions of the microwave resonance device are not limited, but for example, the microwave can be 2.45 GHz and the output is 100 to 1000 W. The treatment time can be appropriately determined according to the operating conditions and the amount and type of the sample to be treated. For example, it can be in the range of 10 seconds to 10 minutes. However, it is not intended to be limited to this range. There is no particular limitation on the degree of pressure reduction in the apparatus during plasma generation, and conditions suitable for plasma generation can be selected as appropriate.

<固体高分子型燃料電池用カソード>
本発明は、上記本発明の複合体を触媒として電極担体に担持した、固体高分子型燃料電池用カソードを包含する。
<Cathode for polymer electrolyte fuel cell>
The present invention includes a cathode for a polymer electrolyte fuel cell in which the composite of the present invention is supported on an electrode carrier as a catalyst.

電極(カソード)は、例えば次のようにして製造することができる。まず、上記本発明の複合体の粉末を公知の導電剤及び結着剤と混合してペーストとし、このペーストを電極担体表面に塗布、乾燥させることで電極を製造することができる。ペーストとするために溶媒を用いることもできる。導電剤及び結着剤は、電極作製用として公知のものから適宜選択できる。導電剤としては、ケッチェンブラックなどのカーボンブラックを用いることができる。結着剤としては、ポエフッ化ビニリデンなどを用いることができる。複合体、導電剤及び結着剤の混合割合には特に制限はなく、複合体、導電剤及び結着剤の種類や電極に必要とされる特性を考慮して適宜決定できる。例えば、複合体、導電剤及び結着剤の質量比は、複合体を1としたときに、例えば、導電剤0.1〜10の範囲、結着剤0.1〜10の範囲とすることができる。担体としては、例えば炭素または導電性酸化物等のシート等を用いることができる。   The electrode (cathode) can be manufactured, for example, as follows. First, the powder of the composite of the present invention is mixed with a known conductive agent and binder to form a paste, and this paste is applied to the surface of the electrode carrier and dried to produce an electrode. A solvent can also be used to make a paste. The conductive agent and the binder can be appropriately selected from those known for electrode production. As the conductive agent, carbon black such as ketjen black can be used. As the binder, polyvinylidene fluoride or the like can be used. The mixing ratio of the composite, the conductive agent and the binder is not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the types of the composite, the conductive agent and the binder and the characteristics required for the electrode. For example, the mass ratio of the composite, conductive agent and binder is, for example, in the range of 0.1 to 10 in the conductive agent and in the range of 0.1 to 10 in the binder when the composite is 1. Can do. As the carrier, for example, a sheet of carbon or conductive oxide can be used.

本発明の電極は、固体高分子型燃料電池用カソードとして有用である。さらに本発明の電極は、水、無機物質、有機物質の電気分解、燃料電池等の酸性電解質を用いる電気化学システムのカソード用電極としても使用できる。また、本発明の電極は、リン酸形燃料電池等、固体高分子型燃料電池以外の酸性電解質を用いる際の酸化剤極としても使用できる。   The electrode of the present invention is useful as a cathode for a polymer electrolyte fuel cell. Furthermore, the electrode of the present invention can be used as an electrode for a cathode of an electrochemical system using an acidic electrolyte such as water, an inorganic substance, an organic substance, or a fuel cell. The electrode of the present invention can also be used as an oxidant electrode when using an acidic electrolyte other than a polymer electrolyte fuel cell such as a phosphoric acid fuel cell.

以下本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。但し、本発明は実施例に限定される意図ではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the present invention is not intended to be limited to the examples.

実験方法
1)活物質の合成
合成装置を図1に示す。円盤状カーボンフェルトの3ピース(直径3cm、厚さ0.5cm)の間上部に酸化ジルコニウム 0.5gを、下部に所定量のドープ物質(硫黄またはポリテトラフルオロエチレン(PTFE))をそれぞれ挟み、これを硬質ガラス容器に入れ、マルチモードタイプのマイクロ波空洞共振器内に配置した。0.001 MPaに減圧した後、500W 、2.45 GHzのマイクロ波を所定時間照射した。発生したプラズマにより硫黄またはPTFEをドープした酸化ジルコニウム(S-ZrO2、またはCF-ZrO2)を合成した。
Experimental Method 1) Synthesis of Active Material The synthesis apparatus is shown in FIG. Between three pieces of disc-shaped carbon felt (diameter 3cm, thickness 0.5cm), 0.5g of zirconium oxide is placed on the upper part, and a predetermined amount of dope substance (sulfur or polytetrafluoroethylene (PTFE)) is placed on the lower part. It was placed in a hard glass container and placed in a multimode type microwave cavity resonator. After reducing the pressure to 0.001 MPa, 500 W, 2.45 GHz microwave was irradiated for a predetermined time. Zirconium oxide (S-ZrO 2 or CF-ZrO 2 ) doped with sulfur or PTFE was synthesized by the generated plasma.

発生したプラズマについてはマルチチャンネルアナライザー(PMA-11、浜松フォトニクス)を用いて発光スペクトルを測定した。合成したS-ZrO2等の構造および結合状態については、X線光電子分光法(PHI社製、Quantum 2000型)により分析した。ドープ硫黄量はICP発光分光装置(サーモフィッシャー社製、iCAP6300)により測定した。撥水性については、自動接触角計(協和界面科学社製、CA-VP)により測定した。 The emission spectrum of the generated plasma was measured using a multichannel analyzer (PMA-11, Hamamatsu Photonics). The structure and bonding state of the synthesized S-ZrO 2 and the like were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (PHI, Quantum 2000 type). The amount of doped sulfur was measured with an ICP emission spectrometer (manufactured by Thermo Fisher, iCAP6300). The water repellency was measured with an automatic contact angle meter (Kyowa Interface Science Co., Ltd., CA-VP).

2)電気化学測定
合成したS-ZrO2等に導電剤としてケッチェンブラックおよび結着剤としてポリフッ化ビニリデンを、重量比 10 : 3 : 1 で混合し、カーボンペーパーに塗布して、電極を作製した。電気化学測定には3極式セルを用いた。作用極には作製した電極を、対極には白金を、参照電極には可逆水素電極を、電解液には0.1 M 硫酸水溶液を用いた。電極の安定性は、温度25℃、窒素雰囲気中でのサイクリックボルタンメトリーにより評価した。酸素還元触媒能は、25℃窒素雰囲気中および酸素雰囲気中でのリニアスイープボルタンメトリーにより評価した。
2) Electrochemical measurement Ketjen black as a conductive agent and polyvinylidene fluoride as a binder in a synthesized S-ZrO 2 etc. are mixed at a weight ratio of 10: 3: 1 and applied to carbon paper to produce an electrode. did. A three-electrode cell was used for electrochemical measurements. The prepared electrode was used for the working electrode, platinum was used for the counter electrode, a reversible hydrogen electrode was used for the reference electrode, and a 0.1 M sulfuric acid aqueous solution was used for the electrolyte. The stability of the electrode was evaluated by cyclic voltammetry at a temperature of 25 ° C. in a nitrogen atmosphere. The oxygen reduction catalytic ability was evaluated by linear sweep voltammetry in a nitrogen atmosphere at 25 ° C. and in an oxygen atmosphere.

結果及び考察
1)発生プラズマの分析
ドープ物質に硫黄またはPTFEを用いた場合の発光スペクトルを図2に示す。硫黄を添加した場合は、硫黄に起因する発光スペクトルが検出された。PTFEを添加した場合は、N または CN に起因する発光スペクトルが検出された。酸素欠損を引き起こすプラズマはS-ZrO2においてはSプラズマであり、CF-ZrO2においてはNおよびCNプラズマであることが判明した。
Results and Discussion 1) Analysis of generated plasma Fig. 2 shows the emission spectrum when sulfur or PTFE is used as the doping material. When sulfur was added, an emission spectrum caused by sulfur was detected. When PTFE was added, an emission spectrum due to N or CN was detected. Plasma causing oxygen deficiency is S plasma in S-ZrO 2, the CF-ZrO 2 was found to be N and CN plasma.

2)触媒の構造分析
ZrO2原料、S-ZrO2およびCF-ZrO2のSEM像を図3に示す。いずれも粒子径等のモフォロジーに大きな変化は見られなかった。
2) Structural analysis of the catalyst
FIG. 3 shows SEM images of the ZrO 2 raw material, S—ZrO 2 and CF—ZrO 2 . In all cases, there was no significant change in morphology such as particle size.

これらのプラズマで処理したZrO2の構造を分析するため、XPSスペクトルを測定した。 In order to analyze the structure of ZrO 2 treated with these plasmas, XPS spectra were measured.

図4(a)は70秒間マイクロ波照射したS-ZrO2の最表面と20nmスパッタした内部のZr3dナロースペクトルである。これらのピークはZrO2のZr3dスペクトル( ZrO2 3d5/2 :182.7eV、ZrO2 3d3/2 :184.7eV )に比べいずれも低エネルギー側にシフトしている。 FIG. 4 (a) shows the Zr3d narrow spectrum of the outermost surface of S-ZrO 2 irradiated with microwaves for 70 seconds and the interior sputtered by 20 nm. These peaks of ZrO 2 Zr3d spectrum (ZrO 2 3d5 / 2: 182.7eV , ZrO 2 3d3 / 2: 184.7eV) both compared to shifted to a lower energy side.

図4(b)は70秒間プラズマ照射したCF-ZrO2の最表面と20nmスパッタした内部のZr3dナロースペクトルである。これらのピークもZr3dスペクトルに比べいずれも低エネルギー側にシフトしている。 FIG. 4 (b) shows the Zr3d narrow spectrum of the innermost surface sputtered by 20 nm and the outermost surface of CF-ZrO 2 irradiated with plasma for 70 seconds. These peaks are also shifted to the lower energy side compared to the Zr3d spectrum.

図4(c)はN2雰囲気中1,200℃で焼成したZrO2の最表面と20nmスパッタした内部のZr3dナロースペクトルである。表面はZr3dスペクトルに比べ低エネルギー側にシフトしているが、バルクはシフトしていなかった。 FIG. 4 (c) shows the Zr3d narrow spectrum of the outermost surface of ZrO 2 baked at 1,200 ° C. in an N 2 atmosphere and the interior sputtered by 20 nm. The surface was shifted to the lower energy side compared to the Zr3d spectrum, but the bulk was not shifted.

Zr3dスペクトルの2つのピークの低エネルギー側のシフトは、酸素欠損に起因すると考えられる(非特許文献1および2)。これらの結果から、SまたはNまたはCNのプラズマ処理したZrO2は還元雰囲気で焼成したものに比べての酸素欠損サイトがよりバルク側においても存在するものであることが判明した。 The shift on the low energy side of the two peaks of the Zr3d spectrum is considered to be caused by oxygen deficiency (Non-patent Documents 1 and 2). From these results, it was found that the plasma-treated ZrO 2 of S, N, or CN has oxygen deficient sites on the bulk side as compared with those fired in a reducing atmosphere.

図5は合成した70秒間プラズマ照射したCF-ZrO2の最表面と20nmスパッタした内部のF1sナロースペクトルである。このピークの結合エネルギーはC-F結合のものに一致した。この結果は、Zr-Fの結合は生成せず、フルオロカーボンが生成したことを示唆している。FのZrに対するモル比は表面およびバルクとも0.1程度であった。 FIG. 5 shows the F1s narrow spectrum of the innermost surface sputtered by 20 nm and the outermost surface of CF-ZrO 2 irradiated with plasma for 70 seconds. The binding energy of this peak coincided with that of CF bond. This result suggests that a Zr—F bond was not generated and a fluorocarbon was formed. The molar ratio of F to Zr was about 0.1 for both surface and bulk.

また、S-ZrO2のS2pスペクトル(図示せず)においては、ピークは消失した。これはX線照射により硫黄が脱離したためと考えられ、Zr-Sの結合は生成しないことを示唆している。 In the S2p spectrum (not shown) of S-ZrO 2 , the peak disappeared. This is thought to be due to the elimination of sulfur by X-ray irradiation, suggesting that Zr-S bonds are not generated.

Sプラズマの照射時間とZrO2の重量変化の関係を図6(a)に示す。Sプラズマが消失するまでは、重量が増大した。これは硫黄がドープされたことによると考えられる。 FIG. 6 (a) shows the relationship between the S plasma irradiation time and the change in the weight of ZrO 2 . The weight increased until the S plasma disappeared. This is thought to be due to sulfur doping.

NおよびCNプラズマの照射時間とZrO2の重量変化の関係を図6(b)に示す。連続的な微量の重量の減少は、粒子の紛失によると推測されるが、マイクロ波照射20秒から60秒の断続的な重量の減少は、酸素欠損によると考えられる。また、この結果は、この条件では、マイクロ波照射70秒以上では酸素欠損が進行しないことを示唆している。この酸素欠損量は約0.5%であり、生成物質の組成はZrO1.96であると推察される。F1sXPSスペクトルの結果と併せると、合成したCF-ZrO2の組成はZrO1.96C0.05F0.1と見積もることができる。 FIG. 6 (b) shows the relationship between the irradiation time of N and CN plasma and the change in the weight of ZrO 2 . It is speculated that the continuous minute weight loss is due to the loss of particles, but the intermittent weight loss from 20 seconds to 60 seconds of microwave irradiation is thought to be due to oxygen deficiency. Moreover, this result suggests that oxygen deficiency does not advance under microwave irradiation for 70 seconds or longer under these conditions. This oxygen deficiency is about 0.5%, and the composition of the product is assumed to be ZrO 1.96 . Combined with the results of the F1sXPS spectrum, the composition of the synthesized CF-ZrO 2 can be estimated as ZrO 1.96 C 0.05 F 0.1 .

Sプラズマ処理においても硫黄消失後の重量減少は約0.5%であった。このことから、N、CNプラズマ処理と同程度の酸素欠損が生成したと推察される。したがって、マイクロ波照射時間70秒程度でのドープ硫黄重量はZrO2の0.5%程度であると推察され、このS-ZrO2の組成はZrO1.96S0.02と見積もることができる。 Even in the S plasma treatment, the weight loss after the disappearance of sulfur was about 0.5%. From this, it is presumed that oxygen vacancies similar to those in N and CN plasma treatment were generated. Thus, doped sulfur weight in the microwave irradiation time of about 70 seconds is presumed to be about 0.5 percent of ZrO 2, the composition of the S-ZrO 2 it can be estimated as ZrO 1.96 S 0.02.

次に、SまたはPTFEドープによる撥水性への影響を電極の接触角測定により評価した。マイクロ波照射時間は、酸素欠損量がほぼ一定となる70秒とした。電極は、基板の影響を除くため、Al箔に30μm膜厚でコーターにより塗工したものを用いた。硫黄のドープ量はICP発光分析により測定した。フルオロカーボンのドープ量はXPSにより測定した。   Next, the influence of S or PTFE dope on water repellency was evaluated by measuring the contact angle of the electrode. The microwave irradiation time was set to 70 seconds at which the amount of oxygen deficiency was almost constant. In order to remove the influence of the substrate, the electrode used was an Al foil coated with a coater with a thickness of 30 μm. The amount of sulfur doped was measured by ICP emission analysis. The amount of fluorocarbon doped was measured by XPS.

図7(a-1)に硫黄添加量と硫黄ドープ量の関係を示す。図7(a-2)に硫黄添加量とS-ZrO2電極の撥水性の関係を示す。添加量を増やしてもドープ量はそれに比例して増大せず、撥水性も接触角100°程度で一定となる傾向がみられた。 FIG. 7 (a-1) shows the relationship between the sulfur addition amount and the sulfur doping amount. FIG. 7 (a-2) shows the relationship between the amount of sulfur added and the water repellency of the S-ZrO 2 electrode. Even when the amount added was increased, the amount of dope did not increase in proportion thereto, and the water repellency tended to be constant at a contact angle of about 100 °.

図7(b-1)にPTFE添加量とドープフルオロカーボンのフッ素の量の関係を、図7(b-2)にPTFE添加量とCF-ZrO2電極の撥水性の関係を示す。PTFE添加量に比例してドープフッ素量が増大し、撥水性も増大した。 FIG. 7 (b-1) shows the relationship between the amount of PTFE added and the amount of fluorine in the doped fluorocarbon, and FIG. 7 (b-2) shows the relationship between the amount of PTFE added and the water repellency of the CF—ZrO 2 electrode. The amount of doped fluorine increased in proportion to the amount of PTFE added, and the water repellency also increased.

これらの差異は、硫黄は自体がプラズマ状態で安定化するので、カーボンフェルトの間からガラス容器全体に拡散するのに対し、PTFEはNまたはCNプラズマ等により気化し、カーボンフェルト内で冷却析出するので、ガラス容器全体に拡散しないためと考えられる。   These differences are because sulfur stabilizes itself in the plasma state, and diffuses from between the carbon felt to the entire glass container, whereas PTFE is vaporized by N or CN plasma, etc., and is cooled and precipitated in the carbon felt. Therefore, it is considered that it does not diffuse throughout the glass container.

3)電気化学特性
図8にZrO2、 S-ZrO2 および CF-ZrO2電極の3、 6、 9サイクルのサイクリックボルタモグラム(CV)を示す。いすれの電極もサイクルでの変化はなく安定していた。この結果は、硫黄またはPTFEドープによる電極安定性に変化がないことを示唆している。
3) Electrochemical properties Fig. 8 shows cyclic voltammograms (CV) of 3, 6 and 9 cycles of ZrO 2 , S-ZrO 2 and CF-ZrO 2 electrodes. Both electrodes were stable with no change in cycle. This result suggests that there is no change in electrode stability due to sulfur or PTFE doping.

図9にZrO2、 S-ZrO2 および CF-ZrO2電極のボルタモグラムを示す。縦軸の電流密度は酸素雰囲気中での電流密度iO2から窒素雰囲気中での電流密度iN2を引いた値、すなわち、酸素還元触媒活性を示す。S-ZrO2、CF-ZrO2、ZrO2 の順に高い活性を示し、S-ZrO2は著しく高い活性を示した。CF-ZrO2は、酸素欠損がNまたはCNプラズマにより生成し、気化したPTFEの析出により撥水性が付与される。このため、酸素欠損サイトが撥水されない可能性が高い。それに対し、S-ZrO2は、酸素欠損および撥水性付与どちらもSプラズマにより生じるため、酸素欠損サイト近傍が撥水されると推察される。このため、S-ZrO2がCF-ZrO2に比べて著しく高い酸素還元触媒活性を示したと推察する。 Figure 9 shows the voltammograms of ZrO 2 , S-ZrO 2 and CF-ZrO 2 electrodes. The current density on the vertical axis represents the value obtained by subtracting the current density iN2 in the nitrogen atmosphere from the current density iO2 in the oxygen atmosphere, that is, the oxygen reduction catalytic activity. S-ZrO 2 , CF-ZrO 2 and ZrO 2 showed high activity in this order, and S-ZrO 2 showed remarkably high activity. In CF-ZrO 2 , oxygen deficiency is generated by N or CN plasma, and water repellency is imparted by precipitation of vaporized PTFE. For this reason, there is a high possibility that the oxygen deficient sites are not water repellent. In contrast, S-ZrO 2 is presumed to be water repellent in the vicinity of the oxygen deficient site because both oxygen deficiency and imparting water repellency are generated by S plasma. For this reason, it is presumed that S-ZrO 2 showed remarkably higher oxygen reduction catalytic activity than CF-ZrO 2 .

次に、硫黄またはPTFEの濃度の酸素還元触媒活性に与える影響を評価した。図10にドープ量と0.6V vs. RHEでの電流密度iO2 - iN2の関係を示す。S-ZrO2の触媒活性はS / Zr = 0.025すなわち、ZrO1.96S0.025の組成のとき極大であった。これは硫黄ドープ量が少ないと撥水が不十分であり、硫黄ドープ量が多いと酸素欠損サイトが被覆されるためと推察される。CF-ZrO2の触媒活性はF/Zr と相関関係が得られなかった。NまたはCNプラズマにより生成する酸素欠損サイトとPTFEにより撥水されるサイトが一致しないためと考えらえる。
Next, the effect of sulfur or PTFE concentration on the oxygen reduction catalyst activity was evaluated. FIG. 10 shows the relationship between the doping amount and the current density i O2 -i N2 at 0.6 V vs. RHE. The catalytic activity of S-ZrO 2 was maximum when S / Zr = 0.025, that is, the composition of ZrO 1.96 S 0.025 . This is presumably because the water repellency is insufficient when the sulfur doping amount is small, and the oxygen deficient sites are covered when the sulfur doping amount is large. The catalytic activity of CF-ZrO 2 was not correlated with F / Zr. This is probably because the oxygen deficient sites generated by N or CN plasma do not match the sites repelled by PTFE.

本発明は、燃料電池関連分野に有用である。   The present invention is useful in the field related to fuel cells.

Claims (7)

酸素欠損を有する酸化ジルコニウムであって、硫黄またはフルオロカーボンの被覆を有する複合体。 A composite having an oxygen deficiency and having a sulfur or fluorocarbon coating. 複合体表面の水接触角が70〜120°の範囲である請求項1に記載の複合体。 2. The composite according to claim 1, wherein a water contact angle on the surface of the composite is in a range of 70 to 120 °. 酸素欠損を有する酸化ジルコニウムはZrO2-x(xは 0.001〜0.1の範囲である)で示される請求項1または2に記載の複合体。 3. The composite according to claim 1, wherein the zirconium oxide having an oxygen vacancy is represented by ZrO 2-x (x is in the range of 0.001 to 0.1). 硫黄の被覆量は、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムのジルコニウムに対する硫黄のモル比で0.01〜0.5の範囲である請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合体。 The composite according to any one of claims 1 to 3, wherein a covering amount of sulfur is in a range of 0.01 to 0.5 in terms of a molar ratio of sulfur to zirconium of zirconium oxide having oxygen deficiency. フルオロカーボンの被覆量は、酸素欠損を有する酸化ジルコニウムのジルコニウムに対するフルオロカーボンのフッ素のモル比で0.01〜0.5の範囲である請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合体。 The composite according to any one of claims 1 to 3, wherein a coating amount of the fluorocarbon is in a range of 0.01 to 0.5 in terms of a molar ratio of fluorine of fluorocarbon to zirconium of zirconium oxide having oxygen deficiency. 固体高分子型燃料電池カソード用触媒として用いられる請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合体。 6. The composite according to any one of claims 1 to 5, which is used as a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell cathode. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合体を触媒として電極担体に担持した、固体高分子型燃料電池用カソード。 6. A cathode for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the composite according to any one of claims 1 to 5 is supported on an electrode carrier as a catalyst.
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