JP6137011B2 - Method for producing fuel cell catalyst - Google Patents

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Description

本発明は、目的とする組成の燃料電池用触媒を製造できる方法に関する。   The present invention relates to a method capable of producing a fuel cell catalyst having a desired composition.

燃料電池の電極には、白金を始めとする様々な金属触媒が利用されている。非特許文献1には、酸素還元用白金合金ナノ触媒の安定性及び活性に関する考察が開示されている。   Various metal catalysts including platinum are used for electrodes of fuel cells. Non-Patent Document 1 discloses considerations regarding the stability and activity of platinum alloy nanocatalysts for oxygen reduction.

Seung,J.H.et al.,J.Am.Chem.Soc.2012,134,19508Seung, J. et al. H. et al. , J .; Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19508

非特許文献1に開示された白金イットリウム合金はスパッタ法により製造されるため、目的とする組成比に調製することが難しく、また、量産性及び生産コストにも問題があると考えられる。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、所望の組成の燃料電池用触媒を製造できる方法を提供することを目的とする。
Since the platinum yttrium alloy disclosed in Non-Patent Document 1 is manufactured by a sputtering method, it is difficult to prepare a target composition ratio, and it is considered that there is a problem in mass productivity and production cost.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for producing a fuel cell catalyst having a desired composition.

本発明の燃料電池用触媒の製造方法は、白金及びイットリウムを含む燃料電池用触媒の製造方法であって、導電性担体、白金含有溶液、及びイットリウム含有溶液を水溶液中で混合する混合工程、前記混合工程により得られた混合物に、塩基性条件下で還元剤を添加することにより、当該混合物中の白金成分が還元されてなる白金及び当該混合物中のイットリウム成分由来のイットリウム化合物を含む触媒前駆体を生成する還元工程、並びに、前記還元工程により得られた触媒前駆体を、水素雰囲気下かつ600℃以上1,000℃以下の温度条件下で焼成する焼成工程からなることを特徴とする。   The method for producing a fuel cell catalyst of the present invention is a method for producing a catalyst for a fuel cell containing platinum and yttrium, wherein the conductive support, the platinum-containing solution, and the yttrium-containing solution are mixed in an aqueous solution, A catalyst precursor comprising platinum obtained by reducing a platinum component in the mixture by adding a reducing agent under basic conditions to the mixture obtained by the mixing step, and an yttrium compound derived from the yttrium component in the mixture And a calcination step of calcination of the catalyst precursor obtained by the reduction step in a hydrogen atmosphere and under a temperature condition of 600 ° C. or higher and 1,000 ° C. or lower.

本発明によれば、焼成工程において水素雰囲気を利用することにより、原料である白金成分及びイットリウム成分をいずれも金属状態(すなわち0価の白金及び0価のイットリウム)まで還元して合金化に供することができ、その結果、目的とする組成比通りの燃料電池用触媒を製造することができる。   According to the present invention, by using a hydrogen atmosphere in the firing step, the platinum component and the yttrium component that are raw materials are both reduced to a metal state (that is, zero-valent platinum and zero-valent yttrium) and subjected to alloying. As a result, a fuel cell catalyst having a desired composition ratio can be produced.

実施例1の焼成後のXRDスペクトルである。2 is an XRD spectrum after firing in Example 1. FIG. 実施例1の焼成前後のXRDスペクトルを並べて示した図である。FIG. 3 is a diagram showing XRD spectra before and after firing in Example 1 side by side. 実施例1の焼成工程後のSTEM画像である。2 is a STEM image after the firing step of Example 1. FIG. 図3(a)〜(c)中の任意の9点における白金とイットリウムの組成比を示したグラフである。It is the graph which showed the composition ratio of platinum and yttrium in arbitrary 9 points | pieces in Fig.3 (a)-(c). 実施例1及び比較例2の還元工程後かつ焼成工程前のSTEM画像である。It is a STEM image after the reduction process of Example 1 and Comparative Example 2 and before the firing process. 図5(a)〜(c)中の任意の10点における白金とイットリウムの組成比を示したグラフである。It is the graph which showed the composition ratio of platinum and yttrium in arbitrary 10 points | pieces in Fig.5 (a)-(c). 比較例2の焼成工程後のSTEM画像である。6 is a STEM image after a firing step of Comparative Example 2. 図7(a)〜(c)中の任意の8点における白金とイットリウムの組成比を示したグラフである。It is the graph which showed the composition ratio of platinum and yttrium in arbitrary 8 points | pieces in Fig.7 (a)-(c).

本発明の燃料電池用触媒の製造方法は、白金及びイットリウムを含む燃料電池用触媒の製造方法であって、導電性担体、白金含有溶液、及びイットリウム含有溶液を水溶液中で混合する混合工程、前記混合工程により得られた混合物に、塩基性条件下で還元剤を添加することにより、当該混合物中の白金成分が還元されてなる白金及び当該混合物中のイットリウム成分由来のイットリウム化合物を含む触媒前駆体を生成する還元工程、並びに、前記還元工程により得られた触媒前駆体を、水素雰囲気下かつ600℃以上1,000℃以下の温度条件下で焼成する焼成工程からなることを特徴とする。   The method for producing a fuel cell catalyst of the present invention is a method for producing a catalyst for a fuel cell containing platinum and yttrium, wherein the conductive support, the platinum-containing solution, and the yttrium-containing solution are mixed in an aqueous solution, A catalyst precursor comprising platinum obtained by reducing a platinum component in the mixture by adding a reducing agent under basic conditions to the mixture obtained by the mixing step, and an yttrium compound derived from the yttrium component in the mixture And a calcination step of calcination of the catalyst precursor obtained by the reduction step in a hydrogen atmosphere and under a temperature condition of 600 ° C. or higher and 1,000 ° C. or lower.

本発明は、(1)混合工程、(2)還元工程、及び(3)焼成工程を有する。本発明は、必ずしも上記3工程のみに限定されることはなく、上記3工程以外にも、例えば、後述するようなろ過及び洗浄工程、乾燥工程、粉砕工程等を有していてもよい。
以下、上記工程(1)〜(3)及びその他の工程について、順に説明する。
The present invention includes (1) a mixing step, (2) a reduction step, and (3) a firing step. The present invention is not necessarily limited to only the above three steps, and may include, for example, a filtration and washing step, a drying step, a pulverizing step and the like as described later in addition to the above three steps.
Hereinafter, the steps (1) to (3) and other steps will be described in order.

1.混合工程
本工程は、導電性担体、白金含有溶液、及びイットリウム含有溶液を水溶液中で混合する工程である。
本発明の製造方法は、液相法(溶液法)を応用したものである。本工程においては、液相法に使用できる原料混合物を調製する。
本工程に使用できる白金含有溶液は、少なくとも、白金イオン、又は白金錯体等の白金化合物のいずれかの白金成分を活性種として主に含む溶液であれば、特に限定されない。白金含有溶液中の溶媒は特に限定されないが、例えば、水やアルコールが挙げられる。
本工程に使用できるイットリウム含有溶液は、少なくともイットリウムイオン、又はイットリウム錯体等のイットリウム化合物のいずれかのイットリウム成分を活性種として主に含む溶液であれば、特に限定されない。イットリウム含有溶液中の溶媒は特に限定されないが、例えば、水やアルコール等が挙げられる。
1. Mixing step This step is a step of mixing the conductive carrier, the platinum-containing solution, and the yttrium-containing solution in an aqueous solution.
The production method of the present invention applies a liquid phase method (solution method). In this step, a raw material mixture that can be used in the liquid phase method is prepared.
The platinum-containing solution that can be used in this step is not particularly limited as long as it is a solution that mainly contains at least a platinum component of platinum compounds such as platinum ions or platinum complexes as active species. Although the solvent in a platinum containing solution is not specifically limited, For example, water and alcohol are mentioned.
The yttrium-containing solution that can be used in this step is not particularly limited as long as it is a solution that mainly contains at least one yttrium component of an yttrium ion or an yttrium compound such as an yttrium complex as an active species. The solvent in the yttrium-containing solution is not particularly limited, and examples thereof include water and alcohol.

本工程に使用できる導電性担体は、カーボン担体であることが好ましい。カーボン担体としては、カーボンブラック、グラファイトカーボン、CNT、CNF、高結晶カーボン、アセチレンブラック等が例示できる。
本工程に使用できる水溶液は、アルコール水溶液が好ましい。
導電性担体、白金含有溶液、及びイットリウム含有溶液を混合する順番は特に限定されない。
また、導電性担体、白金含有溶液、及びイットリウム含有溶液の混合比は、目的とする燃料電池用触媒の組成比に合わせて調節することができる。PtY混合物の相図(例えば、NIMSデータベース掲載のPt−Y相図等)より、PtとYの組成比を任意で設定したとしても、複合化に支障はないことが確認されている。
The conductive carrier that can be used in this step is preferably a carbon carrier. Examples of the carbon carrier include carbon black, graphite carbon, CNT, CNF, highly crystalline carbon, and acetylene black.
The aqueous solution that can be used in this step is preferably an aqueous alcohol solution.
The order in which the conductive support, the platinum-containing solution, and the yttrium-containing solution are mixed is not particularly limited.
Further, the mixing ratio of the conductive support, the platinum-containing solution, and the yttrium-containing solution can be adjusted according to the composition ratio of the target fuel cell catalyst. From the phase diagram of the PtY mixture (for example, the Pt-Y phase diagram published in the NIMS database, etc.), it has been confirmed that there is no hindrance to compounding even if the composition ratio of Pt and Y is arbitrarily set.

以下、本工程の一実施形態について説明する。なお、本工程は必ずしも下記実施形態のみに限定されるものではない。
まず、蒸留水等の分散媒、及び導電性担体を混合し、当該混合物を攪拌する。得られた混合物に、さらに白金含有溶液及びイットリウム含有溶液を加え、原料混合物を調製する。
Hereinafter, an embodiment of this process will be described. In addition, this process is not necessarily limited only to the following embodiment.
First, a dispersion medium such as distilled water and a conductive carrier are mixed, and the mixture is stirred. A platinum-containing solution and an yttrium-containing solution are further added to the obtained mixture to prepare a raw material mixture.

2.還元工程
本工程は、上記混合工程により得られた混合物に、塩基性条件下で還元剤を添加することにより、白金及びイットリウム化合物を含む触媒前駆体を生成する工程である。ここでいう白金とは、混合工程により得られた混合物中の白金成分が還元されてなるものである。また、ここでいうイットリウム化合物とは、当該混合物中のイットリウム成分に由来するものである。
本工程においては、塩基性条件下で白金成分を白金へと還元しかつイットリウム化合物を生成させることが主な特徴の1つである。
イットリウムに係るプールベ・ダイアグラム(Pourbaix Diagram)からも分かる通り、イットリウムは、酸性条件下及び中性条件下では酸化還元電位が低いため、固体として析出しにくい(すなわち、イオン化しやすい)。しかし、イットリウムは塩基性条件下ではY(OH)として析出することが知られている。
したがって、本工程においては、還元剤により白金含有溶液中の白金成分(白金イオン又は白金化合物)を白金金属へ還元すると共に、塩基性条件下でイットリウムを水酸化物として析出させることによって、白金(Pt)とイットリウム水酸化物(Y(OH))の混合物(すなわち触媒前駆体)を得る。続く焼成工程において、触媒前駆体中のイットリウム水酸化物をイットリウムへと熱還元し、さらに白金とイットリウムを複合化することにより、目的とする燃料電池用触媒が得られる。
2. Reduction Step This step is a step of generating a catalyst precursor containing platinum and an yttrium compound by adding a reducing agent to the mixture obtained by the above mixing step under basic conditions. Here, platinum is obtained by reducing the platinum component in the mixture obtained in the mixing step. In addition, the yttrium compound here is derived from the yttrium component in the mixture.
In this step, one of the main features is that the platinum component is reduced to platinum and a yttrium compound is generated under basic conditions.
As can be seen from the Pourbaix Diagram relating to yttrium, yttrium has a low oxidation-reduction potential under acidic conditions and neutral conditions, so it is difficult to precipitate as a solid (that is, easily ionized). However, yttrium is known to precipitate as Y (OH) 3 under basic conditions.
Therefore, in this step, the platinum component (platinum ion or platinum compound) in the platinum-containing solution is reduced to platinum metal by a reducing agent, and yttrium is precipitated as a hydroxide under basic conditions. A mixture of Pt) and yttrium hydroxide (Y (OH) 3 ) (ie catalyst precursor) is obtained. In the subsequent calcination step, the target fuel cell catalyst is obtained by thermally reducing yttrium hydroxide in the catalyst precursor to yttrium and further combining platinum and yttrium.

還元剤としては、白金イオン又は白金化合物を白金金属へと還元できる還元力を有するものであると共に、塩基性を有するものであることが好ましい。このように十分強い還元力及び塩基性を有する還元剤としては、例えばNaBHが挙げられる。
なお、反応混合物中の塩基性条件を担保するため、還元剤と共に塩基を加えてもよい。
The reducing agent preferably has a basicity as well as having a reducing power capable of reducing platinum ions or platinum compounds to platinum metal. Examples of the reducing agent having sufficiently strong reducing power and basicity include NaBH 4 .
In addition, in order to ensure the basic conditions in the reaction mixture, a base may be added together with the reducing agent.

以下、本工程の一実施形態について説明する。なお、本工程は必ずしも下記実施形態のみに限定されるものではない。
まず、混合工程により得られた混合物に、還元剤を混合し攪拌する。当該還元剤は塩基を兼ねるため、白金成分から白金金属が生成すると共に、イットリウム成分からイットリウム水酸化物(Y(OH))が生成する。
Hereinafter, an embodiment of this process will be described. In addition, this process is not necessarily limited only to the following embodiment.
First, a reducing agent is mixed with the mixture obtained by the mixing step and stirred. Since the reducing agent also serves as a base, platinum metal is generated from the platinum component, and yttrium hydroxide (Y (OH) 3 ) is generated from the yttrium component.

還元工程後かつ焼成工程前に、触媒前駆体に対しろ過及び洗浄工程、乾燥工程、並びに粉砕工程を行ってもよい。
触媒前駆体のろ過及び洗浄は、得られた触媒前駆体の組成を損なうことなく、不純物を除去できる方法であれば特に限定されない。ろ過及び洗浄の例としては、水などを用いて吸引ろ過をする方法が挙げられる。
触媒前駆体の乾燥は、溶媒等を除去できる方法であれば特に限定されない。当該乾燥の例としては、乾燥炉で60〜80℃の温度条件にて1〜12時間乾燥させるという方法が挙げられる。
触媒前駆体の粉砕は、後述する焼成工程において触媒前駆体が満遍なく焼成されるように、固体の塊を粉砕できる方法であれば特に限定されない。当該粉砕の例としては、乳鉢やすり鉢を使用する例が挙げられる。
You may perform a filtration and washing | cleaning process, a drying process, and a grinding | pulverization process with respect to a catalyst precursor after a reduction process and before a baking process.
Filtration and washing of the catalyst precursor is not particularly limited as long as it is a method that can remove impurities without impairing the composition of the obtained catalyst precursor. Examples of filtration and washing include a method of suction filtration using water or the like.
The drying of the catalyst precursor is not particularly limited as long as the method can remove the solvent and the like. As an example of the drying, a method of drying for 1 to 12 hours at a temperature of 60 to 80 ° C. in a drying furnace may be mentioned.
The pulverization of the catalyst precursor is not particularly limited as long as it is a method capable of pulverizing a solid lump so that the catalyst precursor is uniformly fired in a firing step described later. As an example of the pulverization, an example in which a mortar filer is used.

3.焼成工程
本工程は、上記還元工程により得られた触媒前駆体を、水素雰囲気下かつ600℃以上1,000℃以下の温度条件下で焼成する工程である。本工程により、イットリウム化合物(主にイットリウム水酸化物)をイットリウムに熱還元すると共に、白金とイットリウムとを複合化することにより、目的とする組成の燃料電池用触媒が得られる。
本工程においては、水素雰囲気下において焼成することが主な特徴の1つである。水素雰囲気下で高温を付与することにより、白金金属及び0価のイットリウムを互いに固溶させることができ、均質な白金−イットリウム複合体を得ることができる。
焼成温度は、通常600℃以上1,000℃以下であり、好適には650℃以上900℃以下であり、より好適には700℃以上800℃以下である。焼成温度が600℃未満である場合には、焼成が十分進行せず、白金−イットリウム複合体の均質な合成が難しい。焼成温度が1,000℃を超える場合には、焼成が進行し過ぎる結果、副反応が生じてしまい、得られる燃料電池用触媒内に不純物が生じる。
3. Calcination step This step is a step of calcination of the catalyst precursor obtained in the reduction step under a hydrogen atmosphere and under a temperature condition of 600 ° C or higher and 1,000 ° C or lower. Through this step, a yttrium compound (mainly yttrium hydroxide) is thermally reduced to yttrium, and platinum and yttrium are combined to obtain a fuel cell catalyst having a target composition.
In this step, one of the main features is firing in a hydrogen atmosphere. By applying a high temperature under a hydrogen atmosphere, platinum metal and zero-valent yttrium can be dissolved in each other, and a homogeneous platinum-yttrium complex can be obtained.
The firing temperature is usually from 600 ° C. to 1,000 ° C., preferably from 650 ° C. to 900 ° C., and more preferably from 700 ° C. to 800 ° C. When the calcination temperature is less than 600 ° C., the calcination does not proceed sufficiently and it is difficult to produce a homogeneous platinum-yttrium composite. When the calcination temperature exceeds 1,000 ° C., as the calcination proceeds excessively, a side reaction occurs and impurities are generated in the obtained fuel cell catalyst.

以下、本工程の一実施形態について説明する。なお、本工程は必ずしも下記実施形態のみに限定されるものではない。
まず、ろ過、洗浄、乾燥、及び粉砕を経た触媒前駆体粉末を、水素雰囲気下かつ600℃以上1,000℃以下の温度条件下で焼成することにより、イットリウム水酸化物(Y(OH))をイットリウム(Y)へと還元すると共に、還元後のYとPtとを複合化させる。
Hereinafter, an embodiment of this process will be described. In addition, this process is not necessarily limited only to the following embodiment.
First, the catalyst precursor powder that has been filtered, washed, dried, and pulverized is calcined under a hydrogen atmosphere and at a temperature of 600 ° C. to 1,000 ° C., so that yttrium hydroxide (Y (OH) 3 ) Is reduced to yttrium (Y), and Y after reduction and Pt are combined.

イットリウム等の希土類は、その還元電位の低さのため金属と複合体粒子を形成することが困難である。そのため、金属とイットリウムとの複合体の合成例は、スパッタ法を用いたものしか知られていない。したがって、金属とイットリウムとの複合体の従来の合成法は、量産性及び生産コストに問題がある。
しかし、本発明に係る製造方法においては、白金を還元する工程においてイットリウムをイットリウム水酸化物に変換し、続く焼成工程において熱還元によりイットリウムを生成し、かつ水素雰囲気下で白金及びイットリウムを固溶化することによって、白金−イットリウム複合体を含む燃料電池用触媒を効率よく製造することができる。
また、得られた燃料電池用触媒は、後述する実施例に示すように、従来の白金担持カーボンよりも活性が高く、かつ耐久性に優れる。これは、イットリウムとの複合化により白金の格子定数が増加したことや、燃料電池用触媒中に含まれるイットリウム酸化物の影響により白金の耐溶出性等が向上したことによるものと考えられる。
Rare earths such as yttrium are difficult to form composite particles with metals due to their low reduction potential. Therefore, only a composite example of a composite of metal and yttrium is known using a sputtering method. Therefore, the conventional synthesis method of the composite of metal and yttrium has a problem in mass productivity and production cost.
However, in the production method according to the present invention, yttrium is converted to yttrium hydroxide in the step of reducing platinum, yttrium is generated by thermal reduction in the subsequent firing step, and platinum and yttrium are dissolved in a hydrogen atmosphere. By doing so, the catalyst for fuel cells containing a platinum-yttrium complex can be manufactured efficiently.
Further, the obtained fuel cell catalyst has higher activity and higher durability than the conventional platinum-supported carbon, as shown in Examples described later. This is considered to be due to the fact that the lattice constant of platinum was increased by complexing with yttrium, and that the elution resistance of platinum was improved by the influence of yttrium oxide contained in the fuel cell catalyst.

以下に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、この実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

1.燃料電池用触媒の製造
[実施例1]
1−1.混合工程
まず、蒸留水175g、エタノール6.66g、及びカーボンブラック(商品名:Ketjenblack)1.20gを混合し、攪拌した後、これに白金含有溶液3.49g及びイットリウム含有溶液0.1963gをさらに加えて攪拌し、混合物を調製した。
1. Production of catalyst for fuel cell [Example 1]
1-1. Mixing Step First, 175 g of distilled water, 6.66 g of ethanol, and 1.20 g of carbon black (trade name: Ketjenblack) are mixed and stirred, and then 3.49 g of platinum-containing solution and 0.1963 g of yttrium-containing solution are further added thereto. In addition, the mixture was prepared by stirring.

1−2.還元工程
次に、蒸留水700g及びNaBH0.348gを混合し、還元剤を調製した。
混合工程により得られた混合物に、上記還元剤を混合し、30分間攪拌した。この操作により、混合物中の白金成分が0価の白金まで還元されると共に、NaBHは塩基性化合物でもあるため、混合物中のイットリウム成分からイットリウム水酸化物(Y(OH))が生成される。
30分後、ろ過をして得られたろ物を、60℃の蒸留水により洗浄した後、乾燥炉にて80℃の温度条件下で乾燥し、混合物中の水及びエタノールを除去した。得られた乾燥固体をすり鉢で破砕し、触媒前駆体を得た。
1-2. Reduction step Next, 700 g of distilled water and 0.348 g of NaBH 4 were mixed to prepare a reducing agent.
The reducing agent was mixed with the mixture obtained in the mixing step and stirred for 30 minutes. By this operation, the platinum component in the mixture is reduced to zero-valent platinum, and NaBH 4 is also a basic compound, so that yttrium hydroxide (Y (OH) 3 ) is generated from the yttrium component in the mixture. The
After 30 minutes, the filtrate obtained by filtration was washed with distilled water at 60 ° C. and then dried in a drying furnace under a temperature condition of 80 ° C. to remove water and ethanol in the mixture. The obtained dry solid was crushed with a mortar to obtain a catalyst precursor.

1−3.焼成工程
還元工程により得られた触媒前駆体を、水素雰囲気下かつ700℃の温度条件下で焼成することにより、イットリウム水酸化物(Y(OH))をイットリウム(Y)へと還元すると共に、還元後のYとPtとを複合化させ、実施例1の燃料電池用触媒を製造した。
1-3. Firing step The catalyst precursor obtained in the reducing step is calcined under a hydrogen atmosphere and at a temperature of 700 ° C. to reduce yttrium hydroxide (Y (OH) 3 ) to yttrium (Y). The reduced Y and Pt were combined to produce a fuel cell catalyst of Example 1.

[比較例1]
実施例1の混合工程においてイットリウム含有溶液を使用しなかったこと、及び焼成工程において水素雰囲気の替わりにアルゴン雰囲気を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1の燃料電池用触媒を製造した。
[Comparative Example 1]
For the fuel cell of Comparative Example 1 as in Example 1, except that the yttrium-containing solution was not used in the mixing step of Example 1 and that an argon atmosphere was used instead of the hydrogen atmosphere in the firing step. A catalyst was prepared.

[比較例2]
実施例1の焼成工程において水素雰囲気の替わりにアルゴン雰囲気を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、比較例2の燃料電池用触媒を製造した。
[Comparative Example 2]
A fuel cell catalyst of Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that an argon atmosphere was used instead of the hydrogen atmosphere in the firing step of Example 1.

2.燃料電池用触媒の構造解析
2−1.XRD分析
実施例1、比較例1、及び比較例2の燃料電池用触媒について、焼成前後の化学構造をX線回折法(X‐ray diffraction:XRD)により調べた。
下記表1は、組成及び焼成雰囲気と併せて、XRDにより求められた焼成前後の平均粒径をまとめた表である。
2. 2. Structural analysis of catalyst for fuel cell 2-1. XRD Analysis Regarding the fuel cell catalysts of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, the chemical structures before and after calcination were examined by X-ray diffraction (XRD).
Table 1 below is a table summarizing the average particle sizes before and after firing determined by XRD together with the composition and firing atmosphere.

上記表1より、比較例1(組成:Pt/C)は、焼成により平均粒径が1.8倍も増大したのに対し、実施例1及び比較例2(組成:PtY/C)は、焼成による平均粒径の増大が1.5倍程度に収まった。また、Pt/CよりもPtY/Cの方が、原料の平均粒径が小さい。したがって、イットリウムを含む実施例1及び比較例2の方が、イットリウムを含まない比較例1よりも、焼成後もより細かい粒径を維持できることが分かる。   From Table 1 above, Comparative Example 1 (composition: Pt / C) had an average particle size increased by 1.8 times by firing, whereas Example 1 and Comparative Example 2 (composition: PtY / C) The increase in the average particle size due to firing was about 1.5 times. Moreover, the average particle diameter of the raw material is smaller in PtY / C than in Pt / C. Therefore, it can be seen that Example 1 and Comparative Example 2 containing yttrium can maintain a finer particle size after firing than Comparative Example 1 containing no yttrium.

図1は、実施例1の焼成後のXRDスペクトルであり、図2は、実施例1の焼成前後のXRDスペクトルを並べて示した図である。図2は、上段に焼成後のXRDスペクトルを、下段に焼成前のXRDスペクトルを、それぞれ示す。また、図1及び図2中の矢印は、Yの回折ピークを示すものである。
図1及び図2から分かる通り、焼成によりY(2θ=29°)も生成したことが明らかとなった。
FIG. 1 is an XRD spectrum after firing in Example 1, and FIG. 2 is a diagram showing XRD spectra before and after firing in Example 1 side by side. FIG. 2 shows the XRD spectrum after firing in the upper stage, and the XRD spectrum before firing in the lower stage. The arrows in Figures 1 and 2 show a diffraction peak of Y 2 O 3.
As can be seen from FIGS. 1 and 2, it was revealed that Y 2 O 3 (2θ = 29 °) was also generated by the firing.

下記表2は、実施例1の燃料電池用触媒及び白金におけるPt[111]面由来のピーク位置(2θ)をまとめた表である。下記表2中、実施例1の2θは、図1より求めたものである。   Table 2 below is a table summarizing the peak position (2θ) derived from the Pt [111] plane in the fuel cell catalyst of Example 1 and platinum. In Table 2 below, 2θ of Example 1 is obtained from FIG.

上記表2より、実施例1におけるPtYの2θは、Ptよりも低角度側ヘシフトしていることが分かる。白金の原子半径は1.30Åであるのに対し、イットリウムの原子半径は1.62Åであることから鑑みるに、実施例1における低角度側ヘのシフトは、白金よりも原子半径の大きいイットリウムが白金粒子内に入り込み、格子定数が大きくなったことに由来するものと考えられる。   From Table 2, it can be seen that 2θ of PtY in Example 1 is shifted to a lower angle side than Pt. In view of the fact that the atomic radius of platinum is 1.30 mm while the atomic radius of yttrium is 1.62 mm, the shift to the low angle side in Example 1 is caused by yttrium having a larger atomic radius than platinum. It is thought that it is derived from the fact that it entered the platinum particles and the lattice constant increased.

2−2.ICP−AES分析
実施例1の燃料電池用触媒について、誘導結合プラズマ発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry:ICP−AES)により、白金とイットリウムの組成比及び担持密度を測定した。下記表3は、白金とイットリウムの組成比及び担持密度について、原料混合比からの予測値及びICP−AES分析による測定値をまとめた表である。
2-2. ICP-AES Analysis With respect to the fuel cell catalyst of Example 1, the composition ratio and the loading density of platinum and yttrium were measured by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES). Table 3 below is a table summarizing the predicted values from the raw material mixing ratio and the measured values by ICP-AES analysis for the composition ratio and the loading density of platinum and yttrium.

上記表3より、予測値と測定値のずれについては、白金の組成比が2%、イットリウムの組成比が6%、白金の担持密度が10%、イットリウムの担持密度が19%に留まった。よって、従来と比較して、ほぼ狙いどおりの白金−イットリウム複合粒子を製造できたことが分かる。   From Table 3 above, regarding the difference between the predicted value and the measured value, the platinum composition ratio was 2%, the yttrium composition ratio was 6%, the platinum support density was 10%, and the yttrium support density was 19%. Therefore, it can be seen that the platinum-yttrium composite particles almost as aimed could be manufactured as compared with the conventional case.

2−3.STEM分析
実施例1及び比較例2の燃料電池用触媒について、焼成前後の化学構造を、走査型透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscopy:STEM)により観察した。
2-3. STEM Analysis Regarding the fuel cell catalysts of Example 1 and Comparative Example 2, the chemical structures before and after calcination were observed with a scanning transmission electron microscope (STEM).

図5(a)〜(c)は、実施例1及び比較例2の還元工程後かつ焼成工程前のSTEM画像である。また、図6は、図5(a)〜(c)中の任意の10点(10−1〜10−10)における白金とイットリウムの組成比を示したグラフである。図6中に灰色で示す領域は白金の占める組成を、黒色で示す領域はイットリウムの占める組成を、それぞれ示す。また、図6中の太い破線は、目的とする組成比(Pt:Y=75atom%:25atom%)を示す。
図5(a)〜(c)には、2〜3nmの微粒子の他に、ミクロンオーダーの粗大な粒子も確認できる。この粗大粒子は、イットリア又はイットリウム水酸化物であると推察される。還元後かつ焼成前の段階では、目的とする白金イットリウム複合粒子は十分に生成していないと考えられる。また、図6より、焼成前の混合物においては、白金とイットリウムの組成比の範囲がPt:Y=100atom%:0atom%〜12atom%:88atom%と幅広く、当該組成比が混合物内でもばらついており、さらに目的とする組成比(Pt:Y=75atom%:25atom%)から遠いことが分かる。
5A to 5C are STEM images after the reduction process of Example 1 and Comparative Example 2 and before the firing process. FIG. 6 is a graph showing the composition ratio of platinum and yttrium at arbitrary 10 points (10-1 to 10-10) in FIGS. In FIG. 6, the gray area indicates the composition occupied by platinum, and the black area indicates the composition occupied by yttrium. Moreover, the thick broken line in FIG. 6 shows the target composition ratio (Pt: Y = 75 atom%: 25 atom%).
In FIGS. 5A to 5C, in addition to fine particles of 2 to 3 nm, coarse particles on the order of microns can be confirmed. The coarse particles are presumed to be yttria or yttrium hydroxide. It is considered that the target platinum yttrium composite particles are not sufficiently formed at the stage after reduction and before firing. Further, as shown in FIG. 6, in the mixture before firing, the range of the composition ratio of platinum and yttrium is as wide as Pt: Y = 100 atom%: 0 atom% to 12 atom%: 88 atom%, and the composition ratio varies within the mixture. Further, it can be seen that it is far from the target composition ratio (Pt: Y = 75 atom%: 25 atom%).

図7(a)〜(c)は、比較例2の焼成工程後のSTEM画像である。また、図8は、図7(a)〜(c)中の任意の8点(11−1〜11−8)における白金とイットリウムの組成比を示したグラフである。図8中に灰色で示す領域、黒色で示す領域、及び太い破線については、いずれも図6と同様である。
図7(a)〜(c)には、2〜3nmの微粒子の他に、依然としてミクロンオーダーの粗大な粒子が残っていることが確認できる。この粗大粒子は、図5(a)〜(c)において観察されるものと同様に、イットリア又はイットリウム水酸化物であると推察される。また、図8より、焼成後の混合物においても、白金とイットリウムの組成比の範囲がPt:Y=95atom%:5atom%〜1atom%:99atom%とばらつき、当該組成比が混合物内で依然として偏っており、さらに目的とする組成比(Pt:Y=75atom%:25atom%)からより遠くなっていることが分かる。
7A to 7C are STEM images after the firing step of Comparative Example 2. FIG. FIG. 8 is a graph showing the composition ratio of platinum and yttrium at any eight points (11-1 to 11-8) in FIGS. In FIG. 8, the gray area, the black area, and the thick broken line are all the same as in FIG.
7A to 7C, it can be confirmed that coarse particles of micron order still remain in addition to the fine particles of 2 to 3 nm. The coarse particles are presumed to be yttria or yttrium hydroxide, similar to those observed in FIGS. Further, from FIG. 8, even in the mixture after firing, the range of the composition ratio of platinum and yttrium varies from Pt: Y = 95 atom%: 5 atom% to 1 atom%: 99 atom%, and the composition ratio is still uneven in the mixture. Further, it can be seen that the composition ratio is further away from the target composition ratio (Pt: Y = 75 atom%: 25 atom%).

図3(a)〜(c)は、実施例1の焼成工程後のSTEM画像である。また、図4は、図3(a)〜(c)中の任意の9点(1〜9)における白金とイットリウムの組成比を示したグラフである。図4中に灰色で示す領域、黒色で示す領域、及び太い破線については、いずれも図6と同様である。
図3(a)〜(c)には、2〜3nmの微粒子は観察されるものの、ミクロンオーダーの粗大な粒子は見られない。したがって、図5(a)〜(c)や図7(a)〜(c)に見られたようなイットリア又はイットリウム水酸化物は消失したと考えられる。また、図4より、焼成後の混合物においては、白金とイットリウムの組成比の範囲がPt:Y=85atom%:15atom%〜55atom%:45atom%と狭くなっており、かつ目的とする組成比(Pt:Y=75atom%:25atom%)により近くなっている。
3A to 3C are STEM images after the firing step of Example 1. FIG. FIG. 4 is a graph showing the composition ratio of platinum and yttrium at arbitrary nine points (1 to 9) in FIGS. The regions shown in gray in FIG. 4, the regions shown in black, and the thick broken lines are all the same as in FIG. 6.
In FIGS. 3A to 3C, although 2 to 3 nm fine particles are observed, coarse particles on the order of microns are not observed. Therefore, it is considered that the yttria or yttrium hydroxide as seen in FIGS. 5A to 5C and FIGS. 7A to 7C has disappeared. In addition, as shown in FIG. 4, in the mixture after firing, the range of the composition ratio of platinum and yttrium is as narrow as Pt: Y = 85 atom%: 15 atom% to 55 atom%: 45 atom%, and the target composition ratio ( Pt: Y = 75 atom%: 25 atom%).

3.燃料電池用触媒の活性評価
実施例1及び比較例2の燃料電池用触媒について、回転ディスク電極法(Rotating disk electrode:RDE)により、触媒活性を調べた。
3. Activity Evaluation of Fuel Cell Catalysts The catalyst activity of the fuel cell catalysts of Example 1 and Comparative Example 2 was examined by a rotating disk electrode method (RDE).

測定用の回転ディスク電極(RDE)を調製した。まず、燃料電池用触媒、水、及びエタノールを混合し、超音波分散機を用いて分散媒中に燃料電池用触媒を分散させた。次に、グラッシーカーボン製RDE上に得られた分散液20μLをマイクロシリンジで滴下した後、RDEを室温で乾燥させた。乾燥後のRDEにナフィオン(商品名)溶液を5μL滴下し、さらにRDEを室温で乾燥させて、これを触媒活性評価に用いた。
測定装置の概要は以下の通りである。
回転ディスク電極装置:東陽テクニカ社製1470E
参照極:水素電極(RHE)
作用極:上記調整後のRDE
対極:白金電極
電解液:0.1M HClO水溶液
A rotating disk electrode (RDE) for measurement was prepared. First, a fuel cell catalyst, water, and ethanol were mixed, and the fuel cell catalyst was dispersed in a dispersion medium using an ultrasonic disperser. Next, 20 μL of the dispersion obtained on the glassy carbon RDE was dropped with a microsyringe, and then the RDE was dried at room temperature. 5 μL of Nafion (trade name) solution was dropped into the RDE after drying, and the RDE was further dried at room temperature, and this was used for evaluation of catalyst activity.
The outline of the measuring apparatus is as follows.
Rotating disk electrode device: 1470E manufactured by Toyo Technica
Reference electrode: Hydrogen electrode (RHE)
Working electrode: RDE after the above adjustment
Counter electrode: platinum electrode Electrolyte: 0.1 M HClO 4 aqueous solution

測定手順は以下の通りである。まず、上記測定装置において温度調節をした後、クリーニング処理を行って作用極表面の不純物を除去した。次に、サイクリックボルタンメトリー(CV)、及びリニアスイープボルタンメトリー(LSV)を実施した。各測定条件は下記表4に示す通りである。   The measurement procedure is as follows. First, after adjusting the temperature in the measuring apparatus, a cleaning process was performed to remove impurities on the surface of the working electrode. Next, cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry (LSV) were performed. Each measurement condition is as shown in Table 4 below.

CV:0.05〜0.4V(vs.RHE)の通電量より白金電気化学表面積(ECSA:m/g−Pt)を測定した。
LSV:酸素還元反応(ORR)に対する活性評価を行った。
CV: platinum electrochemical surface area than the power supply amount of 0.05~0.4V (vs.RHE): was measured (ECSA m 2 / g-Pt ).
LSV: Activity evaluation for oxygen reduction reaction (ORR) was performed.

Koutecky−Levichの式(1)を用いて触媒活性を示す活性化支配電流i(mA)を求めた。
1/i=1/i+1/i 式(1)
(上記式(1)中、iは拡散限界電流値(mA)、iは0.9V(vs.RHE)における電流値(mA)を示す)
0.9V(vs.RHE)における1/iとω−1/2(ωは電極回転数)との関係をプロットし、得られたグラフのω−1/2→0(ω→∞)の切片よりiを求めた。求めたiを、RDE上に塗布した触媒量(g)により除することによって、単位質量当たりの触媒活性(A/g−Pt)を算出した。
The activation dominant current i k (mA) indicating catalytic activity was determined using the Koutecky-Levic equation (1).
1 / i = 1 / i k + 1 / i Formula L (1)
(In the above formula (1), i L represents the diffusion limit current value (mA), and i represents the current value (mA) at 0.9 V (vs. RHE)).
The relationship between 1 / i and ω −1/2 (ω is the electrode rotation speed) at 0.9 V (vs. RHE) is plotted, and ω −1/2 → 0 (ω → ∞) of the obtained graph. was asked to i k than sections. The i k obtained by dividing the amount of catalyst coated onto RDE (g), was calculated catalyst activity per unit mass (A / g-Pt).

同様の触媒活性評価を、耐久試験後の燃料電池用触媒についても行った。ここで、耐久試験とは、実施例1及び比較例1の燃料電池用触媒を、0.4〜1.2V(vs.RHE)の範囲内で掃引速度200mV/secにより繰り返し電位を掃引する試験を指す。
下記表5は、組成及び焼成雰囲気と併せて、初期及び耐久試験後の触媒活性(A/g−Pt)及び活性維持率(%)をまとめた表である。ここで、初期の触媒活性とは、耐久試験を経ずに測定した触媒活性を指す。また、活性維持率とは、耐久試験後の触媒活性を初期の触媒活性で除して100を乗じた値(%)である。
The same catalytic activity evaluation was performed on the fuel cell catalyst after the durability test. Here, the durability test is a test in which the potential of the fuel cell catalyst of Example 1 and Comparative Example 1 is repeatedly swept at a sweep rate of 200 mV / sec within a range of 0.4 to 1.2 V (vs. RHE). Point to.
Table 5 below is a table summarizing the catalyst activity (A / g-Pt) and the activity retention rate (%) after the initial and durability tests, together with the composition and the firing atmosphere. Here, the initial catalytic activity refers to the catalytic activity measured without going through a durability test. The activity maintenance rate is a value (%) obtained by dividing the catalyst activity after the durability test by the initial catalyst activity and multiplying by 100.

上記表5より、実施例1の初期の触媒活性は、比較例1の2.2倍であり、耐久試験後の触媒活性に至っては、比較例1の3.3倍にもなることが分かる。この結果及び上記構造解析の結果から、白金がイットリウムと満遍なく複合化し、かつ白金の格子定数が増大したことにより、高い活性が得られたものと考えられる。
また、上記表5より、実施例1の活性維持率は、比較例1よりも10%も高い。この結果から、おそらく実施例1の燃料電池用触媒においては、上記図1のXRDスペクトルにおいて観測されたYの影響により白金の耐溶出性等が向上したため、それに伴い触媒の耐久性も向上したと考えられる。
From Table 5 above, it can be seen that the initial catalytic activity of Example 1 is 2.2 times that of Comparative Example 1, and the catalytic activity after the durability test is 3.3 times that of Comparative Example 1. . From this result and the result of the structural analysis, it is considered that high activity was obtained because platinum was evenly complexed with yttrium and the lattice constant of platinum was increased.
From Table 5 above, the activity maintenance rate of Example 1 is 10% higher than that of Comparative Example 1. From this result, probably, in the fuel cell catalyst of Example 1, the elution resistance and the like of platinum was improved by the influence of Y 2 O 3 observed in the XRD spectrum of FIG. It is thought that it improved.

Claims (1)

白金及びイットリウムを含む燃料電池用触媒の製造方法であって、
導電性担体、白金含有溶液、及びイットリウム含有溶液を水溶液中で混合する混合工程、
前記混合工程により得られた混合物に、塩基性条件下で還元剤を添加することにより、当該混合物中の白金成分が還元されてなる白金及び当該混合物中のイットリウム成分由来のイットリウム水酸化物を含む触媒前駆体を生成する還元工程、並びに、
前記還元工程により得られた触媒前駆体を、水素雰囲気下かつ600℃以上1,000℃以下の温度条件下で焼成する焼成工程からなることを特徴とする、燃料電池用触媒の製造方法。
A method for producing a catalyst for a fuel cell containing platinum and yttrium,
A mixing step of mixing a conductive carrier, a platinum-containing solution, and an yttrium-containing solution in an aqueous solution;
By adding a reducing agent under basic conditions to the mixture obtained by the mixing step, platinum obtained by reducing the platinum component in the mixture and yttrium hydroxide derived from the yttrium component in the mixture are included. A reduction step to produce a catalyst precursor, and
A method for producing a fuel cell catalyst, comprising a calcining step of calcining the catalyst precursor obtained by the reduction step under a hydrogen atmosphere and under a temperature condition of 600 ° C or higher and 1,000 ° C or lower.
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