JP6174890B2 - 酸素還元触媒、酸素還元電極、及び燃料電池 - Google Patents
酸素還元触媒、酸素還元電極、及び燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6174890B2 JP6174890B2 JP2013077117A JP2013077117A JP6174890B2 JP 6174890 B2 JP6174890 B2 JP 6174890B2 JP 2013077117 A JP2013077117 A JP 2013077117A JP 2013077117 A JP2013077117 A JP 2013077117A JP 6174890 B2 JP6174890 B2 JP 6174890B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxygen reduction
- prussian blue
- metal complex
- reduction catalyst
- catalyst
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
〔1〕
プルシアンブルー型金属錯体と、酸素還元活性物と、を含有し、
前記プルシアンブルー型金属錯体の比率は、酸素還元触媒を100質量%として、質量比で、0.05〜2質量%である、酸素還元触媒。
〔2〕
前記酸素還元活性物が、窒素含有炭素触媒を含む、〔1〕に記載の酸素還元触媒。
〔3〕
前記酸素還元活性物が、Pt,Pd,Ru,Fe,Co,Ti,Zr,Nb,Mo,W,及びReからなる群より選択される少なくとも一種の元素を含む、〔1〕又は〔2〕に記載の酸素還元触媒。
〔4〕
〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載の酸素還元触媒を含む、酸素還元電極。
〔5〕
〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載の酸素還元触媒を含む、燃料電池。
本実施形態に係る酸素還元触媒は、プルシアンブルー型金属錯体と、酸素還元活性物と、を含有する。
本実施形態に係る酸素還元触媒で用いられるプルシアンブルー型金属錯体としては、特に限定されないが、例えば、下記式(1)で示される金属錯体が挙げられる。なお、プルシアンブルー型金属錯体は、金属イオンM1とM2とをシアノ基(CN)が架橋した立方晶系結晶構造を有する。
AxM1[M2(CN)6]y・zH2O ・・・式(1)
[式(1)中、Aは陽イオン、M1,M2は金属イオンを表す。xは0〜3であり,yは0.3〜1.5であり,zは0〜30である。]
本実施形態に係る酸素還元触媒で用いられる酸素還元活性物としては、酸素を還元する活性を有するものであれば特に限定されず、例えば、Pt系触媒、Pt合金系触媒、酸化物系非貴金属触媒、金属フタロシアニン系触媒及び金属ポルフィリン系触媒、並びに、窒素含有炭素触媒等が挙げられる。このなかでも、金属フタロシアニン系触媒及び金属ポルフィリン系触媒、並びに窒素含有炭素触媒が好ましく、窒素含有炭素触媒がさらに好ましい。このような酸素還元活性物を用いることにより、酸素還元反応における過酸化水素の発生量がより多くなり、プルシアンブルー型金属錯体の添加による高分子電解質膜の耐久性向上及び発電特性向上の効果がより大きくなる傾向にある。これら酸素還元活性物の製造方法は、特に限定されず、公知の方法で合成されたものを用いることができる。
本実施形態に係る酸素還元触媒の製造方法は、プルシアンブルー型金属錯体を合成する工程と、酸素還元活性物を合成する工程と、両者を複合化する工程とを有する。それぞれの工程を独立の作業として行ってもよく、複数の工程を同時に行う場合もある。プルシアンブルー型金属錯体を合成する工程と、酸素還元活性物を合成する工程については従来公知の方法を用いることができる。
本実施形態に係る酸素還元触媒は、酸素還元電極、燃料電池等に好適に用いることができる。上記酸素還元触媒を含む、酸素還元電極及び燃料電池は、過酸化水素が速やかに還元され高分子電解質膜の劣化が抑制されたものとなる。酸素還元触媒から酸素還元電極、燃料電池等を得る方法は、特に限定されず、一般的な固体高分子形燃料電池の作成法を用いることができる。(例えば、特開2007−207662号公報参照)
<分析方法>
(過酸化水素発生率の電気化学測定)
実施例及び比較例で用いた、電極作製法及び回転電極法によるリニアスイープボルタンメトリーの測定方法(日厚計測製の回転リングディスク電極装置「RRDE−1」を使用。)を以下に示す。回転電極はガラス状炭素からなるディスクとプラチナからなるリングを有する。ディスクには実施例及び比較例に示すように酸素還元触媒を塗布する。回転電極を作用極とし、可逆水素電極(RHE)を参照極として、炭素電極を対極とした。0.5M硫酸を電解液とし、その電解液に酸素を30分間バブリングした後、回転速度1500rpmでディスク電位を1.1Vから0Vまで5mV/sで掃引して電気化学測定を行った。リング電位は1.2Vとした。また、酸素還元開始電位E0は−10μA/cm2の電流を与える電位と定義した。
過酸化水素発生率=200×(|iR|/N)/(|iD|+|iR|/N)
実施例及び比較例の酸素還元活性物に含まれる金属元素は、ICP−MS法によって同定、定量した。また酸素還元触媒に含まれるプルシアンブルー型錯体は電気化学担持によって酸素還元活性物と複合化した。担持量は電気化学担持での電気量から算出した。その結果を表1に示す。
フェノール樹脂(群栄化学工業(株)製、レジトップPSK−2320)3.3gをアセトン300mLに溶解して溶液とし、この溶液中に3.0gの鉄フタロシアニン(東京化成工業(株)製)を加えた後、アセトンを減圧留去し、真空乾燥した。これを3.0g石英ボートに載置し、内径35mmの石英管状炉に収容し、1.2NL/minの窒素流通下で600℃において5時間熱処理した。冷却後、直径10mmφの窒化炭素製ボールを入れた遊星型ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)を用いて90分間乾式粉砕した。粉砕された炭化物を、目開き106μmの篩を通過させた後、水/エタノール=1/1(体積比)混合液と直径0.5mmφのジルコニア製ボールとを入れた遊星型ボールミルを用いて90分間湿式粉砕し、平均粒子径0.35μmの炭化物を得た。
バイアル瓶に、製造例1において得られた酸素還元活性物5mgを秤取し、そこに、ガラスビーズをスパチュラ一杯、5質量%ナフィオン(商品名)分散液(シグマアルドリッチジャパン製)を50μL、並びにイオン交換水及びエタノールをそれぞれ150μLずつ添加し、それらの混合物に20分間超音波を照射してスラリーを作製した。このスラリーを4μL秤取し、回転電極のガラス状炭素上(0.2828cm2)に塗布し、飽和水蒸気下で乾燥した。この回転電極を、20mmol/Lのフェリシアン化カリウム(和光純薬製)、20mmol/Lの塩化鉄(III)(和光純薬製)を溶解させた0.01mol/Lの塩酸水溶液の入ったガラスセルに浸し、セル内の雰囲気を窒素で置換した後、−1.5μAの電流を10秒間流し、プルシアンブルーを回転電極に電気化学的に担持させて、実施例1の酸素還元触媒を得た。この回転電極を0.5M硫酸で洗浄した後、上記電気化学測定を行った。この結果を表1に示す。下記比較例1と比べて、低電位及び高電位とも過酸化水素発生率が3.4%程度低減した。
−1.5μAの電流を20秒間流し、プルシアンブルーを回転電極に電気化学的に担持させたこと以外は、実施例1と同様の操作を行ない、実施例2の酸素還元触媒を得た。この回転電極を0.5M硫酸で洗浄した後、上記電気化学測定を行った。この結果を表1に示す。下記比較例1と比べて、低電位及び高電位とも過酸化水素発生率が5.3%程度低減した。
製造例1において得られた酸素還元活性物を用いて上記電気化学測定を行った。その結果を表1に示す。
(アズルミン酸の製造)
水350gに青酸150gを溶解させた水溶液を調製し、攪拌を行いながら、その水溶液に25%アンモニア水溶液120gを10分間かけて添加し、得られた混合液を35℃に加熱した。青酸の重合が始まり黒褐色の重合物が析出し始め、温度は徐々に上昇し45℃となった。重合開始2時間後から30質量%の青酸水溶液を200g/hの速度でさらに添加し、4時間かけて800g添加した。青酸水溶液の添加中は反応温度を50℃に保つように制御した。この温度で、さらに100時間攪拌した。得られた黒色沈殿物をろ過によって分離し、黒色のアズルミン酸を得た。このときの青酸に対するアズルミン酸の収率は96%であった。得られた黒色のアズルミン酸を水洗した後、乾燥器にて120℃で4時間乾燥させた。
1Lのナス型フラスコに上記乾燥後のアズルミン酸6.0g、硝酸鉄(III)、9水和物0.55g及び純水400gを加え、90℃の油浴中で1時間撹拌した。その後、ロータリーエバポレーターにて溶媒を除去し、真空乾燥機にて80℃で8時間乾燥させた。これを1.0g石英ボートに載置し、それを内径35mmの石英管状炉に収容し、炉内を大気圧、1NL/minの窒素流通下で60分間かけて室温から600℃まで昇温し、600℃のまま5時間保持した。冷却後、直径10mmφのジルコニア製ボールを入れた遊星ボールミル(フリッチュ製、商品名「Pulverisette−7」)を用いて90分間乾式粉砕した。粉砕された炭化物を目開き106μmの篩を通過させることで、平均粒子径を1.2μmに調整した。粉砕後の炭化物0.30gを36質量%の濃塩酸500mL中にいれ、常温で4時間撹拌し、炭化物表面の鉄を溶解除去した。これをメンブレンフィルターで濾過し、純水で洗浄した後、80℃において真空乾燥した。乾燥後の炭化物を上記と同じ加熱炉に入れ、1.2NL/minのアンモニアガス/窒素=1/1(体積比)混合ガス流通下で800℃において1時間熱処理した。冷却後の炭化物0.05gを36質量%の濃塩酸100mL中に入れ、常温で4時間撹拌し、炭化物表面の鉄を溶解除去した。これをメンブレンフィルターで濾過し、純水で洗浄した後、80℃において真空乾燥し、酸素還元活性物を0.04g得た。
バイアル瓶に、製造例2において得られた酸素還元活性物を用い、かつ−1.5μAの電流を20秒間流し、プルシアンブルーを回転電極に電気化学的に担持させたこと以外は、実施例1と同様の操作を行ない、実施例2の酸素還元触媒を得た。この回転電極を0.5M硫酸で洗浄した後、上記電気化学測定を行った。この結果を表1に示す。比較例2と比べて、低電位及び高電位とも過酸化水素発生率が6.4%程度低減した。
製造例2において得られた酸素還元活性物を用いて上記電気化学測定を行った。その結果を表1に示す。
Claims (5)
- プルシアンブルー型金属錯体と、酸素還元活性物と、を含有し、
前記プルシアンブルー型金属錯体の比率は、酸素還元触媒を100質量%として、質量比で、0.05〜2質量%である、酸素還元触媒。 - 前記酸素還元活性物が、窒素含有炭素触媒を含む、請求項1に記載の酸素還元触媒。
- 前記酸素還元活性物が、Pt,Pd,Ru,Fe,Co,Ti,Zr,Nb,Mo,W,及びReからなる群より選択される少なくとも一種の元素を含む、請求項1又は2に記載の酸素還元触媒。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の酸素還元触媒を含む、酸素還元電極。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の酸素還元触媒を含む、燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013077117A JP6174890B2 (ja) | 2013-04-02 | 2013-04-02 | 酸素還元触媒、酸素還元電極、及び燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013077117A JP6174890B2 (ja) | 2013-04-02 | 2013-04-02 | 酸素還元触媒、酸素還元電極、及び燃料電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014200718A JP2014200718A (ja) | 2014-10-27 |
JP6174890B2 true JP6174890B2 (ja) | 2017-08-02 |
Family
ID=52351675
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013077117A Active JP6174890B2 (ja) | 2013-04-02 | 2013-04-02 | 酸素還元触媒、酸素還元電極、及び燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6174890B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6458417B2 (ja) * | 2014-09-17 | 2019-01-30 | 株式会社Ihi | 触媒、アンモニア合成方法 |
JP6684049B2 (ja) * | 2015-04-15 | 2020-04-22 | 旭化成株式会社 | 窒素含有炭素材料及びその製造方法、並びに燃料電池用電極 |
WO2017005899A1 (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-12 | Medesis Pharma | In situ preparation of cyano-bridged metal nanop articles within a biocompatible reverse micellar system |
CN105236510B (zh) * | 2015-10-26 | 2018-01-30 | 哈尔滨工业大学 | 一种光芬顿催化氧化煤化工废水深度处理装置及其使用方法 |
JP6665714B2 (ja) * | 2016-06-30 | 2020-03-13 | 株式会社豊田中央研究所 | 固体高分子型燃料電池 |
CN109461944B (zh) * | 2018-10-10 | 2021-06-11 | 暨南大学 | 负载在纳米碳带上的立方体FeOOH或Fe4(Fe(CN)6)3的制备方法与应用 |
CN110808380B (zh) * | 2019-10-14 | 2022-04-26 | 天津大学 | 一种掺杂普鲁士蓝氧还原性阴极膜的制备方法 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59111266A (ja) * | 1982-12-15 | 1984-06-27 | Toyo Soda Mfg Co Ltd | 酸素電極 |
JP3925764B2 (ja) * | 1999-10-19 | 2007-06-06 | 株式会社豊田中央研究所 | 高耐久性固体高分子電解質 |
CA2571138C (en) * | 2004-06-22 | 2014-02-11 | Asahi Glass Company, Limited | Electrolyte membrane for polymer electolyte fuel cell, process for its production and membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell |
EP2109170A1 (en) * | 2008-04-07 | 2009-10-14 | Acta S.p.A. | High performance orr (oxygen reduction reaction) pgm (pt group metal) free catalyst |
JP5693125B2 (ja) * | 2010-10-05 | 2015-04-01 | 日本ゴア株式会社 | 固体高分子形燃料電池 |
-
2013
- 2013-04-02 JP JP2013077117A patent/JP6174890B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2014200718A (ja) | 2014-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6174890B2 (ja) | 酸素還元触媒、酸素還元電極、及び燃料電池 | |
Raj et al. | Emerging new generation electrocatalysts for the oxygen reduction reaction | |
Liu et al. | Green synthesis of silver nanoclusters supported on carbon nanodots: enhanced photoluminescence and high catalytic activity for oxygen reduction reaction | |
Zhao et al. | N-doped carbon synthesized from N-containing polymers as metal-free catalysts for the oxygen reduction under alkaline conditions | |
Cai et al. | Bi-modified Pd/C catalyst via irreversible adsorption and its catalytic activity for ethanol oxidation in alkaline medium | |
Sun et al. | A highly durable platinum nanocatalyst for proton exchange membrane fuel cells: multiarmed starlike nanowire single crystal | |
Yuan et al. | Facile synthesis of silver nanoparticles supported on three dimensional graphene oxide/carbon black composite and its application for oxygen reduction reaction | |
Aveiro et al. | Carbon-supported MnO2 nanoflowers: Introducing oxygen vacancies for optimized volcano-type electrocatalytic activities towards H2O2 generation | |
JP5149364B2 (ja) | 炭素触媒及びその製造方法並びにこれを用いた電極及び電池 | |
US8993164B2 (en) | Support for catalyst supporting, carrier with supported catalyst, electrode, and battery | |
Wu et al. | Electrocatalytic activity and stability of Ag-MnOx/C composites toward oxygen reduction reaction in alkaline solution | |
JP5562499B1 (ja) | 酸素還元触媒の製造方法 | |
Qin et al. | Electrophoretic deposition of network-like carbon nanofibers as a palladium catalyst support for ethanol oxidation in alkaline media | |
Sun et al. | Fe/IRMOF-3 derived porous carbons as non-precious metal electrocatalysts with high activity and stability towards oxygen reduction reaction | |
JP5893305B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池用電極触媒およびその製造方法 | |
US20140080694A1 (en) | Synthesis of nanosized metal carbides on graphitized carbon as supporting materials for electrocatalysts | |
WO2019138960A1 (ja) | 炭素系材料、電極触媒、及び炭素系材料の製造方法 | |
EP3132845B1 (en) | Nitrogen-containing carbon material and method for manufacturing same, and slurry, ink, and electrode for fuel cell | |
Soren et al. | Nano ceria supported nitrogen doped graphene as a highly stable and methanol tolerant electrocatalyst for oxygen reduction | |
Nagai et al. | Cobalt porphyrin–tungsten polyoxometalate anion as non-noble metal cathode catalyst in a fuel cell | |
JP2014188496A (ja) | 触媒 | |
Karuppasamy et al. | Sonochemical reduction method for synthesis of TiO2Pd nanocomposites and investigation of anode and cathode catalyst for ethanol oxidation and oxygen reduction reaction in alkaline medium | |
Ribeiro et al. | Platinum nanoparticles supported on nitrogen-doped carbon for ammonia electro-oxidation | |
JP5689379B2 (ja) | 触媒担持用担体、触媒担持体、電極及び電池 | |
JPWO2011136186A1 (ja) | 電極材料 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160324 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20160401 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160523 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20161130 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20161202 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170124 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170609 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170707 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6174890 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |