JP6245066B2 - Catalyst particles for polymer electrolyte fuel cell, catalyst using the same, and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられる固体高分子形燃料電池用の触媒粒子、この触媒粒子を用いて形成された固体高分子形燃料電池用の触媒、及びこの触媒を用いて形成される固体高分子形燃料電池に関する 。   The present invention relates to a catalyst particle for a polymer electrolyte fuel cell used in a polymer electrolyte fuel cell, a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell formed using the catalyst particle, and a catalyst formed using the catalyst The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

一般的な固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性電解質膜を挟んでアノードとなる触媒層とカソードとなる触媒層とが配置され、更にこれらを挟んで触媒層の外側にガス拡散層が配置され、更にこれらを挟んでガス拡散層の外側にセパレーターが配置された基本構造を有し、通常は、必要な出力を達成するために、上記の基本構造を単位セルとし、必要な数の単位セルをスタックして電池を構成している。   In a general polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer serving as an anode and a catalyst layer serving as a cathode are disposed with a proton conductive electrolyte membrane interposed therebetween, and a gas diffusion layer is disposed on the outside of the catalyst layer sandwiching these layers. And having a basic structure in which a separator is disposed outside the gas diffusion layer with these interposed therebetween, and in order to achieve a required output, the above basic structure is usually used as a unit cell, and a necessary number of units are provided. Cells are stacked to form a battery.

このような基本構造の固体高分子形燃料電池から電流を取り出すためには、アノードとカソードの両極に配されたセパレーターのガス流路からガス拡散層を介して、カソード側には酸素あるいは空気等の酸化性ガスを、また、アノード側には水素等の還元性ガスをそれぞれ触媒層まで供給し、各触媒層で起こる還元性ガス及び酸化性ガスの化学反応を利用して電流を取り出す。例えば、還元性ガスが水素ガスであって酸化性ガスが酸素ガスである場合には、アノード側触媒層の触媒粒子上で起こる下記の化学反応(1)と、カソード側触媒層の触媒粒子上で起こる下記の化学反応(2)との間のエネルギー差(電位差)を利用し、電流を取り出している。
→ 2H+2e(E=0V)……(1)
+4H+4e → 2HO(E=1.23V)……(2)
In order to take out the current from the solid polymer fuel cell having such a basic structure, oxygen or air or the like is provided on the cathode side through the gas diffusion layer from the gas flow path of the separator disposed on both electrodes of the anode and the cathode. Further, a reducing gas such as hydrogen is supplied to the catalyst layer on the anode side, and an electric current is taken out using a chemical reaction of the reducing gas and the oxidizing gas that occurs in each catalyst layer. For example, when the reducing gas is hydrogen gas and the oxidizing gas is oxygen gas, the following chemical reaction (1) that occurs on the catalyst particles of the anode side catalyst layer and on the catalyst particles of the cathode side catalyst layer: The electric current is taken out by utilizing the energy difference (potential difference) between the following chemical reaction (2) occurring in step (2).
H 2 → 2H + + 2e (E 0 = 0V) (1)
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (E 0 = 1.23 V) (2)

そして、上記の化学反応(1)及び(2)に利用されるアノード側及び/又はカソード側の触媒層には、これら必要な化学反応(1)及び(2)を促進する機能を有する触媒金属、具体的には白金、パラジウム、金、タングステン、コバルト、ニッケル、タンタル、ジルコニウム、モリブデン等の純金属や炭化物、窒化物等の金属化合物 が使用可能ではあるが、純金属としてはPtが最も高い反応活性を有することから、一般的には白金(Pt)若しくはPtを主成分とするPt合金が使用されている。ここで、Ptと共に使用される金属元素としては、触媒金属としての活性向上を目的としてCo、Ni、Fe、Pd、Au、Ru、Rh、Ir等があるが、これら金属元素の添加量は、このPt以外の金属元素の添加量が50at%を超えると、触媒金属の粒子表面におけるPt以外の金属元素の存在割合が多くなり、燃料電池の作動下で溶解して発電性能が低下する場合があることから、通常、Ptに対する原子組成百分率として50at%以下である。   The anode-side and / or cathode-side catalyst layer used in the chemical reactions (1) and (2) has a catalytic metal having a function of promoting these necessary chemical reactions (1) and (2). Specifically, pure metals such as platinum, palladium, gold, tungsten, cobalt, nickel, tantalum, zirconium and molybdenum, and metal compounds such as carbides and nitrides can be used, but Pt is the highest as a pure metal. In general, platinum (Pt) or a Pt alloy containing Pt as a main component is used because of its reactive activity. Here, as the metal element used together with Pt, there are Co, Ni, Fe, Pd, Au, Ru, Rh, Ir and the like for the purpose of improving the activity as a catalyst metal. If the amount of the metal element other than Pt exceeds 50 at%, the ratio of the metal element other than Pt on the catalyst metal particle surface increases, and it dissolves under the operation of the fuel cell and the power generation performance may decrease. Therefore, the atomic composition percentage with respect to Pt is usually 50 at% or less.

また、固体高分子形燃料電池において、アノード側触媒層とカソード側触媒層との間に配置されるプロトン伝導性電解質膜としては、一般に、高分子電解質材料であるパーフルオロスルホン酸ポリマーが使用されており、このポリマーの側鎖にはスルホン酸基が存在するので、これら触媒層に存在する触媒金属は強い酸性条件下に晒されており、しかも、燃料電池の連続運転時には電位の変動が生じるだけでなく、酸化性を有する酸素ガスが供給される。このため、他の触媒金属に比べて優れた耐酸性、耐酸化性、電位変動下で溶解し難い 等の性質を有する白金を触媒金属として用いた場合であっても、次第に白金粒子の凝集や溶解が発生し、発電反応に関与する白金粒子の表面積が小さくなり、燃料電池の性能低下が生じる。   In a polymer electrolyte fuel cell, a perfluorosulfonic acid polymer that is a polymer electrolyte material is generally used as a proton conductive electrolyte membrane disposed between an anode side catalyst layer and a cathode side catalyst layer. Since the sulfonic acid group is present in the side chain of this polymer, the catalyst metal present in these catalyst layers is exposed to strong acidic conditions, and the potential fluctuates during continuous operation of the fuel cell. In addition, oxygen gas having oxidizing properties is supplied. For this reason, even when platinum having properties such as excellent acid resistance, oxidation resistance, and difficulty in dissolving under potential fluctuations compared to other catalytic metals is used as the catalytic metal, the aggregation of platinum particles gradually increases. Dissolution occurs, the surface area of the platinum particles involved in the power generation reaction is reduced, and the performance of the fuel cell is reduced.

加えて、白金(Pt)については、その資源埋蔵量に制約があり、高価であることから、国の産業上の方針として白金触媒の使用量を削減することが挙げられている(独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 燃料電池・水素技術開発ロードマップ2010)。   In addition, since platinum (Pt) has limited resource reserves and is expensive, the national industrial policy is to reduce the amount of platinum catalyst used (independent administrative agency). New Energy and Industrial Technology Development Organization Fuel Cell and Hydrogen Technology Development Roadmap 2010).

従って、固体高分子形燃料電池の低コスト化を達成して普及を図るためには、この燃料電池用の触媒粒子における白金の使用量を可及的に低減し、また、燃料電池の運転条件である強酸性条件下、高電位条件下、及び連続運転時の電位変動の下においても、触媒粒子の凝集や溶解を抑制することができ、これによって長期間に亘って安定した発電性能を発揮させることができる触媒の開発が必要不可欠である。   Therefore, in order to achieve the low cost of the polymer electrolyte fuel cell and to promote the use thereof, the amount of platinum used in the catalyst particles for the fuel cell is reduced as much as possible, and the operating conditions of the fuel cell are reduced. It is possible to suppress aggregation and dissolution of catalyst particles even under strongly acidic conditions, high potential conditions, and potential fluctuations during continuous operation, thereby exhibiting stable power generation performance over a long period of time. It is essential to develop a catalyst that can be produced.

そこで、従来においても、固体高分子形燃料電池において、白金使用量を低減し、また、使用する触媒粒子の耐久性の向上を図るための幾つかの試みがなされている。
例えば、非特許文献1や特許文献1においては、中心金属粒子としてパラジウムを用い、この中心金属粒子を被覆する金属触媒被覆層に白金を用いたコアシェル型の触媒微粒子が提案されている。しかしながら、このようなコアシェル型触媒微粒子においては、その中心金属粒子にパラジウムが用いられているので、白金触媒被覆層に欠陥が生じるとパラジウムが容易に溶出し、初期特性は高くてもコア層の中心金属粒子が溶出するという問題がある。この問題は、白金に対して燃料電池の運転条件下で溶解し易いパラジウムを使用する限り、中心金属粒子の溶出が進行することは不可避である。
Thus, several attempts have been made in the past to reduce the amount of platinum used in the polymer electrolyte fuel cell and to improve the durability of the catalyst particles used.
For example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 propose core-shell type catalyst fine particles in which palladium is used as the central metal particle and platinum is used for the metal catalyst coating layer covering the central metal particle. However, in such a core-shell type catalyst fine particle, palladium is used for the central metal particle, so that if a defect occurs in the platinum catalyst coating layer, palladium is easily eluted, and even if the initial characteristics are high, the core layer There is a problem that the central metal particles are eluted. This problem is inevitable that the elution of the central metal particles proceeds as long as palladium, which is easily dissolved under the operating conditions of the fuel cell with respect to platinum, is used.

また、特許文献2では、コアシェル型電極触媒粒子を中心に位置する金属粒子、その外側に位置する第1の金属層、及び更にその外側に位置する第2の金属層からなる3層の構造とし、その3層の金属種の組み合わせにより高い触媒活性を発現させるようにした電極触媒粒子が提案されている。しかしながら、この3層構造の電極触媒粒子においては、第1の金属層においてその金属種として第2の金属層の金属より卑な金属を使用しており、燃料電池の運転条件である強酸性条件下、高電位条件下、及び連続運転時の電位変動の 際にこの卑な金属の溶出は避けられず、結果として電極触媒粒子の耐久性の低下は不可避である。   Moreover, in patent document 2, it is set as the 3 layer structure which consists of the metal particle located centering on a core-shell type electrocatalyst particle, the 1st metal layer located on the outer side, and the 2nd metal layer located further on the outer side. Electrocatalyst particles have been proposed in which a high catalytic activity is expressed by a combination of the three types of metal species. However, in the electrocatalyst particles having the three-layer structure, a base metal is used as the metal species in the first metal layer as compared with the metal in the second metal layer. Under the high potential conditions and during potential fluctuations during continuous operation, this base metal elution is inevitable, and as a result, the durability of the electrocatalyst particles is inevitably lowered.

更に、特許文献3には白金を使用しない炭素材料系の触媒が提案されており、また、特許文献4には白金を使用しない金属酸化物系の触媒が提案されている。しかしながら、このような非白金触媒は、発電性能が白金触媒には及ばず、発電特性を改善するために触媒使用量を多くすると、触媒層の厚みが増して供給される酸化性ガスや還元性ガスの透過性が悪くなり、触媒層まで到達可能な酸化性ガスや還元性ガスが減少し、この場合も満足な発電性能が得られない。更に、長期発電した場合には生成物である水と共に、副生成物として過酸化水素が発生する可能性があり、この過酸化水素がプロトン伝導性電解質膜を化学的に劣化させ、燃料電池の発電性能に悪影響を及ぼすことが懸念される。   Further, Patent Document 3 proposes a carbon material-based catalyst that does not use platinum, and Patent Document 4 proposes a metal oxide-based catalyst that does not use platinum. However, such non-platinum catalysts have power generation performance that does not reach that of platinum catalysts. If the amount of catalyst used is increased in order to improve power generation characteristics, the thickness of the catalyst layer increases and the supplied oxidizing gas or reducing property The gas permeability deteriorates, and the oxidizing gas and reducing gas that can reach the catalyst layer are reduced. In this case, satisfactory power generation performance cannot be obtained. Furthermore, in the case of long-term power generation, hydrogen peroxide may be generated as a by-product with water as a product. This hydrogen peroxide chemically degrades the proton conductive electrolyte membrane, and the fuel cell. There is a concern that power generation performance will be adversely affected.

また、特許文献5〜7には、触媒粒子表面に酸化ルテニウムや酸化ケイ素の被覆層を設けることにより、触媒粒子の凝集や溶出を抑制し、高耐久な触媒を提供できると記載されている。しかしながら、触媒粒子表面に金属酸化物の被覆層を設けることになるので、酸化性ガスや還元性ガスが接触して反応する触媒粒子の表面積が小さくなり、触媒粒子自体の活性の低下は不可避である。   Patent Documents 5 to 7 describe that by providing a ruthenium oxide or silicon oxide coating layer on the surface of the catalyst particles, aggregation and elution of the catalyst particles can be suppressed and a highly durable catalyst can be provided. However, since a coating layer of metal oxide is provided on the surface of the catalyst particles, the surface area of the catalyst particles that react when the oxidizing gas or reducing gas comes into contact is reduced, and a decrease in the activity of the catalyst particles is inevitable. is there.

更に、非特許文献2には、担体として金属酸化物を使用することにより、金属触媒粒子との間に強い相互作用が生じて金属触媒粒子の特性が変化すると記載されており、その具体例として、担体として酸化スズを用い、また、金属触媒粒子として白金粒子を用いて、還元雰囲気と酸化雰囲気とを精密に制御することにより、白金粒子表面の構造が変化し、触媒性能の最適化及び劣化触媒の回復が可能であるとされている。また、特許文献8には、触媒担体として酸化スズをベースとした担体を使用することにより、触媒担体として炭素材料を使用した場合に観察される炭素の酸化消耗が無く、高耐久な結果が得られることが報告されている。更に、特許文献9には、触媒担体としてチタンカーバイドや酸化チタンを利用し、優れた触媒活性と耐久性とを有する燃料電池用触媒が提案されている。更にまた、非特許文献3では、酸化チタンの酸素欠損を利用し、導電性を付与することで、金属酸化物に電子伝導性を付与するという取り組みもされている。   Furthermore, Non-Patent Document 2 describes that the use of a metal oxide as a carrier causes a strong interaction between the metal catalyst particles and changes the characteristics of the metal catalyst particles. By using tin oxide as the carrier and platinum particles as the metal catalyst particles, and precisely controlling the reducing atmosphere and the oxidizing atmosphere, the structure of the platinum particle surface changes, and the catalyst performance is optimized and deteriorated. It is said that the catalyst can be recovered. Further, in Patent Document 8, by using a support based on tin oxide as a catalyst support, there is no oxidative consumption of carbon observed when a carbon material is used as the catalyst support, and a highly durable result is obtained. Has been reported. Further, Patent Document 9 proposes a fuel cell catalyst that uses titanium carbide or titanium oxide as a catalyst carrier and has excellent catalytic activity and durability. Further, in Non-Patent Document 3, an effort is made to impart electronic conductivity to the metal oxide by using the oxygen deficiency of titanium oxide to impart conductivity.

しかしながら、これら非特許文献2、特許文献8、及び非特許文献3のように、触媒担体として炭素材料ではなくて金属酸化物を利用した場合には、炭素材料の場合に観察される炭素の酸化消耗に起因する問題は解消するが、金属酸化物の電子伝導性が低く、更に、酸素欠損を利用した金属酸化物では、燃料電池作動下で供給される酸素ガスの影響により、触媒担体が再び酸化される可能性もあり、燃料電池の電池性能が十分に高くなるとは言えない。また、特許文献9の場合には、白金粒子の大多数がチタン原子(チタンカーバイド及び酸化チタン)の中に存在しているため、燃料電池の運転条件下(酸化性ガス雰囲気、酸性条件、高電位)で白金粒子が酸化チタンで被覆されることが予想され、この場合には前記特許文献5〜7の場合と同様に白金粒子表面に到達できる酸化性ガスや還元性ガスが少なくなり、燃料電池の長期発電性能に懸念がある。   However, as in Non-Patent Document 2, Patent Document 8, and Non-Patent Document 3, when a metal oxide is used instead of a carbon material as a catalyst carrier, the oxidation of carbon observed in the case of a carbon material. Although the problem due to wear is resolved, the metal oxide has low electronic conductivity. Further, in the case of metal oxide using oxygen deficiency, the catalyst support is again formed due to the influence of oxygen gas supplied under the operation of the fuel cell. There is a possibility of being oxidized, and it cannot be said that the battery performance of the fuel cell is sufficiently improved. In the case of Patent Document 9, since the majority of platinum particles are present in titanium atoms (titanium carbide and titanium oxide), the operating conditions of the fuel cell (oxidizing gas atmosphere, acidic conditions, high It is expected that the platinum particles will be coated with titanium oxide at the potential), and in this case, as in the case of Patent Documents 5 to 7, the oxidizing gas and reducing gas that can reach the surface of the platinum particles are reduced, and the fuel There is concern about the long-term power generation performance of the battery.

更に、特許文献10では、カーボン材料に酸化スズを吸着させて得られた酸化スズ修飾カーボン担体において、酸化スズの厚みを制御することにより炭素担体の酸化消耗を抑制することが提案されている。しかしながら、触媒金属の白金は、酸化スズ上に選択的に担持されているわけではなく、白金の溶解や凝集を十分に抑制できるとはいえない。また、酸化スズの粒径も数十nm程度であって電子伝導性が十分に確保されているとは言い難い。   Further, in Patent Document 10, it is proposed that, in a tin oxide-modified carbon support obtained by adsorbing tin oxide on a carbon material, the oxidative consumption of the carbon support is suppressed by controlling the thickness of the tin oxide. However, the catalytic metal platinum is not selectively supported on tin oxide, and it cannot be said that the dissolution and aggregation of platinum can be sufficiently suppressed. Further, the particle size of tin oxide is about several tens of nm, and it is difficult to say that electron conductivity is sufficiently ensured.

特開2013-239,331号公報JP 2013-239,331 特開2013-080,683号公報JP 2013-080,683 JP 特開2007-207,662号公報JP 2007-207,662 A 特開2008-108,594号公報JP 2008-108,594 特開2013-058,429号公報JP 2013-058,429 特開2008-004,541号公報JP 2008-004,541 A 特開2012-022,960号公報JP 2012-022,960 WO09/060582号公報WO09 / 060582 Publication 特開2013-127,869号公報JP 2013-127,869 特開2012-000,525号公報JP 2012-000,525 JP

R.R.Adzic et al., J. Phys. Chem. B, 108, 10955 (2004)R.R.Adzic et al., J. Phys. Chem. B, 108, 10955 (2004) 江口ら、顕微鏡 Vol. 46, No.1 (2011)Eguchi et al., Microscope Vol. 46, No.1 (2011) T.Ioroi et al., Phys. Chem. Chem. Phys.,12 7529 (2010)T. Ioroi et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 12 7529 (2010)

そこで、発明者らは、上記の課題、すなわち白金使用量を可及的に低減し、また、燃料電池の運転条件下(強酸性条件下、高電位条件下、及び連続運転時の電位変動の下)での凝集や溶解を抑制することができる新たな燃料電池用の触媒粒子を開発すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の中心金属粒子とPt又はPt合金からなる触媒金属粒子との間に前記中心金属粒子を被覆する所定の金属酸化物被覆層を設けたコアシェル型3層構造の触媒粒子とすることにより、中間層の金属酸化物被覆層が中心金属粒子の溶出を抑制するバリア層として機能し、また、触媒金属粒子との間で所定の相互作用を発現し、これによって触媒金属粒子として使用する白金(Pt)の使用量を削減できるだけでなく、燃料電池の運転条件下での凝集や溶解を抑制できることを見出し、本発明を完成した。   Therefore, the inventors reduced the above-mentioned problem, that is, the amount of platinum used as much as possible, and the operating conditions of the fuel cell (strongly acidic conditions, high potential conditions, and potential fluctuations during continuous operation). As a result of intensive studies to develop new catalyst particles for fuel cells that can suppress agglomeration and dissolution in (b)), a predetermined center metal particle and a catalyst metal particle made of Pt or Pt alloy A barrier layer in which the metal oxide coating layer of the intermediate layer suppresses the elution of the central metal particles by using the core-shell type three-layer catalyst particles provided with the predetermined metal oxide coating layer for coating the central metal particles In addition to reducing the amount of platinum (Pt) used as catalyst metal particles, it can also function under the operating conditions of the fuel cell. It can suppress aggregation and dissolution Headlines, and completed the present invention.

従って、本発明の目的は、白金使用量を可及的に低減し、また、燃料電池の運転条件下(強酸性条件下、高電位条件下、及び連続運転時の電位変動の下)での凝集や溶解を抑制することができる新たな固体高分子形燃料電池用の触媒粒子を提供することにある。   Therefore, the object of the present invention is to reduce the amount of platinum used as much as possible, and also under fuel cell operating conditions (strongly acidic conditions, high potential conditions, and under potential fluctuations during continuous operation). It is an object of the present invention to provide new catalyst particles for a polymer electrolyte fuel cell that can suppress aggregation and dissolution.

また、本発明の他の目的は、このように白金使用量が低減され、また、燃料電池の運転条件下での凝集や溶解が抑制された触媒粒子を用いた固体高分子形燃料電池用の触媒を提供することにあり、また、この触媒を用いた固体高分子形燃料電池を提供することにある。   In addition, another object of the present invention is for a polymer electrolyte fuel cell using catalyst particles in which the amount of platinum used is reduced and the aggregation and dissolution under the operating conditions of the fuel cell are suppressed. It is to provide a catalyst and to provide a polymer electrolyte fuel cell using the catalyst.

すなわち、本発明は、以下の通りである。
(1) 中心金属粒子、前記中心金属粒子を被覆する金属酸化物被覆層、及び前記金属酸化物被覆層に担持される触媒金属粒子の3層構造を有する固体高分子形燃料電池用の触媒粒子であって、前記中心金属粒子が、Pd、Cu、Co,Ni、及びAuから選ばれた少なくとも1種からなる金属の粒子であると共に、その粒径が5〜10nmの範囲内であり、また、前記金属酸化物被覆層を形成する金属酸化物の金属元素がSi、Ti、Sn、及びZrから選ばれた少なくとも1種からなる金属であると共に、前記金属酸化物被覆層の厚みが1〜4nmの範囲内であり、更に、前記触媒金属粒子が、Pt又はPtを主成分とするPt合金であると共に、その粒径が1〜3nmの範囲内であることを特徴とする固体高分子形燃料電池用の触媒粒子。
That is, the present invention is as follows.
(1) Catalyst particles for a polymer electrolyte fuel cell having a three-layer structure of central metal particles, a metal oxide coating layer covering the central metal particles, and catalytic metal particles supported on the metal oxide coating layer The central metal particle is a metal particle composed of at least one selected from Pd, Cu, Co, Ni, and Au, and has a particle size in the range of 5 to 10 nm, and The metal element of the metal oxide forming the metal oxide coating layer is a metal composed of at least one selected from Si, Ti, Sn, and Zr, and the thickness of the metal oxide coating layer is 1 to Solid polymer form, characterized in that it is in the range of 4 nm, and the catalyst metal particles are Pt or a Pt alloy containing Pt as a main component, and the particle size thereof is in the range of 1 to 3 nm. Catalyst particles for fuel cells.

(2) 前記中心金属粒子の粒径が5〜7nmの範囲内であり、かつ、前記触媒金属粒子の粒径が1〜2nmの範囲内であることを特徴とする前記(1)に記載の固体高分子形燃料電池用の触媒粒子。
(3) 前記金属酸化物被覆層の金属元素がSi及びTiから選ばれた少なくとも1種からなる金属である前記(1)又は(2)に記載の固体高分子形燃料電池用の触媒粒子。
(2) The center metal particle has a particle size in the range of 5 to 7 nm, and the catalyst metal particle has a particle size in the range of 1 to 2 nm. Catalyst particles for polymer electrolyte fuel cells.
(3) The catalyst particle for a polymer electrolyte fuel cell according to (1) or (2), wherein the metal element of the metal oxide coating layer is a metal composed of at least one selected from Si and Ti.

(4) 前記(1)〜(3)のいずれかに記載された固体高分子形燃料電池用の触媒粒子が炭素担体に担持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池用の触媒。
(5) 前記(4)に記載された固体高分子形燃料電池用の触媒が正極及び負極のいずれか一方に、又は、両方に用いられていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
(4) A catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the catalyst particles for a polymer electrolyte fuel cell described in any one of (1) to (3) above are supported on a carbon support .
(5) A polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the catalyst for a polymer electrolyte fuel cell described in (4) is used for either or both of the positive electrode and the negative electrode.

本発明によれば、白金使用量が少なく、また、燃料電池の運転条件(強酸性条件、高電位条件、及び連続運転時の電位変動)の下で凝集や溶解のない固体高分子形燃料電池用の触媒粒子を提供することができ、固体高分子形燃料電池用触媒として用いたとき、長期間に亘って安定した発電性能を発揮し得る固体高分子形燃料電池用の触媒及びこれを用いた固体高分子形燃料電池を提供することができ、これによって固体高分子形燃料電池の低コスト化や普及を図ることができる。   According to the present invention, the amount of platinum used is small, and the polymer electrolyte fuel cell does not aggregate or dissolve under the operating conditions of the fuel cell (strongly acidic condition, high potential condition, and potential fluctuation during continuous operation). Catalyst particles for solid polymer fuel cells that can provide stable power generation performance over a long period of time when used as a catalyst for solid polymer fuel cells Thus, the polymer electrolyte fuel cell can be provided, whereby the cost and spread of the polymer electrolyte fuel cell can be achieved.

図1は、本発明の触媒粒子を説明するための模式図である。FIG. 1 is a schematic view for explaining catalyst particles of the present invention. 図2は、中心金属粒子がPd粒子であって、金属酸化物被覆層がSiO2 被覆層であって、また、触媒金属粒子がPt粒子である実施例3の触媒粒子を示すSTEM画像である。FIG. 2 is a STEM image showing the catalyst particles of Example 3 in which the central metal particles are Pd particles, the metal oxide coating layer is a SiO 2 coating layer, and the catalyst metal particles are Pt particles. .

本発明の固体高分子形燃料電池用の触媒粒子は、図1の模式図に示されているように、中心金属粒子3と、この中心金属粒子3を被覆する金属酸化物被覆層2と、この金属酸化物被覆層に担持される触媒金属粒子1とからなるコアシェル型3層構造を有するものであり、中間層の金属酸化物被覆層2が中心金属粒子3の溶出を抑制するバリア層として機能すると共に、触媒金属粒子1との間で所定の相互作用を発現し、触媒金属粒子1として使用する白金(Pt)の使用量を削減できるだけでなく、燃料電池として使用した際にその運転条件下での触媒粒子の凝集や溶解を抑制する。   As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the catalyst particles for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention include a central metal particle 3, a metal oxide coating layer 2 covering the central metal particle 3, As a barrier layer having a core-shell type three-layer structure composed of catalyst metal particles 1 supported on the metal oxide coating layer, the metal oxide coating layer 2 of the intermediate layer suppresses elution of the central metal particles 3 In addition to functioning and exhibiting a predetermined interaction with the catalytic metal particles 1, not only can the amount of platinum (Pt) used as the catalytic metal particles 1 be reduced, but also the operating conditions when used as a fuel cell. Suppresses aggregation and dissolution of catalyst particles underneath.

ここで、上記の「金属酸化物被覆層2と触媒金属粒子1との間の相互作用」については、本発明者らは次のように考えている。
すなわち、触媒金属粒子1に接する金属酸化物被覆層2の金属酸化物中の酸素原子が局所的に負電荷に分極し、一方で金属酸化物被覆層に接する触媒金属粒子1が局所的に正電荷に分極し、更に燃料電池の運転条件下で酸化性ガスや還元性ガスと接する触媒金属粒子1の表面が局所的に負電荷を帯び、これによって触媒金属粒子の酸化数の変動が抑制されることであり、その結果として、燃料電池に供給される酸化性ガスや還元性ガスが触媒粒子に接触した際にその触媒金属粒子1表面での反応を阻害することなく、触媒粒子の凝集や溶解を抑制することができる。
Here, the present inventors consider the “interaction between the metal oxide coating layer 2 and the catalyst metal particles 1” as follows.
That is, oxygen atoms in the metal oxide of the metal oxide coating layer 2 in contact with the catalyst metal particles 1 are locally polarized to negative charges, while the catalyst metal particles 1 in contact with the metal oxide coating layer are locally positive. The surface of the catalytic metal particle 1 that is polarized to electric charge and is in contact with the oxidizing gas or reducing gas under the operating condition of the fuel cell is locally negatively charged, thereby suppressing fluctuations in the oxidation number of the catalytic metal particle. As a result, when the oxidizing gas or reducing gas supplied to the fuel cell comes into contact with the catalyst particles, the catalyst particles are aggregated without inhibiting the reaction on the surface of the catalyst metal particles 1. Dissolution can be suppressed.

そして、本発明において、前記金属酸化物被覆層が上記の如く中心金属粒子の溶出を抑制するバリア層として機能し、また、触媒金属粒子との間で所望の相互作用を発現するためには、この金属酸化物被覆層が電子伝導性を阻害する可能性があることから、金属酸化物被覆層の厚さについて、バリア層として機能し得る厚さを確保すると共に、電子伝導性を阻害しないように数nmオーダーに制御する必要がある。   In the present invention, the metal oxide coating layer functions as a barrier layer that suppresses elution of the central metal particles as described above, and in order to express a desired interaction with the catalyst metal particles, Since this metal oxide coating layer may hinder electronic conductivity, the thickness of the metal oxide coating layer is ensured to function as a barrier layer and not to hinder electronic conductivity. It is necessary to control to the order of several nanometers.

本発明において、触媒粒子の中心金属粒子としては、電子導電性を有し、燃料電池の運転条件の下で溶解し難い材料で あって、その表面積を大きくするために5nm以上10nm以下、好ましくは5nm以上7nm以下の範囲内のナノ粒子として合成可能な元素から選択され、具体的にはPd、Cu、Co、Ni、及びAuを挙げることができる。ここで、例えばAgは、優れた電子伝導性を有し、かつ、燃料電池の運転条件下でCo、Ni、Cuに比較して溶解し難く、更にナノ粒子の合成も容易ではあるが、Agは、その融点が962℃であってPd(1555℃)、Co(1495℃)、Ni(1455℃)、Cu(1085℃)、Au(1064℃)に比べて低く、燃料電池の運転下で多くの電位変動があると、Ptや金属酸化物被覆層と複雑な固溶体が形成され易く、Ptが中心金属粒子のAgに固溶し、触媒粒子表面に存在するPtの原子数が少なくなって燃料電池の電池性能が低下する。   In the present invention, the central metal particle of the catalyst particle is a material that has electronic conductivity and is difficult to dissolve under the operating conditions of the fuel cell, and in order to increase its surface area, it is 5 nm to 10 nm, preferably It is selected from elements that can be synthesized as nanoparticles in the range of 5 nm to 7 nm, and specific examples include Pd, Cu, Co, Ni, and Au. Here, for example, Ag has excellent electron conductivity, is less soluble than Co, Ni, and Cu under the operating conditions of the fuel cell, and further, the synthesis of nanoparticles is easy. Has a melting point of 962 ° C., which is lower than that of Pd (1555 ° C.), Co (1495 ° C.), Ni (1455 ° C.), Cu (1085 ° C.), and Au (1064 ° C.). When there are many potential fluctuations, a complex solid solution with Pt and the metal oxide coating layer is likely to be formed, Pt is dissolved in Ag of the central metal particle, and the number of Pt atoms existing on the surface of the catalyst particle is reduced. The battery performance of the fuel cell is reduced.

また、中心金属粒子の粒径が5nm未満の場合には、触媒粒子を製造する製造工程において、中心金属粒子を金属酸化物で被覆する際に、反応溶液中で金属酸化物が中心金属粒子の表面に析出することよりも、粒子として析出することが優先し、目的とするコアシェル型3層構造を有する触媒粒子を形成するのが難しくなる。   Further, when the particle diameter of the central metal particles is less than 5 nm, in the production process for producing the catalyst particles, when the central metal particles are coated with the metal oxide, the metal oxide is not contained in the reaction solution. Precipitation as particles takes precedence over precipitation on the surface, and it becomes difficult to form catalyst particles having a target core-shell three-layer structure.

反対に、中心金属粒子の粒径が10nmよりも大きい場合には、触媒粒子が担持される「固体高分子形燃料電池用触媒として用いたときの中心金属粒子の重量当たりの表面積」が小さくなり、燃料電池として満足な性能が得られない。なお、「固体高分子形燃料電池用触媒として用いたときの中心金属粒子の重量当たりの表面積」とは、ナノオーダーの中心金属粒子1個を指しての表現ではなく、固体高分子形燃料電池用の触媒の単位重量当たりで、複数の中心金属粒子の表面積を合計した表面積を意味する(例えば、1gの触媒の場合には約1013〜1016個の中心金属粒子の表面積の合計となる。)。 On the other hand, when the particle diameter of the central metal particle is larger than 10 nm, the “surface area per weight of the central metal particle when used as a catalyst for a polymer electrolyte fuel cell” on which the catalyst particle is supported becomes small. However, satisfactory performance as a fuel cell cannot be obtained. “The surface area per weight of the central metal particles when used as a catalyst for a solid polymer fuel cell” is not an expression referring to one nano-order central metal particle, but a solid polymer fuel cell. Means the total surface area of a plurality of central metal particles per unit weight of the catalyst (for example, in the case of 1 g catalyst, the total surface area of about 10 13 to 10 16 central metal particles) .)

また、本発明において、触媒粒子の中間層となる金属酸化物被覆層については、それ自身が燃料電池の運転条件下で溶解しないことに加えて、中心金属粒子を溶解させないバリア層としての機能を果たす必要があり、中心金属粒子を緻密な被膜層で被覆可能であることが必要であり、加えて、中心金属粒子と触媒金属粒子との間において良好な電子伝導性を確保するために、薄い被膜層を形成できることが必要であり、更に、中心金属粒子を被覆する金属酸化物を形成のためにその合成出発物質として金属アルコキシドを形成し得ると共に原子半径が比較的小さな金属であることが必要である。このような金属酸化物被覆層を形成する上で好適な金属元素としては、具体的にはSi、Ti,Sn、及びZrが挙げられ、中心金属粒子に対して追随性が良いことから、特に好ましくは、Si、及びTiが挙げられる。   In the present invention, the metal oxide coating layer serving as the intermediate layer of the catalyst particles has a function as a barrier layer that does not dissolve the central metal particles, in addition to not dissolving under the operating conditions of the fuel cell. In order to ensure good electronic conductivity between the central metal particles and the catalytic metal particles, the central metal particles must be capable of being coated with a dense coating layer. It is necessary to be able to form a coating layer, and furthermore, a metal alkoxide can be formed as a synthetic starting material for forming a metal oxide covering the central metal particle, and a metal having a relatively small atomic radius is required. It is. Specific examples of metal elements suitable for forming such a metal oxide coating layer include Si, Ti, Sn, and Zr. Preferably, Si and Ti are mentioned.

この金属酸化物被覆層の厚さについては、通常1nm以上4nm以下、好ましくは1 nm以上2 nm以下の範囲内であり、この厚さが1nm未満の場合には、目的とするコアシェル型3層構造を有する触媒粒子が得られず、反対に、4nmよりも厚い場合には、金属酸化物被覆層による電子伝導の抵抗が大きくなり、触媒粒子を炭素担体に担持させて得られる触媒において、この触媒粒子の触媒金属粒子から中心金属粒子を経由して炭素担体へと通じる電子伝導 の伝導性が阻害され、燃料電池の電池性能が低下する。   The thickness of this metal oxide coating layer is usually in the range of 1 nm to 4 nm, preferably 1 nm to 2 nm. If this thickness is less than 1 nm, the target core-shell type three layers When catalyst particles having a structure cannot be obtained, on the contrary, when the thickness is larger than 4 nm, resistance of electron conduction by the metal oxide coating layer is increased, and in the catalyst obtained by supporting the catalyst particles on a carbon support, The conductivity of the electron conduction from the catalyst metal particles of the catalyst particles to the carbon support via the central metal particles is hindered, and the cell performance of the fuel cell is lowered.

ここで、金属酸化物被覆層を構成する金属元素について、その原子半径の大きさは、Siが118pm、Tiが147pm、Zrが160pm、Snが140pmであり、一方、酸素原子の原子半径が60pmであることから、金属酸化物被覆層の厚さをどんなに薄くしても、0.2nm以上となる。加えて、金属酸化物が3次元的な球体状の中心金属粒子を被覆する際には、球体の表面積の平面方向よりも、金属酸化物の成膜源が供給される垂直方向への成長が優先し、中心金属粒子全体を被覆する際に最適な厚さは必然的に1nm以上となる。この金属酸化物被覆層の厚さが1nm未満の場合には、金属酸化物被覆層により中心金属粒子全体を被覆することが難しくなり、燃料電池の運転条件下で中心金属粒子が溶出して燃料電池の電池性能が低下する虞がある。   Here, regarding the metal elements constituting the metal oxide coating layer, the atomic radii are as follows: Si is 118 pm, Ti is 147 pm, Zr is 160 pm, Sn is 140 pm, while the atomic radius of oxygen atoms is 60 pm. Therefore, no matter how thin the metal oxide coating layer is, it becomes 0.2 nm or more. In addition, when the metal oxide coats the three-dimensional spherical central metal particles, the growth in the vertical direction to which the metal oxide film forming source is supplied is more than the planar direction of the surface area of the sphere. Prioritizing, the optimum thickness for coating the entire central metal particle is necessarily greater than 1 nm. When the thickness of the metal oxide coating layer is less than 1 nm, it becomes difficult to coat the entire central metal particles with the metal oxide coating layer, and the central metal particles are eluted under the operating conditions of the fuel cell. The battery performance of the battery may be reduced.

更に、本発明において、触媒粒子を構成する触媒金属粒子については、上述した化学反応(1)及び(2)を促進する能力を有し、加えて、燃料電池の運転条件下で溶解し難い金属である必要があり、Pt又はPtを主成分とするPt合金が用いられる。ここで、Pt合金とは、Ptの他に、触媒金属粒子の活性向上等を目的として添加されるCo、Ni、Fe、Pd、Au、Ru、Rh、Ir等の金属元素を含む合金のことであり、これらの添加金属元素は触媒金属粒子中に原子組成百分率として50at%以下の割合で添加され、この添加量が50at%より高くなると、触媒金属粒子表面の添加元素の存在割合が多くなり、燃料電池の運転条件下で触媒金属粒子が溶解し易くなって電池性能が低下する。   Furthermore, in the present invention, the catalyst metal particles constituting the catalyst particles have the ability to promote the chemical reactions (1) and (2) described above, and in addition, are metals that are difficult to dissolve under the operating conditions of the fuel cell. Pt or a Pt alloy containing Pt as a main component is used. Here, the Pt alloy is an alloy containing metal elements such as Co, Ni, Fe, Pd, Au, Ru, Rh, and Ir added for the purpose of improving the activity of catalytic metal particles in addition to Pt. These additive metal elements are added to the catalyst metal particles at an atomic composition percentage of 50 at% or less, and when the addition amount is higher than 50 at%, the presence ratio of the additive elements on the surface of the catalyst metal particles increases. In addition, the catalytic metal particles are easily dissolved under the operating conditions of the fuel cell, and the battery performance is degraded.

上記触媒金属粒子の粒径については、通常1nm以上3nm以下、好ましくは1 nm以上2 nm以下の範囲内であり、この粒径が1nmよりも小さい場合には、触媒金属粒子が担持されている金属酸化物被覆層からの相互作用よりも、触媒金属粒子の表面自由エネルギーが大きく、燃料電池の運転時に触媒粒子同士の凝集が発生し、触媒粒子の表面積が小さくなって電池性能が低下する。反対に、触媒金属粒子の粒径が3nmよりも大きい場合には、触媒金属 粒子1個当たりに存在する触媒金属粒子(Pt)の原子数は1000個程度までになり、触媒粒子を構成する各触媒金属粒子(Pt)が局所的な分極の作用を享受できなくなり、従来の一般的な燃料電池用触媒金属粒子の場合と同様に、触媒粒子の凝集や溶解が発生してその表面積が小さくなって燃料電池の電池性能が低下する。   The catalyst metal particles usually have a particle size of 1 nm or more and 3 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less. When the particle size is smaller than 1 nm, the catalyst metal particles are supported. The surface free energy of the catalyst metal particles is larger than the interaction from the metal oxide coating layer, the catalyst particles are aggregated during the operation of the fuel cell, the surface area of the catalyst particles is reduced, and the cell performance is lowered. On the contrary, when the particle size of the catalyst metal particles is larger than 3 nm, the number of catalyst metal particles (Pt) present per catalyst metal particle is up to about 1000, and each of the catalyst particles is composed of The catalytic metal particles (Pt) cannot enjoy the effect of local polarization, and as in the case of conventional general catalytic metal particles for fuel cells, the agglomeration and dissolution of the catalyst particles occur and the surface area becomes small. As a result, the battery performance of the fuel cell deteriorates.

そして、本発明の固体高分子形燃料電池用の触媒は、上記の触媒粒子を炭素担体に担持させて得られる触媒であり、この触媒粒子を担持させる炭素担体については、特に制限されるものではなく、例えば、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、活性炭等やこれらの粉砕物、カーボンナノファイバー等の炭素化合物等の多孔質炭素材料を使用することができ、その1種のみを単独で用いてもよいほか、2種以上を混合して用いてもよい。ここで、カーボンブラックの市販品としては、例えば、キャボット社製のバルカンXC-72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400等や、ライオン社製のケッチェンブラックECや、三菱化学社製の#3150、#3250等のオイルファーネスブラックや、電気化学工業社製のデンカブラック等のアセチレンブラックや、Ketjen Black International Company製のケッチェンEC、ケッチェンEC-600Jd等や、Degussa製のPrintex XE2、Printex XE2-B等、クラレケミカル社製のYP、RP等が挙げられる。   The catalyst for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a catalyst obtained by supporting the catalyst particles on a carbon support, and the carbon support for supporting the catalyst particles is not particularly limited. For example, porous carbon materials such as carbon black, graphite, carbon fiber, activated carbon and the like, pulverized products thereof, and carbon compounds such as carbon nanofiber can be used, and only one of them can be used alone. In addition, you may mix and use 2 or more types. Here, as a commercial product of carbon black, for example, Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, etc. Ketjen Black EC, Oil Furnace Black such as # 3150 and # 3250 manufactured by Mitsubishi Chemical, Acetylene Black such as Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo, Ketjen EC and Ketjen EC-600Jd manufactured by Ketjen Black International Company Etc., Degussa's Printex XE2, Printex XE2-B, etc., Kuraray Chemical's YP, RP, and the like.

また、本発明において、上記の触媒(炭素担体及び触媒粒子)中に担持させる触媒粒子の担持量については、特に制限はないが、燃料電池の運転条件下で酸化性ガスや還元性ガスが炭素担体を伝わって触媒粒子表面に効率良く拡散し到達するために、触媒粒子が触媒中に通常20質量%以上80質量%以下、好ましくは20 質量%以上50 質量%以下の割合になるようにするのがよく、この担持量が20質量%より少ないと、触媒層の厚みが増して供給される酸化性ガスや還元性ガスの透過性が悪くなり、触媒層まで到達可能な酸化性ガスや還元性ガスが減少し、この場合、満足な発電性能が得られない という問題があり、反対に、80質量%より多くなると、触媒層が薄くなって酸化性ガスの拡散性はし易くなる傾向にあるが、金属触媒粒子同士の粒子間距離が短くなって、触媒粒子は凝集し易い傾向となり、触媒粒子の表面積が低下することで、拡散した酸化性ガスを金属粒子表面で効率的に反応出来ないと いう問題が生じる虞がある。   In the present invention, the amount of catalyst particles supported in the catalyst (carbon support and catalyst particles) is not particularly limited, but the oxidizing gas or reducing gas is carbon under the operating conditions of the fuel cell. In order to efficiently diffuse and reach the surface of the catalyst particles through the carrier, the catalyst particles are usually 20% by mass or more and 80% by mass or less, preferably 20% by mass or more and 50% by mass or less in the catalyst. If the supported amount is less than 20% by mass, the thickness of the catalyst layer is increased and the permeability of the supplied oxidizing gas or reducing gas is deteriorated, so that the oxidizing gas or reducing agent that can reach the catalyst layer is reduced. In this case, there is a problem that satisfactory power generation performance cannot be obtained. On the other hand, if the amount exceeds 80% by mass, the catalyst layer becomes thin and the diffusibility of the oxidizing gas tends to be easy. There are metal catalyst particles As the distance between the particles becomes shorter, the catalyst particles tend to agglomerate, and the surface area of the catalyst particles decreases, which may cause a problem that the diffused oxidizing gas cannot react efficiently on the metal particle surface. is there.

本発明において、前記中心金属粒子を調製する方法については、特に制限されるものではないが、例えば、Pd、Cu、Co,Ni、及びAuから選ばれた金属のイオンを含む溶液に還元剤を添加して中心金属粒子を含むコロイド溶液(中心金属粒子コロイド溶液)を調製する。ここで、上記の金属イオンを含む溶液としては、上記金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、塩化金属酸等を水、アルコール類、ケトン類、エーテル類等の溶剤 に溶解して得られたものを使用することができ、また、上記の還元剤としては、例えば、クエン酸類、アスコルビン酸類、カルボン酸類、ヒドラジン、ヨウ化水素、硫化水素、または水素化ホウ素塩等を例示することができる。   In the present invention, the method for preparing the central metal particles is not particularly limited. For example, a reducing agent is added to a solution containing metal ions selected from Pd, Cu, Co, Ni, and Au. Add a colloidal solution containing central metal particles (central metal particle colloidal solution). Here, the solution containing the metal ions is obtained by dissolving the metal chloride, nitrate, sulfate, metal chloride, etc. in a solvent such as water, alcohols, ketones or ethers. In addition, examples of the reducing agent include citric acids, ascorbic acids, carboxylic acids, hydrazine, hydrogen iodide, hydrogen sulfide, borohydride salts, and the like.

また、前記中心金属粒子の表面を金属酸化物被膜層で被覆する方法についても、中心金属粒子の表面に形成される金属酸化物被膜層の厚さを調整できる方法であれば特に制限されるものではなく、従来公知の金属粒子を金属酸化物で被覆する各種の方法を適用することができる。具体的には、特許文献6(特開2008-004,541号公報)やGS News Technical Report 62(2) pp46〜53 (2003.12月)等に記載された方法を例示することができる。例えば、上で調製された中心金属粒子コロイド溶液を水、親水性溶剤、疎水性溶剤等の適当な溶剤中に分散させて分散液を調製し、例えばSiを金属酸化物被覆層の金属元素として選択する場合には、 前記分散液中にテトラエトキシシラン(TEOS)、3-アミノプロピルエトキシシラン(APTE S)等の表面処理剤を添加し、撹拌下に加水分解・重合反応を行い、その後、洗浄し、分離し、乾燥した後、不活性ガス雰囲気下に200〜1100℃で焼成を行い、更に親水性溶剤、疎水性溶剤等の適当な溶剤中に再分散させ、 金属酸化物被覆層で被覆された金属酸化物被覆中心金属粒子コロイドを調製する方法がある。
また、上で調製された中心金属粒子コロイド溶液を水、親水性溶剤、疎水性溶剤等の適当な溶剤中に分散させて分散液を調製し、この分散液中に金属酸化物被覆層の金属元素としてSi、Ti、Sn、及びZrから選ばれた金属の金属アルコキシド等の金属化合物を添加し、上記と同様の手順で金属酸化物被覆中心金属粒子コロイドを得ることもできる。
Further, the method of coating the surface of the central metal particle with the metal oxide coating layer is also particularly limited as long as the thickness of the metal oxide coating layer formed on the surface of the central metal particle can be adjusted. Instead, various known methods for coating metal particles with metal oxides can be applied. Specific examples include the methods described in Patent Document 6 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-004,541), GS News Technical Report 62 (2) pp46-53 (December 2003), and the like. For example, the central metal particle colloid solution prepared above is dispersed in an appropriate solvent such as water, a hydrophilic solvent, or a hydrophobic solvent to prepare a dispersion. For example, Si is used as the metal element of the metal oxide coating layer. In the case of selection, a surface treatment agent such as tetraethoxysilane (TEOS) or 3-aminopropylethoxysilane (APTE S) is added to the dispersion, and a hydrolysis / polymerization reaction is performed with stirring. After washing, separating and drying, firing at 200 to 1100 ° C. in an inert gas atmosphere, and further redispersing in an appropriate solvent such as a hydrophilic solvent or a hydrophobic solvent, a metal oxide coating layer There is a method of preparing a coated metal oxide coated central metal particle colloid.
In addition, the central metal particle colloid solution prepared above is dispersed in an appropriate solvent such as water, a hydrophilic solvent, or a hydrophobic solvent to prepare a dispersion, and the metal of the metal oxide coating layer is added to the dispersion. A metal compound such as a metal alkoxide of a metal selected from Si, Ti, Sn, and Zr can be added as an element, and a metal oxide-coated central metal particle colloid can be obtained by the same procedure as described above.

更に、中心金属粒子を被覆する金属酸化物被膜層に触媒金属粒子を担持させる方法についても、特に制限されるものではなく、従来公知の触媒金属粒子を担持させる各種の方法を適用することができる。具体的には、例えば、上で調製された金属酸化物被覆中心金属粒子コロイド溶液中に白金の塩化物、硝酸塩 、水酸化物 等の白金前駆体 水溶液と、クエン酸、ヒドラジン 、水素化ホウ素ナトリウム 等の還元剤 の水溶液とを撹拌下にゆっくりと滴下し、触媒粒子のコロイド溶液を調製する。次いでこの触媒粒子コロイド溶液について、洗浄し、分離し、乾燥して中心金属粒子を被覆する金属酸化物被膜層の上に触媒金属粒子が担持されたコアシェル型3層構造の触媒粒子を調製する方法等を例示することができる。   Further, the method for supporting the catalyst metal particles on the metal oxide coating layer covering the central metal particles is not particularly limited, and various methods for supporting the conventionally known catalyst metal particles can be applied. . Specifically, for example, in the metal oxide-coated central metal particle colloid solution prepared above, an aqueous platinum precursor solution such as platinum chloride, nitrate, hydroxide and the like, citric acid, hydrazine, sodium borohydride A colloidal solution of catalyst particles is prepared by slowly dropping dropwise with stirring an aqueous solution of a reducing agent such as the above. Next, the catalyst particle colloidal solution is washed, separated, and dried to prepare core-shell type three-layer catalyst particles in which the catalyst metal particles are supported on the metal oxide coating layer covering the central metal particles. Etc. can be illustrated.

更にまた、このようにして得られた触媒粒子を炭素担体に担持させる方法についても、特に制限されるものではなく、従来公知の触媒金属粒子を担持させる各種の方法を適用することができる。具体的には、例えば、上で調製された分離前の触媒粒子コロイド溶液中に、所定の炭素担体を添加し、不活性ガス雰囲気下に所定の温度及び時間の条件で保持し、次いで洗浄し、分離し、乾燥して炭素担体に触媒粒子が担持された触媒を調製する方法等を例示することができる。   Furthermore, the method for supporting the catalyst particles thus obtained on the carbon support is not particularly limited, and various methods for supporting the conventionally known catalyst metal particles can be applied. Specifically, for example, a predetermined carbon support is added to the catalyst particle colloid solution before separation prepared above, and maintained under a predetermined temperature and time under an inert gas atmosphere, and then washed. Examples thereof include a method of preparing a catalyst in which catalyst particles are supported on a carbon support by separating and drying.

以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の固体高分子形燃料電池用の触媒粒子及び触媒並びに固体高分子形燃料電池を具体的に説明する。   Hereinafter, based on an Example and a comparative example, the catalyst particle and catalyst for solid polymer fuel cells of this invention, and a solid polymer fuel cell are demonstrated concretely.

1.触媒粒子の調製
以下に示す実施例及び比較例において、触媒粒子を以下の方法で調製した。
(1) 中心金属粒子コロイド溶液の合成
0.056mol/Lの金属塩化物水溶液(PdCl2、CoCl2、NiCl2、AuCl3,CuCl2)を三口フラスコに7.0g測り取り、30gの蒸留水を加えて希釈して金属塩化物水溶液を調製し、また、ポリビニルピロリドン(分子量10000)を0.0879g測り取り、30gの蒸留水で希釈してポリビニルピロリドン水溶液を調製し、前述の金属塩化物水溶液の入った三口フラスコ中にポリビニルピロリドン水溶液を投入し、混合して金属塩化物とポリビニルピロリドンとを含む混合水溶液を調製した。
1. Preparation of catalyst particles In the following examples and comparative examples, catalyst particles were prepared by the following method.
(1) Synthesis of colloidal solution of central metal particles 7.0 g of 0.056 mol / L metal chloride aqueous solution (PdCl 2 , CoCl 2 , NiCl 2 , AuCl 3 , CuCl 2 ) was measured in a three-necked flask and 30 g of distilled water. Is added to dilute to prepare a metal chloride aqueous solution, and 0.0879 g of polyvinylpyrrolidone (molecular weight 10000) is measured and diluted with 30 g of distilled water to prepare a polyvinylpyrrolidone aqueous solution. A polyvinylpyrrolidone aqueous solution was put into a three-necked flask containing and mixed to prepare a mixed aqueous solution containing a metal chloride and polyvinylpyrrolidone.

次に、得られた金属塩化物とポリビニルピロリドンの混合水溶液について、5分間撹拌した後、140mLのエチレングリコールを添加し、得られた混合物を100mL/minのアルゴンフロー雰囲気下に、160℃及び180分の条件で反応させた後、室温まで放冷して中心金属粒子コロイドを得た。   Next, after stirring the mixed aqueous solution of the obtained metal chloride and polyvinylpyrrolidone for 5 minutes, 140 mL of ethylene glycol was added, and the resulting mixture was added at 160 ° C. and 180 ° C. under an argon flow atmosphere of 100 mL / min. After reacting under the condition of minutes, the mixture was allowed to cool to room temperature to obtain a central metal particle colloid.

なお、Co、Ni、Cuの中心金属粒子コロイド溶液を調製した際には、上記の反応終了後、100mL/minの水素フロー雰囲気下に、25℃ で30分間保持し、更にその後、水素を脱気する目的で100mL/minのアルゴンフロー雰囲気下に30分間保持した。
更に、Niの場合にはNiCl2の物質量に対して5倍量のN24・H2Oを加え、中心金属粒子コロイド溶液が無色から黒色となることを確認した。
When the colloidal solution of central metal particles of Co, Ni, and Cu was prepared, after completion of the above reaction, it was maintained at 25 ° C. for 30 minutes in a hydrogen flow atmosphere of 100 mL / min, and then the hydrogen was removed. For the purpose of gassing, it was kept for 30 minutes in an argon flow atmosphere of 100 mL / min.
Furthermore, in the case of Ni, 5 times the amount of N 2 H 4 · H 2 O was added to the amount of NiCl 2 , and it was confirmed that the central metal particle colloid solution turned from colorless to black.

(2) 金属酸化物被覆層の形成
中心金属粒子を被覆する金属酸化物被覆層の形成工程は、特許文献6(特開2008-004,541号公報)を参考にし、金属酸化物被覆層が中心金属粒子を被覆可能となるように、一部改良した方法であって、以下に、実施例1〜53、103〜106、119、122に記載の金属酸化物被覆層(金属酸化物の金属元素がSiである場合)を例示的に記載する。金属酸化物の金属元素がSi以外の金属元素の場合も同様である。
すなわち、アルゴンフロー雰囲気下にて、中心金属粒子コロイド粒子が凝集し、沈殿しないように目視で上記(1)の工程で合成した中心金属粒子コロイド溶液を確認しながら、この中心金属粒子コロイド溶液中にアンモニア水溶液を添加し、中心金属粒子コロイド溶液のpHを塩基性に調整した。次に、この塩基性に調整された中心金属粒子コロイド溶液が入った三口フラスコを60℃の温浴中に移し、この中心金属粒子コロイドの中心金属元素に対してSi元素換算で物質量比(中心金属元素:Si元素)が1:1となるように、アルゴンフロー雰囲気中600rpm以上の撹拌条件下に、3-アミノプロピルエトキシシラン(APTES)を0.01mL/min.の滴下速度で80分間添加した。更に、APTESの滴下終了60分後に、中心金属コロイド粒子の中心金属元素に対してSi元素換算で物質量比(中心金属元素:Si元素)が1:1となるように、アルゴンフロー雰囲気中1000rpm以上の撹拌条件下に、テトラエトキシシラン(TEOS)を0.02mL/min.の滴下速度で30分間加え、滴下終了後、更に撹拌を続けながら1時間保持し、加水分解・重合反応を行った。なお、この金属酸化物被覆層の形成の際に撹拌が十分でなければ、中心金属粒子の凝集・沈殿が容易に生じてしまい、金属酸化物被覆中心金属コロイドが得られず、不適合となる。
(2) Formation of metal oxide coating layer For the formation process of the metal oxide coating layer covering the central metal particles, refer to Patent Document 6 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-004,541), and the metal oxide coating layer is the central metal. The metal oxide coating layer described in Examples 1 to 53, 103 to 106, 119, and 122 (where the metal element of the metal oxide is a metal oxide) is a method that is partially improved so that the particles can be coated. (In the case of Si) is described as an example. The same applies when the metal element of the metal oxide is a metal element other than Si.
That is, while confirming the central metal particle colloid solution synthesized in the above step (1) so that the central metal particle colloidal particles do not aggregate and precipitate under an argon flow atmosphere, An aqueous ammonia solution was added to the solution to adjust the pH of the central metal particle colloid solution to basic. Next, the three-necked flask containing the basic metal particle colloid solution adjusted to the basicity is transferred to a 60 ° C. hot bath, and the substance amount ratio (center of the Si metal element to the central metal element of the central metal particle colloid is calculated. Add 3-aminopropylethoxysilane (APTES) at a drop rate of 0.01 mL / min for 80 minutes under stirring conditions of 600 rpm or more in an argon flow atmosphere so that the ratio of (metal element: Si element) is 1: 1. did. Further, 60 minutes after the end of dropping of APTES, 1000 rpm in an argon flow atmosphere so that the substance amount ratio (central metal element: Si element) is 1: 1 in terms of Si element with respect to the central metal element of the central metal colloidal particle. Under the above stirring conditions, tetraethoxysilane (TEOS) was added at a dropping rate of 0.02 mL / min for 30 minutes, and after completion of the dropping, the stirring was continued for 1 hour to conduct hydrolysis and polymerization reaction. . If stirring is not sufficient when forming the metal oxide coating layer, the central metal particles are easily aggregated and precipitated, and the metal oxide-coated central metal colloid cannot be obtained, which is incompatible.

その後、得られた加水分解・重合反応終了後の混合溶液をメンブレンフィルターで濾過し、溶媒を除去することで、SiO2被覆中心金属粒子成分を回収し、不活性ガス雰囲気下に昇温速度10℃/minで600℃まで昇温し、600℃で1時間焼成を行った。次に、回収したSiO2被覆中心金属粒子を三口フラスコに入れ、別途、上記(1)の工程と同様の割合で調製したポリビニルピロリドン水溶液とエチレングリコールとの混合溶媒中に再分散させ、更に超音波照射下に1000rpm以上の回転速度で10分間攪拌し、発生した凝集物を遠心分離にて除去し、上澄み成分のみを分取してSiO2被覆中心金属粒子コロイド溶液を得た。 Thereafter, the resulting mixed solution after completion of the hydrolysis / polymerization reaction is filtered through a membrane filter, and the solvent is removed to recover the SiO 2 -coated central metal particle component, and the temperature rise rate is 10 in an inert gas atmosphere. The temperature was raised to 600 ° C at a rate of ° C / min, and firing was performed at 600 ° C for 1 hour. Next, the recovered SiO 2 -coated central metal particles are placed in a three-necked flask and separately redispersed in a mixed solvent of polyvinyl pyrrolidone aqueous solution and ethylene glycol prepared at the same rate as in the above step (1). The mixture was stirred for 10 minutes at a rotational speed of 1000 rpm or higher under sonic irradiation, and the generated aggregate was removed by centrifugation, and only the supernatant component was collected to obtain a colloidal solution of SiO 2 coated center metal particles.

(3) 金属酸化物被覆層への触媒金属粒子の担持
先ず、触媒金属粒子がPtである場合には、上で得られた金属酸化物被覆層で被覆された中心金属粒子コロイド溶液(金属酸化物被覆中心金属粒子コロイド溶液)を10℃に冷却しながら、この中心金属粒子コロイド溶液中の金属酸化物被覆中心金属粒子を中心金属粒子の金属の物質量換算で0.0020 mol/Lに対して0.05mol/LのH2PtCl6水溶液と1.0mol/LのL(+)アスコルビン酸水溶液をとを、H2PtCl6水溶液については0.08mL/minの滴下速度で、また、L(+)アスコルビン酸水溶液については0.152mL/minの滴下速度でそれぞれ同時に撹拌下に60分間滴下し、金属酸化物被覆層の上に触媒金属粒子が担持した触媒粒子コロイド溶液を調製した。
(3) Loading of catalyst metal particles on the metal oxide coating layer First, when the catalyst metal particles are Pt, the central metal particle colloidal solution (metal oxidation) coated with the metal oxide coating layer obtained above. The metal oxide-coated central metal particle in the central metal particle colloid solution is 0.0020 mol / L in terms of the amount of metal in the central metal particle while cooling the metal-coated central metal particle colloid solution) to 10 ° C. 0.05 mol / L H 2 PtCl 6 aqueous solution and 1.0 mol / L L (+) ascorbic acid aqueous solution at a dropping rate of 0.08 mL / min for H 2 PtCl 6 aqueous solution, The (+) ascorbic acid aqueous solution was dropped at a dropping rate of 0.152 mL / min at the same time for 60 minutes while stirring to prepare a catalyst particle colloid solution in which catalyst metal particles were supported on the metal oxide coating layer.

また、触媒金属粒子がPt合金である場合には、上記の0.05mol/LのH2PtCl6水溶液を添加する際に、添加元素(Co、Ni、Fe、Pd、Au、Ru、Rh、Ir)の塩化物を目的とする触媒金属粒子の原子組成比になるように濃度を調整して添加し (例えば、Pt:Co=50:50の場合には、H2PtCl6水溶液とCoCl2水溶液の添加量をPtとCoの物質量が等量となるように調整した。)、上記と同様にして金属酸化物被覆層の上に触媒金属粒子が担持した触媒粒子コロイド溶液を調製した。 When the catalyst metal particles are a Pt alloy, the additive elements (Co, Ni, Fe, Pd, Au, Ru, Rh, etc.) are added when the 0.05 mol / L H 2 PtCl 6 aqueous solution is added. (Ir) chloride is added after adjusting the concentration so that the atomic composition ratio of the target catalytic metal particles is reached (for example, when Pt: Co = 50: 50, H 2 PtCl 6 aqueous solution and CoCl 2 The amount of the aqueous solution added was adjusted so that the substance amounts of Pt and Co were equal to each other.) In the same manner as described above, a catalyst particle colloid solution in which catalyst metal particles were supported on the metal oxide coating layer was prepared.

2.触媒の調製
上で得られた触媒粒子コロイド溶液(中心金属粒子の金属の物質量換算で0.0018 mol/L)に、炭素担体〔ライオン(株)製商品名:EC600JD〕0.179gを添加し、アルゴンフロー雰囲気下に90℃、1時間の条件で保持し、触媒粒子を炭素担体に担持させた。次いで室温まで放冷した後、メンブレンフィルターで吸引濾過し、得られた粉末をエタノール500mL中に再分散させ、1時間撹拌した後、再度メンブレンフィルターで吸引濾過し、炭素担体に触媒粒子が担持された固体高分子形燃料電池用の触媒を得た。なお、触媒中の触媒粒子の担持量については、以下の実施例及び比較例の全てにおいて40質量%となるように調整した。
2. Preparation of catalyst 0.179g of carbon support [Lion Corporation product name: EC600JD] was added to the catalyst particle colloid solution obtained above (0.0018 mol / L in terms of the amount of metal in the central metal particle). The catalyst particles were supported on a carbon support under an argon flow atmosphere at 90 ° C. for 1 hour. Next, after allowing to cool to room temperature, suction filtration is performed with a membrane filter, and the obtained powder is redispersed in 500 mL of ethanol, stirred for 1 hour, and then suction filtered with a membrane filter again to support the catalyst particles on the carbon support. A catalyst for a polymer electrolyte fuel cell was obtained. In addition, about the load of the catalyst particle in a catalyst, it adjusted so that it might become 40 mass% in all the following examples and comparative examples.

ここで、表1に示す実施例1〜45においては、中心金属粒子としてPdを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてSiを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを用いて触媒粒子の調製を行った。
また、実施例1〜18では、中心金属粒子Pdの粒径を5〜7 nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを1〜4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を1〜2nmとし、また、実施例19〜27では、中心金属粒子Pdの粒径を5〜7nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2 〜4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、更に、実施例28〜45では、中心金属粒子Pdの粒径を8〜10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2 〜4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を1 〜2nmとした。
Here, in Examples 1 to 45 shown in Table 1, Pd is used as the central metal particle, Si is used as the metal element of the metal oxide coating layer, and Pt is used as the catalyst metal particle. Was prepared.
In Examples 1 to 18, the center metal particle Pd has a particle size of 5 to 7 nm, the metal oxide coating layer has a thickness of 1 to 4 nm, and the catalyst metal particle Pt has a particle size of 1 to 2 nm. In Examples 19 to 27, the particle diameter of the central metal particle Pd is 5 to 7 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 2 to 4 nm, the particle diameter of the catalyst metal particle Pt is 3 nm, In Examples 28 to 45, the particle diameter of the central metal particle Pd was 8 to 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer was 2 to 4 nm, and the particle diameter of the catalyst metal particle Pt was 1 to 2 nm.

また、表2に示す実施例46〜53及び比較例1、2において、実施例46〜53では、中心金属粒子の金属元素としてAu、Cu、Ni、又はCoを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてSiを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを用いて触媒粒子の調製を行い、また、比較例1、2では、中心金属粒子としてAgを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてSiを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを用いて触媒粒子の調製を行った。
ここで、実施例46では中心金属粒子Auの粒径を7nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを3nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとし、また、実施例47では中心金属粒子Cuの粒径を7nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を1nmとし、また、実施例48では中心金属粒子Niの粒径を7nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとし、更に、実施例49では中心金属粒子Coの粒径を7 nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとし、また、実施例50では中心金属粒子Auの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとし、また、実施例51では中心金属粒子Cuの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとし、また、実施例52では中心金属粒子Niの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとし、更に、実施例53では中心金属粒子Coの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとした。また、比較例1では中心金属粒子Agの粒径を7nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を1nmとし、また、比較例2では中心金属粒子Agの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとした。
In Examples 46 to 53 and Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 2, in Examples 46 to 53, Au, Cu, Ni, or Co is used as the metal element of the central metal particle, and the metal oxide coating is used. The catalyst particles are prepared using Si as the metal element of the layer and Pt as the catalyst metal particles. In Comparative Examples 1 and 2, Ag is used as the center metal particle, and the metal oxide coating layer Catalyst particles were prepared using Si as the metal element and Pt as the catalyst metal particles.
Here, in Example 46, the particle diameter of the central metal particle Au is 7 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 3 nm, the particle diameter of the catalyst metal particle Pt is 2 nm, and in Example 47, the central metal particle is The particle size of Cu is 7 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle size of the catalytic metal particles Pt is 1 nm, and in Example 48, the particle size of the central metal particles Ni is 7 nm. The thickness of the material coating layer is 4 nm, the particle size of the catalytic metal particles Pt is 2 nm, and in Example 49, the particle size of the central metal particles Co is 7 nm, and the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm. In Example 50, the particle size of the central metal particle Au is 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, and the particle size of the catalytic metal particle Pt is 2 nm. In Example 51, the central metal particle Cu has a particle diameter of 10 nm, and the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle size of the catalyst metal particles Pt is 2 nm, and in Example 52, the particle size of the center metal particles Ni is 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, and the particles of the catalyst metal particles Pt In Example 53, the diameter of the central metal particle Co was 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer was 4 nm, and the diameter of the catalyst metal particle Pt was 2 nm. In Comparative Example 1, the central metal particle Ag has a particle size of 7 nm, the metal oxide coating layer has a thickness of 4 nm, and the catalytic metal particle Pt has a particle size of 1 nm. In Comparative Example 2, the central metal particle Ag has a particle size of 1 nm. The particle size of the catalyst was 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer was 4 nm, and the particle size of the catalyst metal particles Pt was 2 nm.

更に、表3に示す比較例3〜24においては、中心金属粒子の金属元素としてPdを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてSiを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを用いて触媒粒子の調製を行った。
ここで、比較例3〜10では中心金属粒子Pdの粒径を5〜6nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを5〜6 nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を1〜2nmとし、また、比較例11〜14では中心金属粒子Pdの粒径を5nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4 nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を4nmとし、また、比較例15〜18では中心金属粒子Pdの粒径を5nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを5nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を4nmとし、また、比較例19〜24では中心金属粒子Pdの粒径を11nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2〜4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を1〜2nmとした。
また、比較例25は市販の触媒〔田中貴金属工業(株)製TEC1040E〕であり、また、比較例26は非特許文献1の製造方法に準じて調製したコアシェル型触媒(中心金属粒子:Pd及び白金被覆層)であり、更に、比較例27は特許文献7の製造方法に準じて調製した触媒(酸化スズと炭素担体が複合化され、これにPt触媒粒子が担持された触媒)である。
Further, in Comparative Examples 3 to 24 shown in Table 3, Pd is used as the metal element of the central metal particle, Si is used as the metal element of the metal oxide coating layer, and Pt is used as the catalyst metal particle. Catalyst particles were prepared.
Here, in Comparative Examples 3 to 10, the center metal particle Pd has a particle size of 5 to 6 nm, the metal oxide coating layer has a thickness of 5 to 6 nm, and the catalyst metal particle Pt has a particle size of 1 to 2 nm. In Comparative Examples 11 to 14, the center metal particle Pd has a particle size of 5 nm, the metal oxide coating layer has a thickness of 4 nm, the catalyst metal particle Pt has a particle size of 4 nm, and Comparative Examples 15 to 18 In this case, the particle diameter of the central metal particle Pd is 5 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 5 nm, the particle diameter of the catalyst metal particle Pt is 4 nm, and in Comparative Examples 19 to 24, the particle diameter of the central metal particle Pd is Was 11 nm, the thickness of the metal oxide coating layer was 2 to 4 nm, and the particle size of the catalyst metal particles Pt was 1 to 2 nm.
Comparative Example 25 is a commercially available catalyst [TEC1040E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.], and Comparative Example 26 is a core-shell type catalyst prepared according to the production method of Non-Patent Document 1 (central metal particles: Pd and Furthermore, Comparative Example 27 is a catalyst prepared according to the production method of Patent Document 7 (a catalyst in which tin oxide and a carbon carrier are combined and Pt catalyst particles are supported thereon).

表4に示す実施例54〜98においては、中心金属粒子の金属元素としてPdを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてZrを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを用いて触媒粒子の調製を行った。
ここで、実施例54〜71では中心金属粒子Pdの粒径を5〜7nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2〜4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を1〜2nmとし、また、実施例72 〜80 では中心金属粒子Pdの粒径を5〜7nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2〜4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、更に、実施例81 〜98では中心金属粒子Pdの粒径を8〜10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2〜4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を1〜2nmとした。
In Examples 54 to 98 shown in Table 4, Pd is used as the metal element of the central metal particle, Zr is used as the metal element of the metal oxide coating layer, and further Pt is used as the catalyst metal particle. Was prepared.
Here, in Examples 54 to 71, the particle diameter of the central metal particle Pd is 5 to 7 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 2 to 4 nm, the particle diameter of the catalyst metal particle Pt is 1 to 2 nm, In Examples 72 to 80, the particle diameter of the central metal particle Pd is 5 to 7 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 2 to 4 nm, the particle diameter of the catalyst metal particle Pt is 3 nm, and Example 81 In .about.98, the particle size of the central metal particle Pd was 8 to 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer was 2 to 4 nm, and the particle size of the catalyst metal particle Pt was 1 to 2 nm.

表5に示す実施例99〜102においては、中心金属粒子の金属元素としてPdを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてTi、Snを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを用いて触媒粒子の調製を行った。
ここで、実施例99では中心金属粒子Pdの粒径を7nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとし、また、実施例100では中心金属粒子Pdの粒径を7nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとし、また、実施例101では中心金属粒子Pdの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを3nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとし、更に、実施例102では中心金属粒子Pdの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを3nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を2nmとした。
In Examples 99 to 102 shown in Table 5, Pd is used as the metal element of the central metal particle, Ti and Sn are used as the metal element of the metal oxide coating layer, and Pt is used as the catalyst metal particle. Catalyst particles were prepared.
Here, in Example 99, the central metal particle Pd has a particle diameter of 7 nm, the metal oxide coating layer has a thickness of 2 nm, and the catalytic metal particle Pt has a particle diameter of 2 nm. In Example 100, the central metal particle Pd has a particle diameter of 2 nm. The particle size of Pd is 7 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 2 nm, the particle size of the catalyst metal particles Pt is 2 nm, and in Example 101, the particle size of the central metal particles Pd is 10 nm. The thickness of the material coating layer is 3 nm, the particle size of the catalytic metal particles Pt is 2 nm, and in Example 102, the particle size of the central metal particles Pd is 10 nm, and the thickness of the metal oxide coating layer is 3 nm. The particle size of the catalyst metal particles Pt was 2 nm.

表6に示す実施例103〜106及び比較例28、29においては、中心金属粒子の金属元素としてPdを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてSiを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを主成分とするPt合金を用いて触媒粒子の調製を行った。
ここで、実施例103、104では触媒金属粒子としてCoが添加されたPt合金を用い、また、実施例105、106では触媒金属粒子としてNiが添加されたPt合金を用い、また、比較例28では触媒金属粒子としてCoが主成分となるPt合金を用い、更に、比較例29では触媒金属粒子としてNiが主成分となるPt合金を用いた。
この表6には、実施例1の触媒粒子についても併せて記載した。
In Examples 103 to 106 and Comparative Examples 28 and 29 shown in Table 6, Pd is used as the metal element of the central metal particle, Si is used as the metal element of the metal oxide coating layer, and further, as the catalyst metal particle Catalyst particles were prepared using a Pt alloy containing Pt as a main component.
Here, in Examples 103 and 104, a Pt alloy with Co added as catalyst metal particles is used, and in Examples 105 and 106, a Pt alloy with Ni added as catalyst metal particles is used. Then, a Pt alloy containing Co as the main component was used as the catalyst metal particles, and a Pt alloy containing Ni as the main component was used as the catalyst metal particles in Comparative Example 29.
Table 6 also shows the catalyst particles of Example 1.

表7に示す実施例107〜118においては、中心金属粒子の金属元素としてAu、Cu、Ni、Coを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてTi、Sn、Zrを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを用いて触媒粒子の調製を行った。
ここで、実施例107では中心金属粒子Auの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例108では中心金属粒子Cuの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例109では
中心金属粒子Niの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例110では中心金属粒子Coの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例111では中心金属粒子Auの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例112では中心金属粒子Cuの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例113では中心金属粒子Niの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例114では中心金属粒子Coの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例115では中心金属粒子Auの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例116では中心金属粒子Cuの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、実施例117では中心金属粒子Niの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、更に、実施例118では中心金属粒子Coの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとした。
In Examples 107 to 118 shown in Table 7, Au, Cu, Ni, and Co are used as the metal elements of the central metal particles, Ti, Sn, and Zr are used as the metal elements of the metal oxide coating layer. Catalyst particles were prepared using Pt as catalyst metal particles.
Here, in Example 107, the central metal particle Au has a particle diameter of 10 nm, the metal oxide coating layer has a thickness of 4 nm, and the catalytic metal particle Pt has a particle diameter of 3 nm. In Example 108, the central metal particle Au The particle size of Cu is 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle size of the catalyst metal particles Pt is 3 nm, and in Example 109, the particle size of the central metal particles Ni is 10 nm. The thickness of the material coating layer is 4 nm, the particle size of the catalyst metal particles Pt is 3 nm, the particle size of the central metal particles Co is 10 nm in Example 110, and the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm. In Example 111, the particle diameter of the catalyst metal particles Pt is 3 nm, the particle diameter of the central metal particles Au is 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, and the particle diameter of the catalyst metal particles Pt is 3 nm. In Example 112, the central metal particle Cu has a particle diameter of 10 nm, and gold The thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle size of the catalyst metal particles Pt is 3 nm, and in Example 113, the particle size of the central metal particles Ni is 10 nm, and the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm. In Example 114, the particle diameter of the central metal particle Co is 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, and the particle diameter of the catalytic metal particle Pt is In Example 115, the central metal particle Au has a particle diameter of 10 nm, the metal oxide coating layer has a thickness of 4 nm, and the catalytic metal particle Pt has a particle diameter of 3 nm. The particle size of the metal particle Cu is 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle size of the catalyst metal particle Pt is 3 nm, and in Example 117, the particle size of the central metal particle Ni is 10 nm. The thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, and the particle size of the catalyst metal particles Pt is 3 nm. Further, the particle diameter of the central metal particles Co in Example 118 and 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle diameter of the catalyst metal particles Pt was 3 nm.

表8に示す比較例30〜41においては、中心金属粒子の金属元素としてAu、Cu、Ni、Coを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてTi、Sn、Zrを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを用いて触媒粒子の調製を行った。
ここで、比較例30では中心金属粒子Auの粒径を11nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、比較例31では中心金属粒子Cuの粒径を11nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、比較例32では中心金属粒子Niの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを6nmとし、触媒金属粒子Pの粒径を3nmとし、また、比較例33では中心金属粒子Coの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを6nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、比較例34では中心金属粒子Auの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを6nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、比較例35では中心金属粒子Cuの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を4nmとし、また、比較例36では中心金属粒子Niの粒径を11nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4 nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、比較例37では中心金属粒子Coの粒径を11nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4 nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、比較例38では中心金属粒子Auの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを6nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、また、比較例39では中心金属粒子Cuの粒径を10nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を4nmとし、また、比較例40では中心金属粒子Niの粒径を12nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとし、更に、比較例41では中心金属粒子Coの粒径を11nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子Ptの粒径を3nmとした。
In Comparative Examples 30 to 41 shown in Table 8, Au, Cu, Ni, and Co are used as the metal elements of the central metal particles, Ti, Sn, and Zr are used as the metal elements of the metal oxide coating layer. Catalyst particles were prepared using Pt as catalyst metal particles.
Here, in Comparative Example 30, the particle diameter of the central metal particle Au is 11 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle diameter of the catalytic metal particle Pt is 3 nm, and in Comparative Example 31, the central metal particle is The particle size of Cu is 11 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle size of the catalyst metal particles Pt is 3 nm, and in Comparative Example 32, the particle size of the central metal particles Ni is 10 nm. The thickness of the material coating layer is 6 nm, the particle size of the catalyst metal particles P is 3 nm, the particle size of the central metal particles Co is 10 nm in Comparative Example 33, and the thickness of the metal oxide coating layer is 6 nm. In the comparative example 34, the particle size of the central metal particle Au is 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 6 nm, and the particle size of the catalyst metal particle Pt is 3 nm. In Comparative Example 35, the central metal particle Cu has a particle diameter of 10 nm, The thickness of the layer is 4 nm, the particle size of the catalyst metal particles Pt is 4 nm, and in Comparative Example 36, the particle size of the central metal particle Ni is 11 nm, and the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm. In the comparative example 37, the particle size of the central metal particle Co is 11 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, and the particle size of the catalyst metal particle Pt is 3 nm. In Comparative Example 38, the central metal particle Au has a particle diameter of 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 6 nm, and the catalytic metal particle Pt has a particle diameter of 3 nm. In Comparative Example 39, the central metal particle The particle size of Cu is 10 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle size of the catalyst metal particles Pt is 4 nm, and in Comparative Example 40, the particle size of the central metal particles Ni is 12 nm. The thickness of the material coating layer was 4 nm, the particle size of the catalytic metal particles Pt was 3 nm, and Comparative Example 41 The particle size of the central metal particles Co and 11 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 4 nm, the particle diameter of the catalyst metal particles Pt was 3 nm.

表9に示す実施例119〜123及び比較例42〜44においては、中心金属粒子の金属元素としてAu、Cu、Ni、Coを用い、また、金属酸化物被覆層の金属元素としてSi、Ti、Sn、Zrを用い、更に、触媒金属粒子としてPtを主成分とするPt合金を用いて触媒粒子の調製を行った。
ここで、実施例119では中心金属粒子Auの粒径を5nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2nmとし、触媒金属粒子としてCoが添加されたPt合金を用い、また、実施例120では中心金属粒子Cuの粒径を5nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2nmとし、触媒金属粒子のPt合金としてCoが添加されたPt合金を用い、また、比較例42では中心金属粒子Niの粒径を5nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2nmとし、触媒金属粒子として主成分がNi であるPt合金を用い、また、実施例121では中心金属粒子Coの粒径を5nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2nmとし、触媒金属粒子としてCoが添加されたPt合金を用い、また、実施例122では中心金属粒子Auの粒径を5nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2nmとし、触媒金属粒子としてNiが添加されたPt合金を用い、また、実施例123では中心金属粒子Cuの粒径を9 nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを4nmとし、触媒金属粒子としてNiが添加されたPt合金を用い、また、比較例43では中心金属粒子Niの粒径を5nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2nmとし、触媒金属粒子として主成分がNiであるPt合金を用い、また、比較例44では中心金属粒子Coの粒径を5nmとし、金属酸化物被覆層の厚さを2nmとし、触媒金属粒子として主成分がNiであるPt合金を用いた。
In Examples 119 to 123 and Comparative Examples 42 to 44 shown in Table 9, Au, Cu, Ni, and Co are used as the metal elements of the central metal particles, and Si, Ti, and the like are used as the metal elements of the metal oxide coating layer. Catalyst particles were prepared using Sn and Zr, and further using a Pt alloy containing Pt as a main component as catalyst metal particles.
Here, in Example 119, the central metal particle Au has a particle diameter of 5 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 2 nm, and Pt alloy to which Co is added is used as the catalyst metal particle. In Example 120, The central metal particle Cu has a particle size of 5 nm, the metal oxide coating layer has a thickness of 2 nm, and a Pt alloy to which Co is added is used as the Pt alloy of the catalyst metal particle. The particle size of the metal oxide coating layer is 2 nm, the catalyst metal particles are made of Pt alloy having Ni as the main component, and in Example 121, the particle size of the central metal particles Co is 5 nm. The thickness of the metal oxide coating layer is set to 2 nm, and a Pt alloy to which Co is added is used as the catalyst metal particles. In Example 122, the central metal particle Au has a particle size of 5 nm. The thickness is 2 nm and Ni is added as catalyst metal particles In Example 123, the center metal particle Cu has a particle diameter of 9 nm, the metal oxide coating layer has a thickness of 4 nm, and Ni is added as a catalyst metal particle. In Comparative Example 43, the central metal particle Ni has a particle diameter of 5 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 2 nm, and a Pt alloy whose main component is Ni is used as the catalyst metal particle. In this example, the central metal particle Co has a particle size of 5 nm, the thickness of the metal oxide coating layer is 2 nm, and a Pt alloy whose main component is Ni is used as the catalyst metal particle.

3.触媒粒子の物性評価
(1) 触媒粒子における中心金属粒子の粒径(d3)について
触媒粒子における中心金属粒子の粒径(d3)については、透過型電子顕微鏡(FEI社製Tecnai)により観察されたTEM像(明視野像)を用いて算出した。
すなわち、触媒粒子の調製時に得られた中心金属粒子コロイド溶液の1mLをスポイトで測り採り、10mLのエタノールで希釈し、超音波で1分間分散させて銅メッシュグリッドに滴下した。これを1晩真空乾燥させた後、サンプルホルダーにセットし、加速電圧200kVで大きさ20nm×20nmの任意の視野を測定した。中心金属粒子は、数nmの黒点として観察され、大きさ20nm×20nmの視野から10個の黒点を測定し、更に別の大きさ20nm×20nmの任意の視野について同様の測定を繰り返して合計10回の測定を実施し、これら10回の測定で得られた測定点の合計粒子数である100個(10回の測定×各回の測定点の数10個)の直径の平均値を求め、この平均値を中心金属粒子の粒径(d3)とした。
3. Physical property evaluation of catalyst particles
(1) The particle size of the central metal particles the particle size of the central metal particles in the catalyst particle (d 3) in the catalyst particles (d 3), TEM image observed by a transmission electron microscope (FEI Inc. Tecnai) ( (Bright field image).
That is, 1 mL of the colloidal solution of the central metal particles obtained at the time of preparation of the catalyst particles was measured with a dropper, diluted with 10 mL of ethanol, dispersed with an ultrasonic wave for 1 minute, and dropped onto a copper mesh grid. This was vacuum-dried overnight, then set in a sample holder, and an arbitrary visual field having a size of 20 nm × 20 nm was measured at an acceleration voltage of 200 kV. The central metal particle is observed as a black spot of several nm, 10 black spots are measured from a visual field having a size of 20 nm × 20 nm, and the same measurement is repeated for another arbitrary visual field having a size of 20 nm × 20 nm for a total of 10 The average value of the diameters of 100 particles (10 measurements x 10 measurement points at each time), which is the total number of particles obtained by these 10 measurements, is obtained. The average value was defined as the particle size (d 3 ) of the central metal particles.

(2) 触媒粒子における金属酸化物被覆層の厚さ(d2)について
触媒粒子における金属酸化物被覆層の厚さ(d2)については、透過型電子顕微鏡(FEI社製Tecnai)により観察されたSTEM像を用いて算出した。
すなわち、触媒粒子の調製時に得られた金属酸化物被覆中心金属粒子コロイド溶液の1mLをスポイトで測り採り、10mLのエタノールで希釈し、超音波で1分間分散させて銅メッシュグリッド上に滴下した。これを1晩真空乾燥させた後、サンプルホルダーにセットし、加速電圧200kVで大きさ20nm×20nmの任意の視野を測定し、STEM像の明暗のコントラストから、中心金属粒子の表面を被覆する薄いコントラストの間隔を測定した。大きさ20nm×20nmの視野から10点の間隔を測定し、更に別の大きさ20nm×20nmの任意の視野について同様の測定を繰り返して合計5回の測定を実施し、これら5回の測定で得られた合計50個(10点×5回)の測定点の間隔の平均値を求め、この平均値を金属酸化物被覆層の厚さ(d2)とした。
(2) The thickness of the metal oxide coating layer in the catalyst particles (d 2) for the metal oxide coating layer in the catalyst grain thickness about (d 2) is observed by a transmission electron microscope (FEI Inc. Tecnai) It calculated using the STEM image.
That is, 1 mL of the metal oxide-coated central metal particle colloid solution obtained at the time of preparation of the catalyst particles was measured with a dropper, diluted with 10 mL of ethanol, dispersed with ultrasound for 1 minute, and dropped onto a copper mesh grid. This was vacuum-dried overnight, set in a sample holder, measured at an accelerating voltage of 200 kV and an arbitrary visual field of size 20 nm × 20 nm, and from the light / dark contrast of the STEM image, a thin coating covering the surface of the central metal particle The contrast interval was measured. The distance of 10 points is measured from a visual field of size 20 nm × 20 nm, and the same measurement is repeated for another arbitrary visual field of size 20 nm × 20 nm, for a total of five measurements. An average value of intervals of 50 measurement points in total (10 points × 5 times) was obtained, and this average value was defined as the thickness (d 2 ) of the metal oxide coating layer.

なお、触媒粒子の金属酸化物被覆層の厚さ(d2)については、以下の方法で求めてもよい。
すなわち、触媒粒子を炭素担体に担持させて得られた触媒1mgを1cm×2cm程度のプラスチック製の容器に測り採り、ここにエポキシ樹脂を流し込んで1晩硬化させて硬化物を調製する。次いでこの硬化物について、ミクロトームを使用し、ダイヤモンドカッターで厚さ20〜60nmの範囲内で所定の厚さにスライスし、切り出された測定試料を銅メッシュグリッド上に担持させ、上記と同様に、透過型電子顕微鏡(FEI社製Tecnai)により観察されるSTEM像を用いて算出してもよい。
The thickness (d 2 ) of the metal oxide coating layer of the catalyst particles may be determined by the following method.
That is, 1 mg of a catalyst obtained by supporting catalyst particles on a carbon support is measured in a plastic container of about 1 cm × 2 cm, and an epoxy resin is poured into the container and cured overnight to prepare a cured product. Next, for this cured product, using a microtome, sliced with a diamond cutter to a predetermined thickness within a range of 20 to 60 nm, the cut measurement sample was supported on a copper mesh grid, You may calculate using the STEM image observed with a transmission electron microscope (Tecnai by FEI).

(3) 触媒粒子における触媒金属粒子の粒径(d1)について
触媒粒子における触媒金属粒子の粒径(d1)については、透過型電子顕微鏡(FEI社製Tecnai)により観察されたSTEM像を用いて算出した。
すなわち、触媒粒子の調製時に得られた触媒粒子コロイド溶液1mLをスポイトで測り採り、10mLのエタノールで希釈し、超音波で1分間分散させて銅メッシュグリッド上に滴下した。これを1晩真空乾燥させた後、サンプルホルダーにセットし、加速電圧200kVで大きさ20nm×20nmの任意の視野を測定し、金属酸化物被覆層上の輝点を触媒金属粒子として測定した。大きさ20nm×20nmの視野から10点の輝点を測定し、更に別の大きさ20nm×20nmの任意の視野について同様の測定を繰り返して合計5回の測定を実施し、これら5回の測定で得られた合計50個(10点×5回)の測定点の輝点の平均値を求め、この平均値を触媒金属粒子の粒径(d1)とした。
(3) The particle diameter of the catalyst metal particle diameter of the catalyst metal particles in the catalyst particle for (d 1) in the catalyst particles (d 1), a STEM image observed by a transmission electron microscope (FEI Inc. Tecnai) Used to calculate.
That is, 1 mL of the catalyst particle colloid solution obtained at the time of preparation of the catalyst particles was measured with a dropper, diluted with 10 mL of ethanol, dispersed with ultrasound for 1 minute, and dropped onto a copper mesh grid. After this was vacuum dried overnight, it was set in a sample holder, an arbitrary visual field of size 20 nm × 20 nm was measured at an acceleration voltage of 200 kV, and a bright spot on the metal oxide coating layer was measured as catalyst metal particles. Ten bright spots are measured from a 20 nm × 20 nm field of view, and the same measurement is repeated for another arbitrary field of 20 nm × 20 nm, for a total of five measurements. These five measurements The average value of the bright spots of a total of 50 measurement points (10 points × 5 times) obtained in the above was obtained, and this average value was taken as the particle size (d 1 ) of the catalyst metal particles.

上記の透過型電子顕微鏡(FEI社製Tecnai)を用いて撮影された実施例1 の触媒粒子(中心金属粒子:Pd粒子、金属酸化物被覆層:SiO2 被覆層、触媒金属粒子:Pt粒子)のSTEM像を図2に示す。
この触媒粒子のSTEM像において、符号1の点線で示した輝部が白金粒子であり、また、符号2の点線で示した部分が中心金属粒子を被覆する金属酸化物被覆層である。
Example 1 catalyst particles (center metal particles: Pd particles, metal oxide coating layer: SiO 2 coating layer, catalyst metal particles: Pt particles) taken using the transmission electron microscope (Tecnai manufactured by FEI) The STEM image of is shown in FIG.
In the STEM image of this catalyst particle, the bright part indicated by the dotted line with reference numeral 1 is platinum particles, and the part indicated by the dotted line with reference numeral 2 is a metal oxide coating layer covering the central metal particles.

4.触媒層、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)の調製
上記各実施例及び比較例で調製した固体高分子形燃料電池用の触媒を用い、また、アイオノマー溶液として5質量%-ナフィオン溶液(デュポン製DE521)を用い、アルゴン気流中で触媒の質量に対してナフィオン固形分の質量が1.2倍になるようにアイオノマー溶液を加え、軽く撹拌した後、超音波で触媒を粉砕し、次いで撹拌下に触媒とナフィオンとを合わせた固形分濃度が2質量%となるように酢酸ブチルを添加し、触媒層を調製するための触媒層スラリーを作製した。
4). Preparation of catalyst layer and membrane electrode assembly (MEA) The catalysts for polymer electrolyte fuel cells prepared in each of the above Examples and Comparative Examples were used, and a 5% by mass Nafion solution ( Using DuPont DE521), the ionomer solution was added so that the mass of Nafion solids was 1.2 times the mass of the catalyst in an argon stream, and after gently stirring, the catalyst was pulverized with ultrasonic waves, Under stirring, butyl acetate was added so that the solid content concentration of the catalyst and Nafion was 2% by mass to prepare a catalyst layer slurry for preparing the catalyst layer.

このようにして調製された触媒層スラリーをスプレー法でテフロン(登録商標)シートの片面に塗布し、80℃のアルゴン気流中10分間、続いて120℃のアルゴン気流中1時間乾燥し、固体高分子形燃料電池用の触媒層シートを得た。なお、それぞれの触媒層シートの調製時にはPt又はPt合金の使用量が0.10mg/cm2となるようにスプレー等の条件を設定し、このPt又はPt合金の使用量は、スプレー塗布前後のテフロン(登録商標)シートの乾燥質量を測定し、その差から計算して求めた。 The catalyst layer slurry thus prepared was applied to one side of a Teflon (registered trademark) sheet by a spray method, dried in an argon stream at 80 ° C. for 10 minutes, and then in an argon stream at 120 ° C. for 1 hour. A catalyst layer sheet for a molecular fuel cell was obtained. When preparing each catalyst layer sheet, conditions such as spraying are set so that the amount of Pt or Pt alloy used is 0.10 mg / cm 2. The amount of Pt or Pt alloy used is the same as before and after spray coating. The dry mass of the Teflon (registered trademark) sheet was measured and calculated from the difference.

次に、各実施例及び比較例の触媒を用いて調製した触媒層シートから2.5cm角の大きさの触媒層を2枚づつ切り出し、各触媒層が電解質膜(ナフィオン112)と接触するように2枚の触媒層の間に電解質膜を挟み込み、130℃、90kg/cm2の条件で10分間ホットプレスを行った。室温まで冷却した後、テフロン(登録商標)シートのみを注意深く剥がし、アノード及びカソードの触媒層を電解質膜に定着させた。更に、市販のカーボンクロス(ElectroChem社製EC-CC1-060)から2.5cm角の大きさのカーボンクロス2枚を切り出し、電解質膜に定着させたアノード及びカソードの触媒層を挟み込むように配置し、130℃、50kg/cm2の条件で10分間ホットプレスを行い、MEAを作製した。 Next, two 2.5 cm square catalyst layers are cut out from the catalyst layer sheet prepared using the catalyst of each Example and Comparative Example so that each catalyst layer contacts the electrolyte membrane (Nafion 112). An electrolyte membrane was sandwiched between the two catalyst layers, and hot pressing was performed for 10 minutes at 130 ° C. and 90 kg / cm 2 . After cooling to room temperature, only the Teflon (registered trademark) sheet was carefully peeled off to fix the anode and cathode catalyst layers to the electrolyte membrane. In addition, two 2.5 cm square carbon cloths were cut from a commercially available carbon cloth (Electro-Chem EC-CC1-060), and placed so that the anode and cathode catalyst layers fixed on the electrolyte membrane were sandwiched between them. Then, hot pressing was performed for 10 minutes under the conditions of 130 ° C. and 50 kg / cm 2 to fabricate an MEA.

5.固体高分子形燃料電池用触媒の性能評価
以上のようにして作製した各実施例及び比較例のMEAについて、セルに組み込んで燃料電池測定装置にセットし、次の手順で燃料電池の電池性能を評価した。
カソード側に空気を、また、アノード側に純水素を、1000mA/cm2の発電に必要なガス量を100%として利用率がそれぞれ40%と70%となるように供給した。ガス圧は0.1MPaとし、また、セル温度は80℃とした。
5). Performance Evaluation of Polymer Electrolyte Fuel Cell Catalysts For each of the Examples and Comparative Examples produced as described above, the MEA was assembled in a cell and set in a fuel cell measurement device. evaluated.
Air was supplied to the cathode side, pure hydrogen was supplied to the anode side, and the amount of gas necessary for power generation of 1000 mA / cm 2 was set to 100% so that the utilization rates were 40% and 70%, respectively. The gas pressure was 0.1 MPa, and the cell temperature was 80 ° C.

先ず、供給する空気と純水素を、各々80℃に保温された蒸留水中でバブリングし加湿した。次に、上記条件でセルにガスを供給した後、1000mA/cm2まで負荷を徐々に増加し、1000mA/cm2に達した時点で負荷を固定し、60分経過後のセル端子間の電圧を測定し、耐久試験前の燃料電池の電池性能とした。 First, the supplied air and pure hydrogen were bubbled and humidified in distilled water kept at 80 ° C., respectively. Then, after supplying gas to the cell under the above conditions, 1000 mA / cm 2 until gradually increasing the load to secure the load when it reaches 1000 mA / cm 2, the voltage between cell terminals after the elapse of 60 minutes Was measured as the cell performance of the fuel cell before the durability test.

次に、耐久試験として、電圧を0.6Vにして4秒間保持した後に1.0Vにして4秒保持するサイクルを50000回繰り返す耐久試験を実施し、その後、耐久試験前と同様に電池性能を測定した。
固体高分子形燃料電池用の触媒の性能については、耐久試験後のセル電圧で評価した。従って、耐久試験後のセル電圧が高いほど、触媒、すなわち触媒粒子の耐久性が高く、電池性能に優れている。
結果を表1〜表9に示す。
Next, as a durability test, a durability test was performed by repeating a cycle of holding the voltage at 0.6 V for 4 seconds and then holding at 1.0 V for 4 seconds, and then repeating the battery performance as before the durability test. It was measured.
About the performance of the catalyst for polymer electrolyte fuel cells, it evaluated by the cell voltage after an endurance test. Therefore, the higher the cell voltage after the durability test, the higher the durability of the catalyst, that is, the catalyst particles, and the better the battery performance.
The results are shown in Tables 1-9.

Claims (5)

中心金属粒子、前記中心金属粒子を被覆する金属酸化物被覆層、及び前記金属酸化物被覆層に担持される触媒金属粒子の3層構造を有する固体高分子形燃料電池用の触媒粒子であって、
前記中心金属粒子が、Pd、Cu、Co,Ni、及びAuから選ばれた少なくとも1種からなる金属の粒子であると共に、その粒径が5〜10nmの範囲内であり、また、
前記金属酸化物被覆層を形成する金属酸化物の金属元素がSi、Ti、Sn、及びZrから選ばれた少なくとも1種からなる金属であると共に、前記金属酸化物被覆層の厚みが1〜4nmの範囲内であり、更に、
前記触媒金属粒子が、Pt又はPtを主成分とするPt合金であると共に、その粒径が1〜3nmの範囲内であること
を特徴とする固体高分子形燃料電池用の触媒粒子。
Catalyst particles for a polymer electrolyte fuel cell having a three-layer structure of central metal particles, a metal oxide coating layer covering the central metal particles, and catalytic metal particles supported on the metal oxide coating layer, ,
The central metal particle is a metal particle composed of at least one selected from Pd, Cu, Co, Ni, and Au, and has a particle size in the range of 5 to 10 nm;
The metal element of the metal oxide forming the metal oxide coating layer is a metal composed of at least one selected from Si, Ti, Sn, and Zr, and the thickness of the metal oxide coating layer is 1 to 4 nm. In addition,
Catalyst particles for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the catalyst metal particles are Pt or a Pt alloy containing Pt as a main component, and the particle diameter thereof is in the range of 1 to 3 nm.
前記中心金属粒子の粒径が5〜7nmの範囲内であり、かつ、前記触媒金属粒子の粒径が1〜2nmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池用の触媒粒子。   2. The solid polymer form according to claim 1, wherein the central metal particles have a particle size in the range of 5 to 7 nm, and the catalyst metal particles have a particle size in the range of 1 to 2 nm. Catalyst particles for fuel cells. 前記金属酸化物被覆層の金属元素がSi及びTiから選ばれた少なくとも1種からなる金属である請求項1又は2に記載の固体高分子形燃料電池用の触媒粒子。   The catalyst particles for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the metal element of the metal oxide coating layer is a metal composed of at least one selected from Si and Ti. 前記請求項1〜3のいずれかに記載された固体高分子形燃料電池用の触媒粒子が炭素担体に担持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池用の触媒。   A catalyst for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the catalyst particles for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3 are supported on a carbon support. 前記請求項4に記載された固体高分子形燃料電池用の触媒が正極及び負極のいずれか一方に、又は、両方に用いられていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。

5. A polymer electrolyte fuel cell, wherein the catalyst for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 4 is used in one or both of a positive electrode and a negative electrode.

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