JP6471979B2 - Electrode catalyst and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に好適に用いられる電極触媒及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrode catalyst suitably used for a fuel cell and a method for producing the same.

固体高分子形燃料電池は、パーフルオロアルキルスルホン酸型高分子などのプロトン伝導性を有する高分子膜を固体電解質とし、該固体高分子膜の各面に電極触媒が施されてなる酸素極及び燃料極が形成された膜電極接合体を備えている。   The polymer electrolyte fuel cell has a proton conductive polymer membrane such as a perfluoroalkylsulfonic acid type polymer as a solid electrolyte, and an oxygen electrode in which an electrode catalyst is applied to each surface of the solid polymer membrane. A membrane electrode assembly having a fuel electrode is provided.

電極触媒は、一般に担体となるカーボンブラック等の導電性炭素材料の表面に、白金を始めとする各種貴金属触媒が担持されてなる。電極触媒は、燃料電池の運転時の電位変化により、カーボンが酸化腐食し、担持されている金属触媒の凝集や脱落が起こることが知られている。その結果、運転時間の経過とともに燃料電池の性能が低下してくる。そこで、燃料電池の製造においては、実際に必要な量よりも多量の貴金属触媒を担体に担持させておくことで性能低下を防止している。しかし、このことは経済性の観点から有利とは言えない。   The electrode catalyst is generally formed by supporting various precious metal catalysts such as platinum on the surface of a conductive carbon material such as carbon black as a carrier. In the electrode catalyst, it is known that carbon is oxidized and corroded due to a potential change during operation of the fuel cell, and the supported metal catalyst is aggregated or dropped off. As a result, the performance of the fuel cell decreases as the operating time elapses. Therefore, in the manufacture of fuel cells, performance degradation is prevented by supporting a noble metal catalyst in a larger amount than is actually required on the carrier. However, this is not advantageous from an economic point of view.

そこで、固体高分子形燃料電池の高性能化や経済性の改善を図ることを目的として、電極触媒に関する種々の検討がなされている。例えば、これまで担体として用いられてきた導電性炭素に代えて、非炭素系の材料である導電性酸化物担体を用いることが提案されている(特許文献1参照)。同文献においては、電極触媒の担体として酸化スズが用いられている。同文献には、この酸化スズに他元素をドープしてもよいことが記載されている。他元素としては、Sb、Nb、Ta、W、In、V、Cr、Mn及びMoが例示されている。   Therefore, various studies on electrode catalysts have been made for the purpose of improving the performance and improving the economic efficiency of solid polymer fuel cells. For example, it has been proposed to use a conductive oxide carrier that is a non-carbon material instead of the conductive carbon that has been used as a carrier until now (see Patent Document 1). In this document, tin oxide is used as a support for the electrode catalyst. This document describes that this tin oxide may be doped with other elements. Examples of other elements include Sb, Nb, Ta, W, In, V, Cr, Mn, and Mo.

特許文献1では、各種の元素をドープした酸化スズの粒子を、その凝集体の状態で用いているのに対し、特許文献2では、酸化スズの粒子が5個以上相互に融着結合して、連鎖状又は房状のストラクチャ構造を形成している電極触媒が提案されている。   In Patent Document 1, tin oxide particles doped with various elements are used in an aggregated state, whereas in Patent Document 2, five or more tin oxide particles are fused to each other. Electrocatalysts having a chain-like or tuft-like structure structure have been proposed.

US2010/0233574A1US2010 / 0233574A1 US2012/0295184A1US2012 / 0295184A1

特許文献2に記載の技術によれば、高導電性と高比表面積とを併せ持つ電極触媒が得られるとされている。しかし、燃料電池の使用分野の性能を一層向上させる観点から、導電性が一層高い電極触媒が求められている。   According to the technique described in Patent Document 2, an electrode catalyst having both high conductivity and a high specific surface area is obtained. However, there is a need for an electrode catalyst with higher conductivity from the viewpoint of further improving the performance in the field of use of fuel cells.

したがって本発明の課題は、前述した従来技術よりも性能が一層向上した電極触媒、及びそのような電極触媒を容易に製造し得る方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrode catalyst whose performance is further improved as compared with the above-described prior art and a method for easily producing such an electrode catalyst.

前記の課題を解決すべく本発明者は鋭意検討した結果、特定の構造体からなる担体に、特定の方法で貴金属を含む触媒を担持させることで、電極触媒の導電性が向上することを知見した。更に、貴金属を含む触媒を担持させるときに貴金属を担体の構成元素であるスズと合金化させることで、電極触媒の導電性が一層向上することも知見した。   As a result of intensive studies by the present inventors to solve the above-mentioned problems, it has been found that the conductivity of an electrode catalyst is improved by supporting a catalyst containing a noble metal on a carrier having a specific structure by a specific method. did. Furthermore, it has also been found that the conductivity of the electrode catalyst is further improved by alloying the noble metal with tin which is a constituent element of the support when the catalyst containing the noble metal is supported.

本発明は前記の知見に基づきなされたものであり、酸化スズに、Nb、Sb、Ta、In及びVからなる群より選ばれる一種以上の添加元素が含有された複数個の粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有する担体と、該担体の表面に担持された貴金属を含む触媒とを有する電極触媒であって、該貴金属の少なくとも一部がスズと合金を形成している電極触媒を提供することによって前記の課題を解決したものである。   The present invention has been made based on the above knowledge, and a plurality of particles containing tin oxide and one or more additive elements selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta, In and V are beaded. An electrocatalyst comprising a support having a continuous chain structure portion and a catalyst containing a noble metal supported on the surface of the support, wherein at least a part of the noble metal forms an alloy with tin. By providing this, the above-mentioned problems are solved.

また本発明は、前記の電極触媒の好適な製造方法として、貴金属を含むコロイドの前駆体を含む液に還元剤を添加して、該前駆体を還元して貴金属を含むコロイドを生成させ、
酸化スズに、Nb、Sb、Ta、In及びVからなる群より選ばれる一種以上の添加元素が含有された複数個の粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有する担体を、貴金属を含む前記コロイドを含む液に分散し、該担体に貴金属を含む微粒子として担持し、
前記貴金属を含む微粒子を担持した前記担体から前記液を分離して、該担体を乾燥し、
前記貴金属を含む微粒子を担持した乾燥後の前記担体を、還元性雰囲気下に熱処理する工程を含む電極触媒の製造方法を提供するものである。
The present invention also provides a method for producing the electrode catalyst, wherein a reducing agent is added to a liquid containing a precursor of a colloid containing a noble metal, the precursor is reduced to produce a colloid containing a noble metal,
A support having a chain structure portion in which a plurality of particles containing tin oxide and one or more additive elements selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta, In, and V are arranged in a bead shape includes a noble metal. Dispersed in a liquid containing the colloid, supported on the carrier as fine particles containing a noble metal,
Separating the liquid from the carrier carrying fine particles containing the noble metal, and drying the carrier;
The present invention provides a method for producing an electrocatalyst comprising a step of heat-treating the carrier after drying supporting fine particles containing the noble metal in a reducing atmosphere.

本発明によれば、導電性が一層向上した電極触媒が提供される。また本発明によれば、そのような電極触媒を容易に製造することができる。   According to the present invention, an electrode catalyst with further improved conductivity is provided. Moreover, according to the present invention, such an electrode catalyst can be easily produced.

図1は、本発明で用いた火炎法装置を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic view showing a flame method apparatus used in the present invention. 図2は、図1に示す火炎法装置におけるスプレーノズル部分図を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a partial view of a spray nozzle in the flame method apparatus shown in FIG. 図3は、実施例2で得られた電極触媒の透過型電子顕微鏡像である。FIG. 3 is a transmission electron microscope image of the electrode catalyst obtained in Example 2. 図4は、実施例1で得られた電極触媒のXPS測定結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the XPS measurement results of the electrode catalyst obtained in Example 1. 図5は、実施例1、4及び5で得られた電極触媒のXRD測定結果を示す回折図である。FIG. 5 is a diffraction diagram showing the XRD measurement results of the electrode catalysts obtained in Examples 1, 4 and 5. 図6は、実施例4及び5で得られた電極触媒のXPS測定結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing XPS measurement results of the electrode catalysts obtained in Examples 4 and 5. 図7は、実施例6で用いた担体の透過型電子顕微鏡像である。FIG. 7 is a transmission electron microscope image of the carrier used in Example 6. 図8は、比較例4で用いた担体の透過型電子顕微鏡像である。FIG. 8 is a transmission electron microscope image of the carrier used in Comparative Example 4. 図9は、実施例及び比較例で得られた電極触媒の導電率の測定法を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing a method for measuring the conductivity of the electrode catalysts obtained in the examples and comparative examples.

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。本発明の電極触媒は、担体と、該担体の表面に担持された貴金属を含む触媒とを有する。担体は、酸化スズにNb、Sb、Ta、In及びVからなる群より選ばれる一種以上の元素(以下、この元素のことを「添加元素」と言う。)が含有されたものである。本発明で用いられる酸化スズはスズの酸化物から構成される。スズの酸化物は導電性が高い物質であることが知られている。スズの酸化物には、例えば四価のスズの酸化物であるSnOや、二価のスズの酸化物であるSnOなどが挙げられる。特にスズの酸化物はSnOを主体とすることが、耐酸性を高める観点から好ましい。「SnOを主体とする」とは、スズの酸化物に占めるSnOの割合が、スズ元素に換算して50mol%以上であることを言う。Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments thereof. The electrode catalyst of the present invention has a support and a catalyst containing a noble metal supported on the surface of the support. The carrier is one in which tin oxide contains one or more elements selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta, In, and V (hereinafter, these elements are referred to as “added elements”). The tin oxide used in the present invention is composed of an oxide of tin. It is known that tin oxide is a highly conductive substance. Examples of the tin oxide include SnO 2 which is a tetravalent tin oxide and SnO which is a divalent tin oxide. In particular, the tin oxide is preferably composed mainly of SnO 2 from the viewpoint of improving acid resistance. “Mainly composed of SnO 2 ” means that the ratio of SnO 2 in the tin oxide is 50 mol% or more in terms of tin element.

添加元素を含有する酸化スズは粒子の形態をしている。この粒子が複数個集合して後述する特定の構造体を形成することで、電極触媒の担体が形成される。この構造体を構成する個々の粒子の粒径は、好ましくは5nm以上100nm以下、更に好ましくは5nm以上30nm以下であることが、電極触媒の担体の比表面積を大きくし得る点から好ましい。粒子の形状に特に制限はなく、比表面積を大きくし得る形状であればよい。例えば球状、多面体状、板状若しくは紡錘状、又はこれらの混合など、種々の形状を採用することができる。特に球状であることが好ましい。   Tin oxide containing the additive element is in the form of particles. A plurality of these particles are aggregated to form a specific structure which will be described later, thereby forming an electrode catalyst carrier. The particle size of the individual particles constituting this structure is preferably 5 nm or more and 100 nm or less, more preferably 5 nm or more and 30 nm or less, from the viewpoint that the specific surface area of the electrode catalyst support can be increased. There is no restriction | limiting in particular in the shape of particle | grains, What is necessary is just a shape which can enlarge a specific surface area. For example, various shapes such as a spherical shape, a polyhedral shape, a plate shape, a spindle shape, or a mixture thereof can be adopted. A spherical shape is particularly preferable.

添加元素を含有する酸化スズ粒子の粒径は、本発明の電極触媒を電子顕微鏡で観察することによって測定する。電子顕微鏡観察によって100個以上の粒子のフェレ径を測定し、その平均値をもって粒径とする。   The particle size of the tin oxide particles containing the additive element is measured by observing the electrode catalyst of the present invention with an electron microscope. The ferret diameter of 100 or more particles is measured by electron microscope observation, and the average value is taken as the particle diameter.

添加元素は、酸化スズの粒子の内部、又は内部及び外部の両方に存在することができる。添加元素が酸化スズの粒子の内部に存在する場合には、添加元素は酸化スズ中に固溶しているか、又は酸化スズ中に添加元素の化合物(例えば添加元素の酸化物)の状態で存在している。添加元素が酸化スズ中に固溶しているとは、酸化スズにおけるスズのサイトが添加元素で置換されていることを指す。添加元素が酸化スズ中に固溶していると、担体である添加元素を含有する酸化スズの導電性が高くなるので好ましい。   The additive elements can be present inside the tin oxide particles or both inside and outside. When the additive element is present inside the tin oxide particles, the additive element is dissolved in the tin oxide or is present in the state of the additive element compound (for example, an oxide of the additive element) in the tin oxide. doing. The fact that the additive element is dissolved in the tin oxide means that the tin site in the tin oxide is replaced by the additive element. It is preferable that the additive element is dissolved in the tin oxide because the conductivity of the tin oxide containing the additive element as the carrier is increased.

添加元素が酸化スズの粒子の内部に存在することに加えて酸化スズの粒子の外部に存在する場合には、添加元素はその化合物の状態で主として酸化スズ粒子の表面に存在している。例えば添加元素はその酸化物の状態で酸化スズ粒子の表面に存在している。添加元素が例えばニオブである場合、ニオブの酸化物としては、例えばNbなどが挙げられるが、これに制限されない。When the additive element is present outside the tin oxide particle in addition to being present inside the tin oxide particle, the additive element is mainly present on the surface of the tin oxide particle in the state of the compound. For example, the additive element is present on the surface of the tin oxide particle in the form of its oxide. When the additive element is, for example, niobium, examples of niobium oxide include Nb 2 O 5 , but are not limited thereto.

添加元素を含有する酸化スズに含まれる添加元素の含有率は、添加元素がNbの場合を例にとると、Nb(mol)/(Sn(mol)+Nb(mol))×100で表して、0.1mol%以上40mol%以下である。以下、この値を「添加元素含有率」と言う。添加元素含有率を0.1mol%以上に設定することで、添加元素を含有する酸化スズの導電性を十分に高くすることができる。添加元素含有率が8mol%を超えても、担体としての導電率は大きく向上しない。しかしながら、パーコレーション理論の観点から、添加元素含有率が8mol%を超えても40mol%程度までは、担体としての導電率は同様に高い値を維持するものと推測される。添加元素を含有する酸化スズの導電性を一層高め、かつ比表面積を十分に高くする観点から、添加元素含有率は0.5mol%以上8mol%以下、特に1mol%以上4mol%以下とすることがより好ましい。   The content of the additive element contained in the tin oxide containing the additive element is represented by Nb (mol) / (Sn (mol) + Nb (mol)) × 100, taking the case where the additive element is Nb as an example. It is 0.1 mol% or more and 40 mol% or less. Hereinafter, this value is referred to as “additive element content”. By setting the additive element content to 0.1 mol% or more, the conductivity of tin oxide containing the additive element can be sufficiently increased. Even if the additive element content exceeds 8 mol%, the conductivity as a carrier is not greatly improved. However, from the viewpoint of percolation theory, it is presumed that the conductivity as a carrier similarly maintains a high value up to about 40 mol% even if the additive element content exceeds 8 mol%. From the viewpoint of further increasing the conductivity of tin oxide containing an additive element and sufficiently increasing the specific surface area, the additive element content may be 0.5 mol% or more and 8 mol% or less, particularly 1 mol% or more and 4 mol% or less. More preferred.

添加元素を含有する酸化スズから構成される担体の添加元素含有率は、例えば次の方法で測定することができる。電極触媒を適当な方法で溶解して溶液となし、ICP発光分析によりこの溶液を分析し、スズの濃度及び添加元素の濃度を測定することにより算出する。ICP発光分析に代えて、蛍光X線(XRF)分析を用いることもできる。   The additive element content of the support composed of tin oxide containing the additive element can be measured, for example, by the following method. The electrode catalyst is dissolved by an appropriate method to form a solution, this solution is analyzed by ICP emission analysis, and the concentration of tin and the concentration of additive elements are measured. Instead of ICP emission analysis, fluorescent X-ray (XRF) analysis can also be used.

添加元素としては、上述したとおり、Nb、Sb、Ta、In及びVからなる群より選ばれる一種以上の元素が用いられる。これらの元素のうち、性能と価格とのバランスの観点からNb又はTaを用いることが好ましい。   As described above, one or more elements selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta, In, and V are used as the additive element. Of these elements, Nb or Ta is preferably used from the viewpoint of a balance between performance and price.

添加元素を含有する酸化スズ粒子の集合体である担体は、複数個の該粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有している。鎖状構造部位を構成する任意の1個の粒子(ただし末端に位置する粒子を除く)に着目した場合、該粒子は別の2個以上の粒子と結合している。「結合している」とは、2個の粒子が融着して一体化し、各粒子の重心間距離Rが、該粒子のフェレ径(R,R)の和より小さく(R<R+R)なることを言う。The carrier, which is an aggregate of tin oxide particles containing an additive element, has a chain structure portion in which a plurality of the particles are connected in a bead shape. When attention is paid to any one particle (excluding the particle located at the end) constituting the chain structure site, the particle is bonded to two or more other particles. “Coupled” means that two particles are fused and integrated, and the distance R C between the centers of gravity of each particle is smaller than the sum of the ferret diameters (R 1 , R 2 ) of the particles (R C <R 1 + R 2 )

添加元素を含有する酸化スズ粒子の鎖状構造部位においては、各粒子は直線状になっていてもよく、あるいは波形の曲線状や、ランダムなジグザグ状やフラクタル状になっていてもよい。更に一条の鎖状構造部位が、該鎖状構造部位のうちのいずれかの位置で、二条以上の多条に分岐していてもよい。いずれの形態になっている場合であっても、鎖状構造部位を構成する粒子の数は、担体の比表面積を高める観点、接触抵抗を低減する観点及び導電パス形成の観点から、5個以上であることが好ましく、50個以上であることが更に好ましく、5000個以上であることが一層好ましい。この個数の上限値に特に制限はないが、5000個程度に多数の粒子が連なっていれば、満足すべき比表面積の増大効果が得られる。   In the chain structure portion of the tin oxide particles containing the additive element, each particle may be linear, or may be a wavy curve, random zigzag, or fractal. Furthermore, a single chain structure portion may be branched into two or more lines at any position of the chain structure portion. In any case, the number of particles constituting the chain structure portion is 5 or more from the viewpoint of increasing the specific surface area of the support, reducing the contact resistance, and forming a conductive path. Preferably, the number is 50 or more, more preferably 5000 or more. The upper limit of the number is not particularly limited, but if a large number of particles are connected to about 5000, a satisfactory increase in specific surface area can be obtained.

担体は、添加元素を含有する酸化スズ粒子の鎖状構造部位のみから構成されていてもよく、あるいは該鎖状構造部位及びその他の形態の部位の双方を含んで構成されていてもよい。その他の形態の部位としては、例えば添加元素を含有する酸化スズ粒子の凝集部位などが挙げられる。担体中には鎖状構造部位が少なくとも1箇所存在することが必要である。鎖状構造部位が2箇所以上存在する場合、各鎖状構造部位を構成する粒子の数は同じでもよく、あるいは異なっていてもよい。   The carrier may be composed only of the chain structure portion of the tin oxide particles containing the additive element, or may be composed of both the chain structure portion and other form portions. Examples of other forms of sites include agglomerated sites of tin oxide particles containing an additive element. It is necessary that at least one chain structure site exists in the carrier. When two or more chain structure sites are present, the number of particles constituting each chain structure site may be the same or different.

担体の表面には、貴金属を含む触媒が担持されている。貴金属を含む触媒とは貴金属そのもの、又は貴金属を含む合金を形成している触媒のことである。貴金属を含む合金は、以下に述べる貴金属1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。または、前記の貴金属とそれ以外の金属からなる合金であって前記の貴金属を10質量%以上含む合金も包含する。本発明において好適に使用可能な貴金属としては、酸素の還元(及び水素の酸化)に対する電気化学的触媒活性を有するものであれば特に制限されず、公知の材料が使用できる。具体的には、貴金属は、Pt,Ru,Ir,Pd,Rh,Os,Au,Ag等から選択される。「それ以外の金属」は特に限定されないが、Sn,Ti,Ni,Co,Fe,W,Ta,Nb、Sbを好適な例として挙げることができる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの貴金属を含む触媒の中でも、Pt及びPtを含む合金は、固体高分子形燃料電池の作動温度である80℃付近の温度域において、酸素の還元(及び水素の酸化)に対する電気化学的触媒活性が高いので、特に好適に使用することができる。   A catalyst containing a noble metal is supported on the surface of the support. The catalyst containing a noble metal is a catalyst forming a noble metal itself or an alloy containing a noble metal. As the alloy containing a noble metal, one kind of noble metal described below can be used alone, or two or more kinds can be used in combination. Or the alloy which consists of said noble metal and other metals, Comprising: The said noble metal is included 10 mass% or more. Noble metals that can be suitably used in the present invention are not particularly limited as long as they have electrochemical catalytic activity for oxygen reduction (and hydrogen oxidation), and known materials can be used. Specifically, the noble metal is selected from Pt, Ru, Ir, Pd, Rh, Os, Au, Ag, and the like. “Other metals” are not particularly limited, but Sn, Ti, Ni, Co, Fe, W, Ta, Nb, and Sb can be given as preferable examples. These can be used alone or in combination of two or more. Among these catalysts containing noble metals, Pt and alloys containing Pt are electrochemical catalysts for oxygen reduction (and hydrogen oxidation) in the temperature range around 80 ° C., which is the operating temperature of a polymer electrolyte fuel cell. Since the activity is high, it can be particularly preferably used.

貴金属を含む触媒は、微粒子の形態で担体の表面に担持されていることが有利である。貴金属を含む微粒子の粒径は、例えば1nm以上20nm以下とすることが好ましい。この範囲の粒径を有する貴金属を含む微粒子を担持させることで、電極反応の進行中における貴金属の溶出を効果的に防止することができ、また貴金属を含む微粒子の比表面積の低下も効果的に防止することができる。貴金属を含む微粒子の粒径は、X線回折における貴金属を含む触媒の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径又は電子顕微鏡像より調べられる貴金属を含む触媒の粒子径の平均値により得ることができる。   The catalyst containing the noble metal is advantageously supported on the surface of the support in the form of fine particles. The particle diameter of the fine particles containing the noble metal is preferably set to, for example, 1 nm to 20 nm. By supporting fine particles containing a noble metal having a particle size in this range, elution of the noble metal during the progress of the electrode reaction can be effectively prevented, and the specific surface area of the fine particles containing the noble metal is also effectively reduced. Can be prevented. The particle diameter of the fine particle containing the noble metal can be obtained by the average value of the crystallite diameter obtained from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst containing the noble metal in X-ray diffraction or the particle diameter of the catalyst containing the noble metal examined from an electron microscope image. it can.

貴金属を含む触媒の担持量は、電極触媒の全質量、つまり担体の質量と貴金属を含む触媒の質量との総和に対して0.2質量%超50質量%以下とすることが好ましく、3.0質量%以上18.0質量%以下とすることが更に好ましく、3.0質量%以上9.0質量%以下とすることが一層好ましい。この範囲の担持量に設定することで、電極反応を十分に円滑に行うことが可能になる。貴金属を含む触媒の担持量は、電極触媒を適当な方法で溶解して溶液となし、ICP発光分析によりこの溶液を分析することで求めることができる。   The supported amount of the catalyst containing the noble metal is preferably more than 0.2 mass% and 50 mass% or less with respect to the total mass of the electrode catalyst, that is, the total mass of the support and the mass of the catalyst containing the noble metal. The content is more preferably 0% by mass or more and 18.0% by mass or less, and further preferably 3.0% by mass or more and 9.0% by mass or less. By setting the loading amount within this range, the electrode reaction can be performed sufficiently smoothly. The supported amount of the catalyst containing the noble metal can be obtained by dissolving the electrode catalyst by a suitable method to form a solution and analyzing this solution by ICP emission analysis.

貴金属は少なくともその一部が、担体の構成元素の一つであるスズと合金を形成していることが、導電性の向上の点から有利であることが、本発明者の検討の結果判明した。電極触媒におけるこの合金(以下、貴金属スズ合金とも言う。)の結晶系及び存否は、例えばX線回折(XRD)や、X線光電子分光(XPS)によって確認することができる。特に貴金属スズ合金の結晶系が六方晶又は立方晶であると、導電性が更に向上するので好ましい。   As a result of the inventor's investigation, it has been found that it is advantageous from the viewpoint of improving the conductivity that at least a part of the noble metal forms an alloy with tin, which is one of the constituent elements of the support. . The crystal system and presence / absence of this alloy (hereinafter also referred to as noble metal tin alloy) in the electrode catalyst can be confirmed by, for example, X-ray diffraction (XRD) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In particular, it is preferable that the crystal system of the noble metal tin alloy is hexagonal or cubic because conductivity is further improved.

貴金属を含む触媒のうち、貴金属スズ合金となっている貴金属の割合である〔A1(mol)/A(mol)〕×100(%)の値は大きいことが好ましく、特に100%であることが好ましい。下限値に特に制限はないが1%以上、特に貴金属スズ合金が担体の導電性向上に及ぼす効果の大きさという観点から20%以上であることが好ましい。式中、A1は貴金属スズ合金となっている貴金属のモル数を表し、Aは、貴金属全体のモル数を表す。A1及びAの値は、正確に算出することは容易ではないが、例えば、X線回折(XRD)及び X線光電子分光(XPS)の結果を参考にできる。通常のX線回折(XRD)において、その相の存在比率が数mol%以下では十分にその回折ピークを確認できない。このことから、貴金属単味の相が確認されず合金相のみが確認された場合は、数mol%程度の誤差で100mol%の合金が存在していると解釈できる。また、合金相が確認された場合には数mol%以上存在していると解釈できる。
一方、X線光電子分光(XPS)を用いることで相対的な合金度合を評価することができると本発明者らは考えている。非特許文献1 J. Llorca, P. Ramirez de la Piscina,J.L.G Fierro, J. Sales, N, Homs, J. Mol.Catal., 118 (1997) 101-111.によれば二酸化ケイ素上にPtSn合金を形成した場合のPtSn/SiOのSnの束縛エネルギーについては3d5/2については3つのピークに帰属でき、それぞれ486.8eV:Snの酸化物、484.9eV:PtとSnの合金のSn、483.6eV:Snと結論づけられている。通常のSnOには酸化物に相当するSnの束縛エネルギー以外は検出されないため通常の酸化物(SnO、SnO)由来の束縛エネルギー(486.0eV以上)未満であって、かつ484.9eV以上の範囲に頂点を有するピークの面積を算出することでPtの合金化度合を相対的に確認することができる。ここで、担体の構成元素の一つであるスズと合金を形成している場合には、XPS測定時に担体のスズ(酸化物)由来のスペクトルも同時に検出されるため、貴金属が100%合金化していても上記2つのスペクトルピーク面積が100%とならないこと、及びスズの化学状態により検出強度が異なると考えられるため相対的という言葉を用いた。
ピーク面積の解析には XPSPEAK version4.1やSpecSurfといった解析ソフトが使用できる。
The value of [A1 (mol) / A (mol)] × 100 (%), which is the ratio of the noble metal that is a noble metal tin alloy in the catalyst containing the noble metal, is preferably large, particularly 100%. preferable. The lower limit is not particularly limited, but is preferably 1% or more, and particularly preferably 20% or more from the viewpoint of the effect of the noble metal tin alloy on improving the conductivity of the carrier. In the formula, A1 represents the number of moles of the noble metal that is a noble metal tin alloy, and A represents the number of moles of the entire noble metal. Although it is not easy to calculate the values of A1 and A accurately, for example, the results of X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) can be referred to. In ordinary X-ray diffraction (XRD), when the abundance ratio of the phase is several mol% or less, the diffraction peak cannot be sufficiently confirmed. From this, when the noble metal simple phase is not confirmed but only the alloy phase is confirmed, it can be interpreted that 100 mol% of the alloy exists with an error of about several mol%. Moreover, when an alloy phase is confirmed, it can be interpreted that several mol% or more exists.
On the other hand, the present inventors consider that the relative alloy degree can be evaluated by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Non-Patent Document 1 According to J. Llorca, P. Ramirez de la Piscina, JLG Fierro, J. Sales, N, Homs, J. Mol. Catal., 118 (1997) 101-111. As for Sn binding energy of PtSn / SiO 2 in the case of forming Sd, 3d 5/2 can be attributed to three peaks, 486.8 eV: Sn oxide, 484.9 eV: Sn of Pt and Sn alloy, respectively. , 483.6 eV: Sn 0 . In ordinary SnO 2 , other than the binding energy of Sn corresponding to the oxide is not detected, so that it is less than the binding energy (486.0 eV or more) derived from the ordinary oxide (SnO 2 , SnO) and 484.9 eV or more. By calculating the area of the peak having the apex in the range, the alloying degree of Pt can be relatively confirmed. Here, in the case where an alloy is formed with tin, which is one of the constituent elements of the support, a spectrum derived from the tin (oxide) of the support is also detected at the time of XPS measurement. However, the term “relative” was used because the above two spectral peak areas do not become 100% and the detection intensity is considered to vary depending on the chemical state of tin.
Analysis software such as XPSPEAK version 4.1 and SpecSurf can be used for the analysis of the peak area.

貴金属を含む触媒は、その担持量に応じて担体の表面全域を満遍なく被覆していてもよいが、酸素還元反応において酸素拡散量に対して貴金属を含む触媒の反応面積が多すぎると酸素拡散律速となり本来の触媒活性を十分に発揮できない原因と成り得るため、適切な距離を保ち担体の表面が露出するように不連続に被覆している方がよい。   The catalyst containing the noble metal may cover the entire surface of the support evenly according to the amount of the catalyst supported.However, if the reaction area of the catalyst containing the noble metal is too large for the oxygen diffusion amount in the oxygen reduction reaction, the oxygen diffusion rate is controlled. Therefore, the original catalytic activity may not be sufficiently exhibited. Therefore, it is preferable to discontinuously coat the support so that the surface of the support is exposed at an appropriate distance.

電極触媒は、これを構成する担体の特殊な形状に起因して比表面積の大きなものである。具体的には、比表面積が好ましくは20m/g以上130m/g以下、更に好ましくは30m/g以上100m/g以下である。このような大きな比表面積を有することによって、貴金属を含む触媒の触媒活性を有効に活用することができる。比表面積は一般的に窒素ガスなどの物理吸着を用いて測定する。例えばBET法などで測定することができる。具体的には、BET法による比表面積の測定に、Bechman Coulter社製のSA3100や、Micromeritics社製のflowsorb IIを使用することができる。The electrode catalyst has a large specific surface area due to the special shape of the carrier constituting the electrode catalyst. Specifically, the specific surface area is preferably 20 m 2 / g or more and 130 m 2 / g or less, more preferably 30 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less. By having such a large specific surface area, the catalytic activity of a catalyst containing a noble metal can be effectively utilized. The specific surface area is generally measured using physical adsorption such as nitrogen gas. For example, it can be measured by the BET method. Specifically, SA3100 manufactured by Bechman Coulter or flowsorb II manufactured by Micromeritics can be used for measurement of the specific surface area by the BET method.

次に、本発明の電極触媒の好適な製造方法について説明する。本製造方法は、(i)担体の製造工程、及び(ii)貴金属を含む触媒の担持工程に大別される。以下、それぞれの工程について説明する。   Next, the suitable manufacturing method of the electrode catalyst of this invention is demonstrated. This production method is roughly divided into (i) a carrier production step and (ii) a catalyst loading step including a noble metal. Hereinafter, each process will be described.

まず(i)の担体の製造工程について説明する。この担体は鎖状構造部位を有するものであるところ、そのような担体は化学炎法によって好適に製造することができる。化学炎法においては、スズ化合物及び添加元素を含む化合物並びにこれらの化合物を溶解させることが可能な有機溶媒を含む原料液を用いる。スズ化合物としては有機スズ化合物を用いることが好ましい。有機スズ化合物としては、例えばオクチル酸スズやジブチルスズビスアセチルアセトナート(日本化学産業(株)製の「ナーセムスズ」(商品名))などの有機酸のスズ塩などを用いることができる。スズ化合物は1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。一方、添加元素を含む化合物としては、該添加元素を含む有機化合物を用いることが好ましい。例えば添加元素がニオブである場合には、有機ニオブ化合物を用いることが好ましい。有機ニオブ化合物としては、例えばオクチル酸ニオブなどの有機酸のニオブ塩などを用いることができる。添加元素を含む化合物は1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。   First, the production process of the carrier (i) will be described. Since this carrier has a chain structure, such a carrier can be preferably produced by a chemical flame method. In the chemical flame method, a raw material liquid containing a compound containing a tin compound and an additive element and an organic solvent capable of dissolving these compounds is used. As the tin compound, an organic tin compound is preferably used. As the organic tin compound, for example, a tin salt of an organic acid such as tin octylate or dibutyltin bisacetylacetonate (“Narsem Tin” (trade name) manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) can be used. A tin compound can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. On the other hand, as the compound containing an additive element, an organic compound containing the additive element is preferably used. For example, when the additive element is niobium, it is preferable to use an organic niobium compound. As the organic niobium compound, for example, a niobium salt of an organic acid such as niobium octylate can be used. The compound containing an additional element can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

スズ化合物及び添加元素を含む化合物を溶解させるための有機溶媒としては、ターペンオイル、ミネラルスピリッツ、オクチル酸、メタノール、エタノールなどの芳香族類若しくはアルコール類又はそれらの水溶液、又はそれらの混合物等を用いることができる。これらのうち、粘度及び燃焼熱量の点からターペンオイルを用いることが好ましい。   As an organic solvent for dissolving a compound containing a tin compound and an additive element, aromatics or alcohols such as terpene oil, mineral spirits, octylic acid, methanol, ethanol, an aqueous solution thereof, a mixture thereof, or the like is used. be able to. Of these, it is preferable to use turpentine oil in view of viscosity and heat of combustion.

原料液におけるスズ化合物の濃度は、スズに換算して1質量%以上50質量%以下とすることが好ましく、3質量%以上14質量%以下とすることが更に好ましい。一方、原料液における添加元素を含む化合物の濃度は、添加元素に換算して0.004質量%以上3.4質量%以下とすることが好ましく、0.012質量%以上0.95質量%以下とすることが更に好ましい。原料液におけるスズ化合物と添加元素を含む化合物との比率は、目的とする担体におけるスズと添加元素との比率に一致するように調整する。   The concentration of the tin compound in the raw material liquid is preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 3% by mass or more and 14% by mass or less in terms of tin. On the other hand, the concentration of the compound containing the additive element in the raw material liquid is preferably 0.004% by mass to 3.4% by mass in terms of the additive element, and 0.012% by mass to 0.95% by mass. More preferably. The ratio of the tin compound and the compound containing the additive element in the raw material solution is adjusted to match the ratio of tin and the additive element in the target carrier.

このようにして得られた原料液を、例えばプロパン、メタン、アセチレン、水素又は亜酸化窒素等の燃料ガスによる化学炎中に供給して燃焼させ、目的とする担体、すなわち鎖状構造部位を有する担体を得る。原料液が化学炎中に供給されると、瞬時に反応及び冷却が行われ、目的とする一次粒子が製造されるとともに、結果として一次粒子どうしが部分的に融着結合して、高い比表面積を有する担体が生成する。この観点から、化学炎の温度は600℃以上2000℃以下に設定することが好ましく、1200℃以上1600℃以下に設定することが更に好ましい。   The raw material liquid obtained in this way is supplied into a chemical flame with a fuel gas such as propane, methane, acetylene, hydrogen or nitrous oxide and burned to have a target carrier, that is, a chain structure site. A carrier is obtained. When the raw material liquid is supplied into the chemical flame, the reaction and cooling are instantaneously performed to produce the intended primary particles, and as a result, the primary particles are partially fused and bonded together, resulting in a high specific surface area. A carrier having From this viewpoint, the temperature of the chemical flame is preferably set to 600 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower, more preferably set to 1200 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower.

以上のようにして担体が得られたら、これを(ii)の貴金属を含む触媒の担持工程に付す。担持工程においては、貴金属を含有するコロイドを含む液に担体を分散し、該貴金属を含有するコロイドを、該担体に、貴金属を含む微粒子として担持した後に熱処理を施す。詳細には、(ii−a)貴金属を含有するコロイドの前駆体を含む液に、還元剤を添加して該前駆体を還元し、貴金属を含有するコロイドを生成させ、生成した貴金属を含有するコロイドを含む液に担体を分散し、該貴金属を含有するコロイドを、該担体に、貴金属を含有する微粒子として担持し、(ii−b)貴金属を含有する微粒子を担持した担体から前記液を分離して、該担体を乾燥し、(ii−c)貴金属を含有する微粒子を担持した乾燥後の前記担体を、還元性雰囲気下に熱処理する。貴金属を含有するコロイドを含む液を用いて、前記の構造体からなる担体に貴金属を含む触媒を担持させることで、驚くべきことに、得られる電極触媒の導電性が還元雰囲気のみならず空気中においても非常に向上することが、本発明者らの検討の結果判明した。   When the support is obtained as described above, it is subjected to the step (ii) for supporting a catalyst containing a noble metal. In the supporting step, the support is dispersed in a liquid containing a colloid containing a noble metal, and the colloid containing the noble metal is supported on the support as fine particles containing the noble metal, and then heat treatment is performed. Specifically, (ii-a) a reducing agent is added to a liquid containing a colloidal precursor containing a noble metal to reduce the precursor to produce a colloid containing the noble metal, and the produced noble metal is contained. A carrier is dispersed in a liquid containing a colloid, the colloid containing the noble metal is supported on the carrier as fine particles containing the noble metal, and (ii-b) the liquid is separated from the carrier carrying the fine particles containing the noble metal. Then, the support is dried, and (ii-c) the dried support carrying fine particles containing a noble metal is heat-treated in a reducing atmosphere. Surprisingly, by using a liquid containing a colloid containing a noble metal to support the catalyst containing the noble metal on the support made of the structure, the conductivity of the obtained electrode catalyst is not only reduced but also in the air. As a result of the study by the present inventors, it has been found that the improvement is greatly improved.

(ii−a)で用いる貴金属を含有するコロイドを含む液を調製する条件は特に制限されるものではなく、選択した貴金属前駆体、及び還元剤に応じた適宜の条件とすればよい。貴金属前駆体としては、例えば貴金属として白金を用いる場合には、塩化白金酸を用いることができる。また、担体を、貴金属を含有するコロイドを含む溶液に分散する際の形態は、粉末状態でもよく、あるいは水、エタノール等の液媒体に分散した状態でもよい。均一な溶液を確実に形成できる点で後者が望ましい。   The conditions for preparing the liquid containing the colloid containing the noble metal used in (ii-a) are not particularly limited, and may be set appropriately according to the selected noble metal precursor and the reducing agent. As the noble metal precursor, for example, when platinum is used as the noble metal, chloroplatinic acid can be used. Further, the form when the carrier is dispersed in the solution containing the colloid containing the noble metal may be in a powder state or in a state dispersed in a liquid medium such as water or ethanol. The latter is desirable because a uniform solution can be reliably formed.

貴金属を含有するコロイドの前駆体の還元に用いる還元剤としては、例えば亜硫酸水素ナトリウム(NaHSO3)、水素化ホウ素ナトリウム、水素化トリエチルホウ素ナトリウム、過酸化水素及びヒドラジンなどが挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよく、あるいは2種類以上を組み合わせて用いてもよい。これらの還元剤のうち、亜硫酸水素ナトリウムを用いることが特に好ましい。更に、ある還元剤で還元を行った後に、別の還元剤によって再度還元を行ってもよい。このように液相での多段階の還元処理を行うことで、貴金属を含む微粒子を担体上に高分散状態で担持させることができる。2種類以上の還元剤を用いて多段階の還元を行う好適な具体例として、還元剤として初めに亜硫酸水素ナトリウムを用い、次いで過酸化水素を用いる方法が挙げられる。亜硫酸水素ナトリウムを用いた還元の後、過酸化水素を用いた還元を行う前に、液のpHを以下に述べる値に調整することが好ましい。Examples of the reducing agent used for the reduction of the colloidal precursor containing the noble metal include sodium bisulfite (NaHSO 3 ), sodium borohydride, sodium triethylborohydride, hydrogen peroxide, and hydrazine. These may be used singly or in combination of two or more. Of these reducing agents, it is particularly preferable to use sodium bisulfite. Furthermore, after performing reduction with a certain reducing agent, reduction may be performed again with another reducing agent. By performing multistage reduction treatment in the liquid phase as described above, fine particles containing a noble metal can be supported in a highly dispersed state on a carrier. As a preferred specific example of performing multi-stage reduction using two or more kinds of reducing agents, there is a method in which sodium bisulfite is first used as the reducing agent and then hydrogen peroxide is used. It is preferable to adjust the pH of the liquid to the value described below after the reduction using sodium hydrogen sulfite and before the reduction using hydrogen peroxide.

還元後、貴金属を含有するコロイドの前駆体を含む液のpHは、例えば1以上10以下とすることができ、4以上6以下が特に好適である。このpH域に設定することで、貴金属を含むコロイドが凝集することなく均一に分散したコロイド溶液を調製できる。   After the reduction, the pH of the liquid containing the colloidal precursor containing the noble metal can be, for example, 1 or more and 10 or less, and 4 or more and 6 or less is particularly preferable. By setting to this pH range, a colloid solution in which a colloid containing a noble metal is uniformly dispersed without aggregation can be prepared.

貴金属を含有するコロイドの前駆体を還元するときの好適な温度域は20℃以上100℃以下であり、特に好適には50℃以上70℃以下である。この温度域で還元を行うことで、貴金属前駆体を十分に還元させることができ、また液が沸騰することに起因する貴金属を含む微粒子の分散性の低下を防止することができる。還元時間は、温度域がこの範囲内であることを条件として通常10分以上2時間以下である。   A suitable temperature range when reducing the colloidal precursor containing a noble metal is 20 ° C. or more and 100 ° C. or less, and particularly preferably 50 ° C. or more and 70 ° C. or less. By carrying out the reduction in this temperature range, the noble metal precursor can be sufficiently reduced, and a decrease in dispersibility of the fine particles containing the noble metal due to boiling of the liquid can be prevented. The reduction time is usually from 10 minutes to 2 hours, provided that the temperature range is within this range.

貴金属を含有するコロイドの前駆体としては特に制限がなく、溶媒として好適に使用される液媒体、例えば水や、メタノール及びエタノールなどの低級アルコールに可溶なものが選択される。具体的には貴金属元素のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、シュウ酸塩及び酢酸塩などが挙げられる。   The colloid precursor containing noble metal is not particularly limited, and a liquid medium that is suitably used as a solvent, for example, water or one that is soluble in lower alcohols such as methanol and ethanol is selected. Specific examples include halides, nitrates, sulfates, oxalates and acetates of noble metal elements.

(ii−b)においては、貴金属を含む微粒子を担持した担体から前記液を分離して、該担体を乾燥させる。液の分離方法は特に限定されず、通常、濾過、遠心分離などにより、大部分の液を除去した後に、残余の液を蒸発させて乾燥する方法が選択される。乾燥方法としては、加熱乾燥・減圧乾燥・自然乾燥のいずれでもよい。乾燥を行う雰囲気は特に限定されるものではなく、酸素を含有する酸化性雰囲気中や大気雰囲気、窒素やアルゴンなどを含有する不活性雰囲気、水素を含有する還元性雰囲気などの雰囲気条件を任意に選ぶことができる。通常、大気雰囲気で行われる。乾燥を行う温度も特に制限はなく、貴金属を含む触媒の酸化を防止する観点から、好適には150℃未満の温度で行われる。前記の分離を行う前に、担体中に含まれる不純物を除去する操作を行ってもよい。例えば貴金属前駆体として、塩化白金酸を用いた場合には、担体中に塩化物イオンが残留する場合があるところ、該塩化物イオンを除去する目的で、担体を超純水で希釈してスラリーを調製し、そのスラリーを煮沸することが好ましい。煮沸は大気圧下に行うことができる。不純物の除去を確実にするために、超純水での希釈及び煮沸の操作を複数回繰り返してもよい。   In (ii-b), the said liquid is isolate | separated from the support | carrier which carry | supported the microparticles | fine-particles containing a noble metal, and this support | carrier is dried. The method for separating the liquid is not particularly limited, and usually a method is selected in which most of the liquid is removed by filtration, centrifugation, etc., and then the remaining liquid is evaporated and dried. As a drying method, any of heat drying, reduced pressure drying, and natural drying may be used. The atmosphere in which drying is performed is not particularly limited, and the atmospheric conditions such as an oxidizing atmosphere containing oxygen or an air atmosphere, an inert atmosphere containing nitrogen or argon, or a reducing atmosphere containing hydrogen are arbitrarily selected. You can choose. Usually, it is performed in an air atmosphere. The temperature at which drying is performed is not particularly limited, and is preferably performed at a temperature of less than 150 ° C. from the viewpoint of preventing oxidation of the catalyst containing the noble metal. Before the separation, an operation for removing impurities contained in the carrier may be performed. For example, when chloroplatinic acid is used as the noble metal precursor, chloride ions may remain in the carrier. For the purpose of removing the chloride ions, the carrier is diluted with ultrapure water to form a slurry. It is preferable to prepare and boil the slurry. The boiling can be performed under atmospheric pressure. In order to ensure the removal of impurities, the dilution and boiling operations with ultrapure water may be repeated a plurality of times.

(ii−c)は、担体に担持された貴金属を含む微粒子を活性化する工程である。(ii−b)を経て乾燥した貴金属を含む微粒子は不定比の貴金属酸化物を多く含むため、触媒活性が低いことがある。そのため、本工程において、還元性雰囲気下に熱処理することで、貴金属の有する電気化学的触媒作用を活性化させる。更に、この熱処理によって貴金属元素と担体に含まれるスズとの合金を生成させる。   (Ii-c) is a step of activating fine particles containing a noble metal supported on a carrier. Since the fine particles containing a noble metal dried through (ii-b) contain a large amount of non-stoichiometric noble metal oxide, the catalytic activity may be low. Therefore, in this step, the electrochemical catalytic action of the noble metal is activated by heat treatment in a reducing atmosphere. Further, the heat treatment generates an alloy of the noble metal element and tin contained in the support.

熱処理の温度は、貴金属の活性化及びスズとの合金化を首尾よく行う観点から、150℃以上500℃以下に設定することが好ましく、250℃以上300℃以下に設定することが更に好ましい。この後者の範囲の加熱温度は、従来採用されていた温度、例えば特許文献1に記載されている加熱温度よりも高いものである。このような高めの温度設定を採用することで、貴金属とスズとの合金化をより促進させることが可能となる。尤も、加熱温度を過度に高くすると、形成した合金粒子の凝集が進行してしまい、酸素還元反応における電気化学的活性表面積が低下する場合がある。したがって、前記の範囲の温度で熱処理を行うことが好ましい。設定した保持温度に達した後の加熱保持時間は、加熱温度がこの範囲内であることを条件として、1分以上4時間以下であることが好ましく、10分以上2時間以下であることが更に好ましい。昇温速度は、室温から昇温を開始して、1℃/min以上20℃/minであることが好ましく3℃/min以上10℃/min以下であることが好ましい。降温速度もこの範囲内とすることもできるが、室温まで急冷することが好ましい。   The temperature of the heat treatment is preferably set to 150 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, more preferably 250 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, from the viewpoint of successfully activating the noble metal and alloying with tin. The heating temperature in the latter range is higher than a conventionally employed temperature, for example, the heating temperature described in Patent Document 1. By adopting such a high temperature setting, it becomes possible to further promote alloying of noble metal and tin. However, if the heating temperature is excessively high, aggregation of the formed alloy particles proceeds, and the electrochemically active surface area in the oxygen reduction reaction may decrease. Therefore, it is preferable to perform the heat treatment at a temperature within the above range. The heating holding time after reaching the set holding temperature is preferably 1 minute to 4 hours, preferably 10 minutes to 2 hours, provided that the heating temperature is within this range. preferable. The rate of temperature rise is preferably 1 ° C./min or more and 20 ° C./min, preferably 3 ° C./min or more and 10 ° C./min or less when the temperature rise starts from room temperature. The temperature lowering rate can also be within this range, but it is preferable to rapidly cool to room temperature.

還元性雰囲気としては、水素、一酸化炭素などが挙げられる。貴金属を含有する微粒子の触媒被毒などの問題がなく、入手が容易であるという点では水素が好ましい。水素を用いる場合には、これを濃度100%で用いてもよく、あるいは不活性気体、例えば窒素、ヘリウム、アルゴンなどで好ましくは0.1〜50体積%、更に好ましくは1〜10体積%に希釈して用いてもよい。   Examples of the reducing atmosphere include hydrogen and carbon monoxide. Hydrogen is preferable in that it is free from problems such as catalyst poisoning of fine particles containing noble metals and is easily available. When hydrogen is used, it may be used at a concentration of 100%, or preferably 0.1 to 50% by volume, more preferably 1 to 10% by volume with an inert gas such as nitrogen, helium or argon. You may dilute and use.

以上のようにして、目的とする電極触媒が得られる。この電極触媒は、固体高分子電解質膜の一方の面に配置された酸素極及び他方の面に配置された燃料極を有する膜電極接合体における酸素極又は燃料極の少なくとも一方に含有させて用いることができる。電極触媒は、好適には酸素極及び燃料極の双方に含有させることができる。   The target electrode catalyst is obtained as described above. This electrode catalyst is used by being contained in at least one of an oxygen electrode and a fuel electrode in a membrane electrode assembly having an oxygen electrode disposed on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode disposed on the other surface. be able to. The electrode catalyst can be preferably contained in both the oxygen electrode and the fuel electrode.

特に、酸素極及び燃料極は、本発明の電極触媒を含む触媒層と、ガス拡散層とを含んでいることが好ましい。電極反応を円滑に進行させるために、電極触媒は固体高分子電解質膜に接していることが好ましい。ガス拡散層は、集電機能を有する支持集電体として機能するものである。更に、電極触媒にガスを十分に供給する機能を有するものである。ガス拡散層としては、この種の技術分野において従来用いられてきたものと同様のものを用いることができる。例えば多孔質材料であるカーボンペーパー、カーボンクロスを用いることができる。具体的には、例えば表面をポリ四フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と、当該コーティングがなされていない炭素繊維とを所定の割合とした糸で織成したカーボンクロスにより形成することができる。   In particular, the oxygen electrode and the fuel electrode preferably include a catalyst layer containing the electrode catalyst of the present invention and a gas diffusion layer. In order for the electrode reaction to proceed smoothly, the electrode catalyst is preferably in contact with the solid polymer electrolyte membrane. The gas diffusion layer functions as a supporting current collector having a current collecting function. Furthermore, it has a function of sufficiently supplying gas to the electrode catalyst. As the gas diffusion layer, those similar to those conventionally used in this kind of technical field can be used. For example, carbon paper and carbon cloth which are porous materials can be used. Specifically, it can be formed by, for example, a carbon cloth woven with yarns having a predetermined ratio of carbon fibers whose surfaces are coated with polytetrafluoroethylene and carbon fibers that are not coated.

固体高分子電解質としては、この種の技術分野において従来用いられてきたものと同様のものを用いることができる。例えばパーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体膜、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン導電体の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン導電体などが挙げられる。   As the solid polymer electrolyte, those similar to those conventionally used in this kind of technical field can be used. For example, a perfluorosulfonic acid polymer-based proton conductor film, a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, or an organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with a proton conductor functional group And proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution.

前記膜電極接合体は、その各面にセパレータが配されて固体高分子形燃料電池となされる。セパレータとしては、例えばガス拡散層との対向面に、一方向に延びる複数個の凸部(リブ)が所定間隔をおいて形成されているものを用いることができる。隣り合う凸部間は、断面が矩形の溝部となっている。この溝部は、燃料ガス及び空気等の酸化剤ガスの供給排出用流路として用いられる。燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段からそれぞれ供給される。膜電極接合体の各面に配されるそれぞれのセパレータは、それに形成されている溝部が互いに直交するように配置されることが好ましい。以上の構成が燃料電池の最小単位を構成しており、この構成を数十個〜数百個並設してなるセルスタックから燃料電池を構成することができる。   The membrane electrode assembly is provided with a separator on each surface to form a polymer electrolyte fuel cell. As the separator, for example, a separator in which a plurality of protrusions (ribs) extending in one direction are formed at a predetermined interval on the surface facing the gas diffusion layer can be used. Between adjacent convex parts, it is a groove part with a rectangular cross section. The groove is used as a supply / discharge flow path for an oxidant gas such as fuel gas and air. The fuel gas and the oxidant gas are supplied from the fuel gas supply unit and the oxidant gas supply unit, respectively. Each separator disposed on each surface of the membrane electrode assembly is preferably disposed so that the grooves formed therein are orthogonal to each other. The above configuration constitutes the minimum unit of the fuel cell, and a fuel cell can be configured from a cell stack in which several tens to several hundreds of this configuration are arranged in parallel.

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば前記実施形態においては、本発明の電極触媒を、固体高分子電解質形燃料電池の電極触媒として用いた例を中心に説明したが、本発明の電極触媒を、固体高分子電解質形燃料電池以外の燃料電池、例えばアルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池、直接メタノール形燃料電池などなどの各種燃料電池における電極触媒として用いることができる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the preferable embodiment, this invention is not restrict | limited to the said embodiment. For example, in the above-described embodiment, the example in which the electrode catalyst of the present invention is used as an electrode catalyst of a solid polymer electrolyte fuel cell has been mainly described. However, the electrode catalyst of the present invention is not a solid polymer electrolyte fuel cell. It can be used as an electrode catalyst in various fuel cells such as alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, direct methanol fuel cells, and the like.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「%」及び「部」はそれぞれ「質量%」及び「質量部」を意味する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples. Unless otherwise specified, “%” and “part” mean “% by mass” and “part by mass”, respectively.

〔実施例1〕
(i)担体の製造
図1及び図2に示す火炎法合成装置を用いた。この装置は、特許文献2(US2012/0295184A1)の図2及び図3に記載されているものと同様のものである。添加元素としてニオブを用いた。原料を火炎中に移送するためのキャリア酸素、火炎形成のための酸素及びプロパンガスを9L/min、5L/min及び1L/minの流量で、それぞれ図2に示すキャリア酸素導入部36及びスプレーノズルのガス導入部31及び32から導入し、ガス混合機33にて混合した。混合ガスはステンレス管34へ導入され、バーナー40にて化学炎を生成させた。
[Example 1]
(I) Production of carrier The flame method synthesizer shown in FIGS. 1 and 2 was used. This apparatus is the same as that described in FIGS. 2 and 3 of Patent Document 2 (US2012 / 0295184A1). Niobium was used as an additive element. Carrier oxygen for transferring the raw material into the flame, oxygen for forming the flame and propane gas at a flow rate of 9 L / min, 5 L / min and 1 L / min, respectively, as shown in FIG. The gas was introduced from the gas inlets 31 and 32 and mixed in the gas mixer 33. The mixed gas was introduced into the stainless steel tube 34 and a chemical flame was generated by the burner 40.

オクチル酸スズ及びオクチル酸ニオブをスズ及びニオブのモル比で0.99:0.01の割合でターペンオイルに溶解させて溶液を調製し、この溶液を前記火炎法合成装置の溶液導入部35へ1分間に1〜10gの量で導入するとともに、キャリアガス導入部36に入れられた酸素ガスによって、混合機37及びステンレス管38を通過させた。溶液中でのオクチル酸スズ及びオクチル酸ニオブの濃度は、スズ及びニオブに換算してそれぞれ13.6%及び0.11%であった。   A solution is prepared by dissolving tin octylate and niobium octylate in terpene oil at a molar ratio of tin and niobium of 0.99: 0.01, and this solution is supplied to the solution introduction unit 35 of the flame method synthesizer. While introducing in an amount of 1 to 10 g per minute, the mixer 37 and the stainless steel tube 38 were passed by the oxygen gas put in the carrier gas introduction part 36. The concentrations of tin octylate and niobium octylate in the solution were 13.6% and 0.11%, respectively, in terms of tin and niobium.

この溶液をフルイドノズル、エアノズル、リテーナーキャップ39を介してミストにして、バーナー40によって化学炎中に導入した。化学炎の温度はプロパンガスとターペンオイルの燃焼熱によって約1400℃に上昇し、その化学炎中にてニオブ含有酸化スズからなる担体が得られた。図2において生成した粉末は回収フィルター27にて回収された。
前記火炎法では粉体合成時の環境がしばしば非平衡状態と成り得るため、得られた粉体が経時変化する可能性がある。そこで、平衡状態下での熱処理による安定化を目的として上記の手順で得られた担体を、ロータリーキルン(アルファ技研社製)を用いて熱処理した。
ニオブ含有酸化スズ5gを直径5cmのタンマン管に挿入し、炉心管を6rpmの回転速度で回転させた。解放空気環境下にて、5℃/分で昇温し、800℃で4時間保持した。その後5℃/分で室温付近まで降温した後に粉体を回収した。この担体を透過型電子顕微鏡で観察したところ、5個以上の粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有していることが確認された。粒子の平均粒径は20nmであった。
This solution was made into a mist through a fluid nozzle, an air nozzle, and a retainer cap 39 and introduced into the chemical flame by the burner 40. The temperature of the chemical flame was raised to about 1400 ° C. by the combustion heat of propane gas and terpene oil, and a support made of niobium-containing tin oxide was obtained in the chemical flame. The powder produced in FIG. 2 was recovered by the recovery filter 27.
In the flame method, the environment during powder synthesis can often be in a non-equilibrium state, so that the obtained powder may change over time. Then, the support | carrier obtained by said procedure was heat-processed using the rotary kiln (made by Alpha Giken) for the purpose of stabilization by the heat processing in an equilibrium state.
5 g of niobium-containing tin oxide was inserted into a Tamman tube having a diameter of 5 cm, and the core tube was rotated at a rotation speed of 6 rpm. In an open air environment, the temperature was raised at 5 ° C./min and held at 800 ° C. for 4 hours. Thereafter, the temperature was lowered to about room temperature at 5 ° C./min, and the powder was recovered. When this support was observed with a transmission electron microscope, it was confirmed that five or more particles had a chain structure portion connected in a bead shape. The average particle size of the particles was 20 nm.

(ii)貴金属を含む触媒の担持
5mlのHPtCl溶液(Pt1gに相当)を蒸留水295mLに溶解させ、15.3gのNaHSOにより還元後、1400mLの蒸留水で希釈した。NaOH5%水溶液を加えて、pHを約5に調整を行いながら35%過酸化水素(120mL)を滴下し白金のコロイドを含む液を得た。このとき、NaOH5%水溶液を適宜加えて液のpHを約5に維持した。前記の手順で調製して得られたコロイド液は1g分の白金を含んでいる。ここで、4gの担体に担持したときの白金の理論濃度が5質量%となるように(溶液中に含まれる白金量が0.21gとなるよう)コロイド溶液を分取した。その後4gの担体を添加し、90℃で3時間混合した。その後、液を冷却し、更に固液分離した。固液分離により得られた含水した粉体中から塩化物イオンを除去するために、1500mLの蒸留水で再び希釈し90℃で1時間煮沸を行い、液を冷却し固液分離した。この洗浄作業を4回実施した。最後に、固液分離後、大気下にて60℃で12時間にわたり乾燥させた。これによって、担体の表面に不定比の貴金属酸化物を含む白金を担持させた。次いで、この担体を窒素で希釈した1vol%水素雰囲気下に150℃で2時間にわたり熱処理した。これによって白金の還元及び白金とスズとの合金化を行った。このようにして、目的とする電極触媒を得た。この電極触媒における白金の担持量は3.9%であった。また、白金とスズとの合金化は、X線光電子分光(XPS)によって確認した。XPS測定はアルバックファイ社製5800シリーズを用い、X線源はAlのKαの単色光(hν=1486.58eV)、エネルギーステップ0.025eV、試料と検出器の角度は45°、試料の分析領域は直径0.8mmの円で実施した。検出器の校正はAg3d5/2(368.26eV)、Pt4f7/2(71.12eV)、Fermi Edge(0eV)の3点を用いて実施した。試料は0.15gの粉末を150MPaの圧力で1.5分圧縮することで得られたペレットを用いた。その結果を図4に示す。同図から明らかなとおり、485.3eV付近にSnの3d5/2のピークを確認し、合金が形成されていることを確認した。
一方、XRDはリガク社製Ultima4を用い、X線源としてCu Kα(0.15406nm、40kV、40mA)を用いた。XRDによって確認した結果を図5に示す。同図から明らかなとおり、PtSn合金は確認されずPt単味のピークよりもわずかにシフトしたピークが確認され、その結晶系は立方晶であった。
白金のうち、スズと合金化している割合は1.8%であった。これはXPSにおける全Sn3d5/2スペクトルピーク面積における485.3eVに頂点を有するピーク面積の割合である。以下、全Sn3d5/2スペクトルピーク面積に対して、先に述べた486.0eV未満484.9eV以上の範囲に頂点を有するピークの面積が占める割合を、合金化割合1とする。
一方、合金化は担体上に白金が存在する部分でしか形成しないと考えられるため、白金による担体の面積被覆率を考慮して、白金と担体の接触面積あたりにおける合金の面積比率に換算した。以下これを以下合金化割合2とする。その結果、前記割合は22.3%であった。電極触媒担体のBET比表面積は25m/gであった。
接触面積は以下のようにして算出した。ICPにより分析した白金担持率から担体1gあたりに存在する白金量(g)を算出し、白金の密度を用い体積に換算した。その後、白金の粒径を用いて担体1gあたりに存在する白金粒子数を真球換算で算出した。白金と担体の接触面積は白金粒子数×2×白金粒子の半球断面積とした(後述する図3参照)。白金粒子径は透過電子顕微鏡(TEM)で約100個の白金粒子を観察することで算出した。観察の結果、担持した白金及びその合金と思われる粒子は担体に対して半球状に接合していることが多かったため×2の因子を採用した(後述する図3参照)。
(Ii) Loading of catalyst containing noble metal 5 ml of a H 2 PtCl 6 solution (corresponding to 1 g of Pt) was dissolved in 295 mL of distilled water, reduced with 15.3 g of NaHSO 3 and diluted with 1400 mL of distilled water. NaOH 5% aqueous solution was added to adjust the pH to about 5, and 35% hydrogen peroxide (120 mL) was added dropwise to obtain a liquid containing platinum colloid. At this time, NaOH 5% aqueous solution was appropriately added to maintain the pH of the solution at about 5. The colloidal solution obtained by the above procedure contains 1 g of platinum. Here, the colloidal solution was fractionated so that the theoretical concentration of platinum when it was supported on 4 g of carrier was 5 mass% (the amount of platinum contained in the solution was 0.21 g). Then 4 g of carrier was added and mixed at 90 ° C. for 3 hours. Thereafter, the liquid was cooled and further solid-liquid separated. In order to remove chloride ions from the water-containing powder obtained by solid-liquid separation, it was diluted again with 1500 mL of distilled water and boiled at 90 ° C. for 1 hour, and the liquid was cooled and solid-liquid separated. This washing operation was performed four times. Finally, after solid-liquid separation, it was dried at 60 ° C. for 12 hours in the atmosphere. As a result, platinum containing a non-stoichiometric noble metal oxide was supported on the surface of the support. The support was then heat-treated at 150 ° C. for 2 hours in a 1 vol% hydrogen atmosphere diluted with nitrogen. Thereby, reduction of platinum and alloying of platinum and tin were performed. Thus, the target electrode catalyst was obtained. The amount of platinum supported on this electrode catalyst was 3.9%. Moreover, the alloying of platinum and tin was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The XPS measurement uses the ULVAC-PHI 5800 series, the X-ray source is Al Kα monochromatic light (hν = 1486.58 eV), the energy step is 0.025 eV, the angle between the sample and the detector is 45 °, the analysis area of the sample Was performed with a circle having a diameter of 0.8 mm. Calibration of the detector was performed using three points of Ag3d 5/2 (368.26 eV), Pt4f 7/2 (71.12 eV), and Fermi Edge (0 eV). The sample used was a pellet obtained by compressing 0.15 g of powder at 150 MPa for 1.5 minutes. The result is shown in FIG. As is clear from the figure, a 3d 5/2 peak of Sn was confirmed in the vicinity of 485.3 eV, and it was confirmed that an alloy was formed.
On the other hand, XRD used Ulima 4 manufactured by Rigaku Corporation, and Cu Kα (0.15406 nm, 40 kV, 40 mA) was used as the X-ray source. The result confirmed by XRD is shown in FIG. As is clear from the figure, no PtSn alloy was confirmed, and a peak slightly shifted from the Pt simple peak was confirmed, and the crystal system was cubic.
The proportion of platinum alloyed with tin was 1.8%. This is the ratio of the peak area having a peak at 485.3 eV in the total Sn3d 5/2 spectral peak area in XPS. Hereinafter, the ratio of the peak area having the apex in the range of less than 486.0 eV and 484.9 eV or more to the total Sn3d 5/2 spectral peak area is referred to as an alloying ratio 1.
On the other hand, since alloying is thought to be formed only in the portion where platinum is present on the support, the area ratio of the alloy per contact area of platinum and the support was converted in consideration of the area coverage of the support by platinum. This is hereinafter referred to as an alloying ratio of 2. As a result, the ratio was 22.3%. The BET specific surface area of the electrode catalyst carrier was 25 m 2 / g.
The contact area was calculated as follows. The amount (g) of platinum present per 1 g of the carrier was calculated from the platinum loading analyzed by ICP, and converted to volume using the density of platinum. Thereafter, the number of platinum particles per 1 g of the carrier was calculated in terms of true spheres using the particle diameter of platinum. The contact area between platinum and the carrier was the number of platinum particles × 2 × the hemispherical cross-sectional area of platinum particles (see FIG. 3 described later). The platinum particle diameter was calculated by observing about 100 platinum particles with a transmission electron microscope (TEM). As a result of observation, the supported platinum and its alloy particles were often hemispherically bonded to the support, and therefore a factor of x2 was adopted (see FIG. 3 described later).

〔実施例2及び3並びに比較例1〕
実施例1の(ii)において、4gの担体に担持したときの白金の理論濃度が所望の濃度(10%(実施例2)、20%(実施例3)、0.5%(比較例1))となるようにコロイド液量を調整した以外は実施例1と同様にして電極触媒を得た。実施例2及び3並びに比較例1における電極触媒における白金の担持量、白金のうち、スズと合金化している割合(合金化割合1、2)をそれぞれ表1に示す。図3に、実施例2で得られた電極触媒のTEM像を示す。同図から明らかなとおり、貴金属を含む触媒は、その多くが、担体に対して半球状に付着している。
[Examples 2 and 3 and Comparative Example 1]
In Example 1 (ii), the theoretical concentration of platinum when supported on 4 g of carrier is the desired concentration (10% (Example 2), 20% (Example 3), 0.5% (Comparative Example 1). )) An electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of the colloidal solution was adjusted. Table 1 shows the amount of platinum supported in the electrode catalysts in Examples 2 and 3 and Comparative Example 1, and the proportion of platinum alloyed with tin (alloying proportions 1 and 2). FIG. 3 shows a TEM image of the electrode catalyst obtained in Example 2. As is clear from the figure, most of the catalysts containing noble metals are attached to the support in a hemispherical shape.

〔実施例4及び5〕
実施例3の(ii)において、白金の活性化及び白金とスズとの合金化を行うときの熱処理の温度を250℃(実施例4)及び300℃(実施例5)とした以外は実施例3と同様にして電極触媒を得た。
実施例4においては、電極触媒における白金の担持量は13.3質量%であった。XPS測定の結果を図6に示す。同図から明らかなとおり、485.9eV付近にSnの3d5/2のピークを確認し、合金が形成されていることを確認した。一方、XRD測定の結果を図5に示す。同図から明らかなとおり、PtSn合金は確認されずPt単味のピークよりもわずかにシフトしたピークが確認され、XRDによって確認した合金の結晶系は立方晶であった。白金のうち、スズと合金化している合金化割合1は7.6%であった。合金化割合2は39.0%であった。電極触媒担体のBET比表面積は25m/gであった。
実施例5においては、電極触媒における白金の担持量は13.3質量%であった。XPS測定の結果を図6に示す。同図から明らかなとおり、485.7eV付近にSnの3d5/2のピークを確認し、合金が形成されていることを確認した。一方XRD測定の結果を図5に示す。同図から明らかなとおり、合金はPtSnでありその結晶系は六方晶であった。白金のうち、スズと合金化している合金化割合1は4.4%であった。合金化割合2は31.0%であった。電極触媒担体のBET比表面積は25m/gであった。
[Examples 4 and 5]
In Example 3 (ii), except that the temperature of the heat treatment for activation of platinum and alloying of platinum and tin was set to 250 ° C. (Example 4) and 300 ° C. (Example 5). In the same manner as in Example 3, an electrode catalyst was obtained.
In Example 4, the amount of platinum supported on the electrode catalyst was 13.3% by mass. The result of XPS measurement is shown in FIG. As is clear from the figure, a 3d 5/2 peak of Sn was confirmed in the vicinity of 485.9 eV, and it was confirmed that an alloy was formed. On the other hand, the result of the XRD measurement is shown in FIG. As is clear from the figure, no PtSn alloy was confirmed, and a peak slightly shifted from the peak of Pt was confirmed, and the crystal system of the alloy confirmed by XRD was cubic. Of platinum, the alloying ratio 1 alloyed with tin was 7.6%. The alloying ratio 2 was 39.0%. The BET specific surface area of the electrode catalyst carrier was 25 m 2 / g.
In Example 5, the amount of platinum supported on the electrode catalyst was 13.3% by mass. The result of XPS measurement is shown in FIG. As is clear from the figure, a 3d 5/2 peak of Sn was confirmed in the vicinity of 485.7 eV, and it was confirmed that an alloy was formed. On the other hand, the result of the XRD measurement is shown in FIG. As is clear from the figure, the alloy was PtSn and its crystal system was hexagonal. Of platinum, the alloying ratio 1 alloyed with tin was 4.4%. The alloying ratio 2 was 31.0%. The BET specific surface area of the electrode catalyst carrier was 25 m 2 / g.

〔実施例6〕
実施例1の(i)において、担体におけるニオブの含有率を4%とした以外は実施例1と同様にして電極触媒を得た。この担体の透過型電子顕微鏡像を図7に示す。同図から明らかなとおり、この担体は、複数個の粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有している。
Example 6
An electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1 except that the niobium content in the support was 4% in Example 1 (i). A transmission electron microscope image of this carrier is shown in FIG. As is apparent from the figure, this carrier has a chain structure portion in which a plurality of particles are linked in a beaded manner.

〔実施例7〕
実施例4において、白金の活性化及び白金とスズとの合金化を行うときの熱処理を、濃度100%の水素雰囲気下に、2時間にわたり行った。これ以外は実施例4と同様にして電極触媒を得た。得られた電極触媒について実施例4と同様の評価を行った。その結果を表1に示す。
Example 7
In Example 4, the heat treatment for activation of platinum and alloying of platinum and tin was performed for 2 hours in a hydrogen atmosphere with a concentration of 100%. Except this, it carried out similarly to Example 4, and obtained the electrode catalyst. Evaluation similar to Example 4 was performed about the obtained electrode catalyst. The results are shown in Table 1.

〔比較例2〕
本比較例は、ニオブ含有していない担体を用いた例である。実施例1の(i)において、担体の製造時にオクチル酸ニオブを用いなかった。これ以外は実施例1と同様にして電極触媒を得た。
[Comparative Example 2]
This comparative example is an example using a carrier not containing niobium. In Example 1 (i), niobium octylate was not used during the production of the carrier. Except for this, an electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1.

〔比較例3〕
本比較例は、担体に白金を担持させなかった例である。実施例6において、(ii)の工程を行わなかった。これ以外は実施例6と同様にした。
[Comparative Example 3]
In this comparative example, platinum is not supported on the carrier. In Example 6, the step (ii) was not performed. Except this, the procedure was the same as in Example 6.

〔比較例4〕
本比較例は、粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有さない担体を用いた例である。スズ酸ナトリウム三水和物を88.493g秤取し、これに純水を加えて1064gとした後撹拌・溶解してスズ酸ナトリウム溶液を得た。塩化ニオブ(NbCl)を3.6322g秤取し、無水エタノール83mlに溶解し、これに12g/Lの硝酸溶液902gを加えて塩化ニオブ硝酸溶液を得た。この塩化ニオブ硝酸溶液をスズ酸ナトリウム溶液に加えた後1時間撹拌した。濾過中の上澄み液の電気伝導度が45mS/cm以下になるまで濾過・純水洗浄した。得られたケーキを120℃で一晩乾燥し、乳鉢により解砕した。解砕物を大気中800℃で5時間焼成後、25gの焼成粉を100gの純水と混合してスラリーとなし、このスラリーをボールミルで16時間粉砕した。その後スラリーを濾過し、濾過ケーキを大気下に120℃で乾燥し、乾燥物を100μmで篩通した。このようにして得られた粒子を担体として用いた。これ以外は実施例6と同様にして電極触媒を得た。この担体の透過型電子顕微鏡像を図8に示す。同図から明らかなとおり、この担体は、複数個の粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有していない。
[Comparative Example 4]
This comparative example is an example in which a carrier having no chain structure portion in which particles are arranged in a bead shape is used. 88.493 g of sodium stannate trihydrate was weighed, and pure water was added thereto to make 1064 g, followed by stirring and dissolution to obtain a sodium stannate solution. 3.6322 g of niobium chloride (NbCl 5 ) was weighed and dissolved in 83 ml of absolute ethanol, and 902 g of a 12 g / L nitric acid solution was added thereto to obtain a niobium chloride nitric acid solution. The niobium chloride nitric acid solution was added to the sodium stannate solution and stirred for 1 hour. Filtration and pure water washing were performed until the electrical conductivity of the supernatant liquid during filtration was 45 mS / cm or less. The obtained cake was dried at 120 ° C. overnight and crushed with a mortar. After the pulverized product was calcined at 800 ° C. for 5 hours in the atmosphere, 25 g of the calcined powder was mixed with 100 g of pure water to form a slurry, and this slurry was pulverized with a ball mill for 16 hours. Thereafter, the slurry was filtered, the filter cake was dried at 120 ° C. in the air, and the dried product was sieved at 100 μm. The particles thus obtained were used as a carrier. Except this, it carried out similarly to Example 6, and obtained the electrode catalyst. A transmission electron microscope image of this carrier is shown in FIG. As is apparent from the figure, this carrier does not have a chain structure portion in which a plurality of particles are linked in a bead shape.

〔比較例5〕
本比較例では、比較例4において担体に白金を担持させなかった。これ以外は比較例4と同様にした。
[Comparative Example 5]
In this comparative example, platinum was not supported on the carrier in Comparative Example 4. The rest was the same as in Comparative Example 4.

〔比較例6〕
本比較例は、Nb1mol%の系において担体に白金を担持させなかった例である。詳細には、実施例1において、(ii)の工程を行わなかった。これ以外は実施例1と同様にして電極触媒を得た。
[Comparative Example 6]
This comparative example is an example in which platinum was not supported on a carrier in a Nb 1 mol% system. Specifically, in Example 1, the step (ii) was not performed. Except for this, an electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1.

〔比較例7〕
本比較例は、実施例4において貴金属の還元を行わなかった例である。詳細には、実施例4において(ii−c)の工程を行わなかった。これ以外は実施例4と同様にして電極触媒を得た。
[Comparative Example 7]
This comparative example is an example where no noble metal was reduced in Example 4. Specifically, the step (ii-c) was not performed in Example 4. Except this, it carried out similarly to Example 4, and obtained the electrode catalyst.

〔評価1〕
実施例及び比較例で得られた電極触媒の導電率の測定を行った。具体的には図9に示す手法を用い1MPaの圧力下の導電率を二端子法にて測定した。抵抗測定には鶴賀電気株式会社の抵抗計3565を用いた。1MPaの圧力は固体高分子形燃料電池の電極触媒層に通常印加される圧力を模したものである。電極の役目を果たすアルミニウム箔(2.5cm×12cm及び3cm×17cm)を試料上下に設置した状態で加圧し、導電率を測定した。二端子法において通常含まれる接触抵抗は下記の方法で除去した。0.5g、1.5g、2.0gのように充填量を変えることで一定圧力下での「試料厚み」を調整し、x軸に試料厚み、y軸に抵抗をとったグラフにおいて、試料厚みが0となるy切片を二端子法における接触抵抗として算出し、測定値から差し引き試料の抵抗を算出した。圧粉体の寸法から抵抗率を算出し、その逆数をとることで導電率を算出した。測定結果を以下の表1に示す。また、白金を担持させる前の担体についても同様の測定を行い、白金の担持の前後での導電率の変化(担持後の導電率/担持前の導電率)を求めた。その結果も表1に示す。
[Evaluation 1]
The conductivity of the electrode catalyst obtained in the examples and comparative examples was measured. Specifically, the electrical conductivity under a pressure of 1 MPa was measured by the two-terminal method using the method shown in FIG. Resistance meter 3565 of Tsuruga Electric Co., Ltd. was used for resistance measurement. The pressure of 1 MPa simulates the pressure normally applied to the electrode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell. An aluminum foil (2.5 cm × 12 cm and 3 cm × 17 cm) serving as an electrode was pressed in a state where it was placed above and below the sample, and the conductivity was measured. The contact resistance usually included in the two-terminal method was removed by the following method. In the graph where the “sample thickness” under a constant pressure is adjusted by changing the filling amount such as 0.5 g, 1.5 g, and 2.0 g, and the sample thickness is plotted on the x axis and the resistance is plotted on the y axis, The y-intercept with a thickness of 0 was calculated as the contact resistance in the two-terminal method, and the resistance of the sample was calculated by subtracting from the measured value. The resistivity was calculated from the dimensions of the green compact, and the reciprocal thereof was used to calculate the conductivity. The measurement results are shown in Table 1 below. The same measurement was performed on the carrier before carrying platinum, and the change in conductivity before and after carrying platinum (conductivity after carrying / conductivity before carrying) was determined. The results are also shown in Table 1.

更に、実施例及び比較例で得られた電極触媒のXRD、XPSによる合金の評価を行った。これらの結果を表1に示す。   Furthermore, the alloys of the electrode catalysts obtained in Examples and Comparative Examples were evaluated by XRD and XPS. These results are shown in Table 1.

表1に示す結果から明らかなとおり、各実施例で得られた電極触媒は、比較例の電極触媒に比べて導電率が高いことが判る。また、白金の担持の前後での導電率の変化が非常に大きいことも判る。   As is clear from the results shown in Table 1, it can be seen that the electrocatalysts obtained in the respective examples have higher electrical conductivity than the electrocatalysts of the comparative examples. It can also be seen that the change in conductivity before and after platinum loading is very large.

特に、比較例6(白金担持なし)及び比較例7(実施例4と同量の白金担持あり・還元合金化なし)と比べて、XPSにて合金を確認した実施例1ないし4の導電率が大きく向上していることが判る。これは、合金化による導電率の向上効果を示している。
また、比較例4と5における白金担持・還元後の導電率の向上率と、比較例3と実施例6における白金担持・還元後の導電率の向上率を比べると、後者の方が約10倍大きいことが判る。本結果は粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有している担体(図7参照)が、そのような部位を有していない担体(図8参照)に比べ、白金担持・還元による導電率向上効果が優れていることを示している。
In particular, compared to Comparative Example 6 (without platinum support) and Comparative Example 7 (with the same amount of platinum support and no reduction alloying as in Example 4), the conductivity of Examples 1 to 4 whose alloys were confirmed by XPS It can be seen that is greatly improved. This shows the effect of improving conductivity by alloying.
Further, when the improvement rate of the conductivity after platinum loading / reduction in Comparative Examples 4 and 5 is compared with the improvement rate of the conductivity after platinum loading / reduction in Comparative Example 3 and Example 6, the latter is about 10%. You can see that it is twice as big. This result shows that the support (see FIG. 7) having a chain structure part in which the particles are arranged in a bead shape is based on platinum loading / reduction as compared with the support (see FIG. 8) not having such a part. It shows that the conductivity improvement effect is excellent.

更に実施例4及び5から、合金の結晶系は立方晶及び六方晶のどちらでも導電率の向上効果があるが、六方晶の方が一層導電率の向上率が高いことが判る。   Furthermore, from Examples 4 and 5, it can be seen that the crystal system of the alloy is either cubic or hexagonal, but the conductivity is improved, but the hexagonal crystal has a higher conductivity.

更に比較例2と、実施例1及び実施例6との比較から、ニオブ含有率が多いほど還元後の導電率の向上率がよいことが判る。特に、比較例2では白金担持・還元後の導電率の向上が約2倍となっており、実施例1及び実施例6に比べてはるかに小さいことが判る。このことは、ドーパントであるNbの存在が極めて重要であり、ドーパントの存在によって担体の導電率がある程度まで向上していることが重要であることを示していると考えられる。Pt担持や還元を行わない場合において、酸化スズにニオブをドープした系では、ドーパントによる導電率向上効果はニオブ濃度が約0.1mol%程度から観察されるので、本実施例での最低ニオブ濃度は1mol%であるが、約0.1mol%程度から導電率の向上効果が発現するものと推測される。
また、ニオブをその濃度が8mol%程度になるまでドープしても、Pt担持や還元とは関係のない担体の導電率は、ニオブ濃度4mol%と比べて大きくは変化しないことを、本発明者らは確認している。また、パーコレーション理論の観点から、ニオブ濃度が8mol%を超えても40mol%程度までは、Pt担持や還元とは関係のない担体の導電率は同様に高い値を維持するものと推測される。よって、少なくともニオブ濃度が約40mol%程度までは導電率の向上効果があるものと推測される。
Furthermore, it can be seen from the comparison between Comparative Example 2 and Example 1 and Example 6 that the higher the niobium content, the better the improvement rate of the conductivity after reduction. In particular, it can be seen that in Comparative Example 2, the improvement in conductivity after platinum loading and reduction is about twice, which is much smaller than in Examples 1 and 6. This is considered to indicate that the presence of the dopant Nb is extremely important, and it is important that the conductivity of the carrier is improved to some extent by the presence of the dopant. When Pt is not supported or reduced, in the system in which tin oxide is doped with niobium, the conductivity enhancement effect by the dopant is observed from a niobium concentration of about 0.1 mol%, so the lowest niobium concentration in this example Is 1 mol%, but it is estimated that the effect of improving conductivity is exhibited from about 0.1 mol%.
Further, the present inventor shows that even when doping niobium until its concentration reaches about 8 mol%, the conductivity of the carrier, which is not related to Pt loading or reduction, does not change significantly compared to the niobium concentration of 4 mol%. Have confirmed. From the viewpoint of percolation theory, it is presumed that the conductivity of the carrier unrelated to Pt loading or reduction similarly maintains a high value up to about 40 mol% even if the niobium concentration exceeds 8 mol%. Therefore, it is presumed that there is an effect of improving the conductivity at least until the niobium concentration is about 40 mol%.

〔評価2〕
実施例3及び5で得られた電極触媒について、回転ディスク電極を用いたサイクリックボルタンメトリー(CV:Cyclic Voltammetry)及び対流ボルタンメトリー(LSV:Linear Sweep Voltammetry)を行った。具体的には、以下の「電極作製」、「CV測定」及び「ORR活性評価」の順で操作を行った。
[Evaluation 2]
The electrode catalysts obtained in Examples 3 and 5 were subjected to cyclic voltammetry (CV) and convective voltammetry (LSV) using a rotating disk electrode. Specifically, operations were performed in the following order of “electrode preparation”, “CV measurement”, and “ORR activity evaluation”.

電極作製
直径5mmのグラッシーカーボン(GC)ディスク電極を1μm、0.3μm、及び0.05μmのアルミナペーストを用いて順次研磨し、その後純水を用いて超音波洗浄を行った。白金を担持し、(ii−c)に記載した還元熱処理を施した試料を90vol.%エタノール水溶液に加え、超音波ホモジナイザーにて分散させた。これをGCディスク上へ滴下し、常温で12h以上乾燥させた。乾燥後、GCディスク上の触媒に5%Nafion(登録商標)溶液を膜厚が50nmになるように滴下し、常温で12h以上乾燥させた。
The glassy carbon (GC) disk electrode of the electrode fabricated diameter 5 mm 1 [mu] m, 0.3 [mu] m, and sequentially polished using 0.05μm alumina paste was then ultrasonically washed with pure water. A sample carrying platinum and subjected to the reduction heat treatment described in (ii-c) was 90 vol. In addition to an aqueous ethanol solution, the mixture was dispersed with an ultrasonic homogenizer. This was dropped onto a GC disk and dried at room temperature for 12 hours or more. After drying, a 5% Nafion (registered trademark) solution was dropped onto the catalyst on the GC disk so as to have a film thickness of 50 nm, and dried at room temperature for 12 hours or more.

CV測定
測定は北斗電工(株)製の電気化学測定システムHZ−5000を用いて実施した。0.1MHClO水溶液にNを1時間以上パージした後、参照極に可逆水素電極(RHE)を用い、電位範囲0.05〜1.15V、掃引速度0.5V/sで60回クリーニングを実施した。その後、新しい電解液に入れ替えてCV測定を電位範囲0.05〜1.0Vで実施し本測定とした。電気化学的活性表面積(ECSA:Electrochemical Surface Area)の解析は0.4V以下に見られる水素の吸着波を用いて実施した。
The CV measurement was performed using an electrochemical measurement system HZ-5000 manufactured by Hokuto Denko Corporation. After purging N 2 in 0.1 M HClO 4 aqueous solution for 1 hour or more, using a reversible hydrogen electrode (RHE) as a reference electrode, cleaning was performed 60 times at a potential range of 0.05 to 1.15 V and a sweep rate of 0.5 V / s. Carried out. Then, it replaced with new electrolyte solution and implemented CV measurement in the electric potential range 0.05-1.0V, and was set as this measurement. The analysis of the electrochemical active surface area (ECSA) was carried out using an adsorption wave of hydrogen found at 0.4 V or less.

ORR活性評価 前記電解液に酸素ガスを1時間以上パージした後、LSVを行った。温度25℃、電位範囲0.25〜1.00V、掃引速度5mV/sで回転数は1000rpmから2750rpmまで250rpmずつ上げながら、計8条件のデータを取得した。得られた結果をKoutecky-Levichプロットを用いて解析し、0.85Vにおける活性支配電流密度j(mA/cm)及び質量比活性(A/g−Pt)の値を得た。これらの結果を以下の表2に示す。 Evaluation of ORR activity After purging the electrolyte solution with oxygen gas for 1 hour or longer, LSV was performed. Data of a total of 8 conditions were acquired while increasing the rotation speed from 1000 rpm to 2750 rpm in increments of 250 rpm at a temperature of 25 ° C., a potential range of 0.25 to 1.00 V, a sweep speed of 5 mV / s. The results obtained were analyzed using Koutecky-Levich plotted, the value obtained active dominant current density j k (mA / cm 2) and the mass specific activity (A / g -Pt) in 0.85V. These results are shown in Table 2 below.

表2に示す結果から明らかなとおり、実施例5の活性支配電流密度j(mA/cm)及び質量比活性(A/g−Pt)は、実施例3と同等であった。合金化の進行によって電極触媒の導電性が向上することは上述のとおりであるところ、酸素還元活性も低下することなく確保されていることが確認された。As is clear from the results shown in Table 2, the activity-dominated current density j k (mA / cm 2 ) and mass specific activity (A / g −Pt ) of Example 5 were equivalent to Example 3. As described above, the conductivity of the electrode catalyst is improved by the progress of alloying. As a result, it was confirmed that the oxygen reduction activity was ensured without decreasing.

〔実施例8〕
(i)担体の製造
本実施例では、酸化スズに、添加元素としてタンタルが含有された担体を製造した。実施例1での担体の製造工程において、オクチル酸スズに代えてジブチルスズビスアセチルアセトナート(日本化学産業(株)製の「ナーセムスズ」(商品名))を用い、かつオクチル酸ニオブに代えてオクチル酸タンタルを用いた。ジブチルスズビスアセチルアセトナート及びオクチル酸タンタルは、スズとタンタルのモル比が0.975:0.025となるように配合し、ターペンオイルに溶解させて溶液を調製した。溶液中でのジブチルスズビスアセチルアセトナート及びオクチル酸タンタルの濃度は、スズ及びタンタルに換算してそれぞれ13.6%及び0.53%であった。これ以外は実施例1と同様にして担体を得た。この担体を透過型電子顕微鏡で観察したところ、5個以上の粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有していることが確認された。粒子の平均粒径は20nmであった。
Example 8
(I) Production of carrier In this example, a carrier in which tantalum was contained as an additive element in tin oxide was produced. In the production process of the carrier in Example 1, dibutyltin bisacetylacetonate (“Narsemtin” (trade name) manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of tin octylate, and octyl was substituted for niobium octylate. Tantalum acid was used. Dibutyltin bisacetylacetonate and tantalum octylate were blended so that the molar ratio of tin to tantalum was 0.975: 0.025, and dissolved in terpene oil to prepare a solution. The concentrations of dibutyltin bisacetylacetonate and tantalum octylate in the solution were 13.6% and 0.53%, respectively, in terms of tin and tantalum. A carrier was obtained in the same manner as in Example 1 except for this. When this support was observed with a transmission electron microscope, it was confirmed that five or more particles had a chain structure portion connected in a bead shape. The average particle size of the particles was 20 nm.

(ii)貴金属を含む触媒の担持
実施例1の(ii)において、4gの担体に担持したときの白金の理論濃度が3.6%となるようにコロイド液量を調整した以外は実施例1と同様にして電極触媒を得た。得られた電極触媒について実施例1と同様の評価を行った。その結果を表3に示す。
(Ii) Loading of catalyst containing noble metal Example 1 except that the amount of colloidal liquid was adjusted so that the theoretical concentration of platinum when supported on 4 g of support was 3.6% in (ii) of Example 1. In the same manner as above, an electrode catalyst was obtained. The obtained electrode catalyst was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.

〔実施例9及び10〕
実施例8の(ii)において、4gの担体に担持したときの白金の理論濃度が所望の濃度(10%(実施例9)、20%(実施例10))となるようにコロイド液量を調整した以外は実施例1と同様にして電極触媒を得た。得られた電極触媒について実施例1と同様の評価を行った。その結果を表3に示す。
[Examples 9 and 10]
In Example 8 (ii), the amount of colloidal solution was adjusted so that the theoretical concentration of platinum when supported on 4 g of the carrier was the desired concentration (10% (Example 9), 20% (Example 10)). An electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1 except for the adjustment. The obtained electrode catalyst was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.

〔比較例8〕
本比較例は、実施例8において、タンタル含有の酸化スズからなる担体に白金を担持させなかった例である。すなわち実施例8において、(ii)の工程を行わなかった。これ以外は実施例8と同様にした。
[Comparative Example 8]
This comparative example is an example in which platinum was not supported on the support made of tin oxide containing tantalum in Example 8. That is, in Example 8, the step (ii) was not performed. The rest was the same as in Example 8.

表3に示す結果から明らかなとおり、各実施例で得られた電極触媒は、白金の担持の前後での導電率の変化が非常に大きいことが判る。   As is clear from the results shown in Table 3, it can be seen that the electrocatalysts obtained in each Example have a very large change in conductivity before and after the loading of platinum.

Claims (10)

酸化スズに、Nb、Sb、Ta、In及びVからなる群より選ばれる一種以上の添加元素が含有された複数個の粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有する担体と、前記担体の表面に担持された貴金属を含む触媒とを有する電極触媒であって、前記貴金属の少なくとも一部が前記担体のスズと合金を形成しており、
前記担体における前記添加元素の含有率が0.1mol%以上4mol%未満である
電極触媒。
A carrier having a chain structure portion in which a plurality of particles containing tin oxide and one or more additive elements selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta, In and V are connected in a bead shape; An electrode catalyst comprising a noble metal-supported catalyst supported on a surface, wherein at least a part of the noble metal forms an alloy with tin of the carrier;
An electrode catalyst having a content of the additive element in the carrier of 0.1 mol% or more and less than 4 mol%.
前記合金の結晶系が六方晶又は立方晶である請求項1に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to claim 1, wherein a crystal system of the alloy is hexagonal or cubic. 前記貴金属を含む触媒の担持量が前記電極触媒に対して0.2質量%超50質量%以下である請求項1ないし2のいずれか一項に記載の電極触媒。   The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 2, wherein a loading amount of the catalyst containing the noble metal is more than 0.2 mass% and not more than 50 mass% with respect to the electrode catalyst. 前記添加元素がNb又はTaである請求項1ないし3のいずれか一項に記載の電極触媒。 The electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3 , wherein the additive element is Nb or Ta. 固体高分子電解質膜の各面に酸素極及び燃料極からなる一対の電極が配置されてなる膜電極接合体において、
前記酸素極又は前記燃料極の少なくとも一方が、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の電極触媒を含んでいる膜電極接合体。
In a membrane electrode assembly in which a pair of electrodes consisting of an oxygen electrode and a fuel electrode are disposed on each surface of a solid polymer electrolyte membrane,
The membrane electrode assembly in which at least one of the oxygen electrode or the fuel electrode contains the electrode catalyst according to any one of claims 1 to 4 .
請求項5に記載の膜電極接合体と、前記膜電極接合体の各面に配されたセパレータとを備える固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 5 and a separator disposed on each surface of the membrane electrode assembly. 酸化スズに、Nb、Sb、Ta、In及びVからなる群より選ばれる一種以上の添加元素が含有された複数個の粒子が数珠状に連なった鎖状構造部位を有する担体を備える電極触媒の製造方法であって、
前記製造方法は、
貴金属を含むコロイドの前駆体を含む液に還元剤を添加して、前記前駆体を還元して貴金属を含むコロイドを生成させ、
前記担体を、貴金属を含む前記コロイドを含む液に分散し、前記担体に貴金属を含む微粒子として担持し、
前記貴金属を含む微粒子を担持した前記担体から前記液を分離して、前記担体を乾燥し、
前記貴金属を含む微粒子を担持した乾燥後の前記担体を、還元性雰囲気下に熱処理する
工程を含み、
前記熱処理の温度を150℃以上500℃以下に設定して、担持された前記貴金属の一部を前記担体のスズと合金化させる電極触媒の製造方法。
An electrode catalyst comprising a support having a chain structure portion in which a plurality of particles containing tin oxide and one or more additive elements selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta, In, and V are arranged in a bead shape A manufacturing method comprising:
The manufacturing method includes:
Adding a reducing agent to a liquid containing a precursor of a colloid containing a noble metal, reducing the precursor to produce a colloid containing a noble metal;
The carrier is dispersed in a liquid containing the colloid containing a noble metal, and supported on the carrier as fine particles containing a noble metal,
Separating the liquid from the carrier carrying the noble metal-containing fine particles, and drying the carrier;
A step of heat-treating the carrier after drying supporting fine particles containing the noble metal in a reducing atmosphere;
A method for producing an electrode catalyst, wherein a temperature of the heat treatment is set to 150 ° C. or more and 500 ° C. or less, and a part of the supported noble metal is alloyed with tin of the support.
前記熱処理の温度を250℃より高くかつ300℃より低く設定して、前記貴金属の一部をスズと合金化させる請求項7に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 7 , wherein a temperature of the heat treatment is set higher than 250 ° C. and lower than 300 ° C., and a part of the noble metal is alloyed with tin. スズ化合物及び前記添加元素を含む化合物並びにこれらの化合物を溶解させることが可能な有機溶媒を含む原料液を、化学炎中に供給し燃焼させて、前記担体を製造する請求項7又は8に記載の製造方法。 The raw material solution containing an organic solvent capable of dissolving the compound and of the compounds containing a tin compound and the additional element, by supplying in the chemical flame combustion, according to claim 7 or 8 for producing said carrier Manufacturing method. 前記担体における前記添加元素の含有率が0.1mol%以上4mol%未満である請求項7ないし9のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 7 to 9, wherein the content of the additive element in the carrier is 0.1 mol% or more and less than 4 mol% .
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014136908A1 (en) * 2013-03-06 2014-09-12 三井金属鉱業株式会社 Tantalum-containing tin oxide for fuel cell electrode material
WO2016068116A1 (en) * 2014-10-29 2016-05-06 三井金属鉱業株式会社 Electrode catalyst and method for producing same
JP6919121B2 (en) * 2016-02-29 2021-08-18 国立大学法人山梨大学 Alloy electrode catalyst and fuel cell using it
JP6315018B2 (en) 2016-04-04 2018-04-25 トヨタ自動車株式会社 Method for producing catalyst layer for fuel cell
CN112714671B (en) * 2018-10-19 2023-08-15 日本化学产业株式会社 Supported metal catalyst and method for producing the same
WO2022045004A1 (en) 2020-08-25 2022-03-03 国立大学法人山梨大学 Supported metal catalyst
JP7261417B2 (en) * 2020-12-16 2023-04-20 日本化学産業株式会社 Tin oxide crystallite strands or composite oxide crystallite strands of tin oxide and titanium oxide
WO2022145349A1 (en) 2021-01-04 2022-07-07 国立大学法人山梨大学 Supported metal catalyst

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07246336A (en) * 1994-01-24 1995-09-26 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk Anode electrode catalyst for fuel cell and production thereof
JP2005085607A (en) * 2003-09-09 2005-03-31 Mitsubishi Rayon Co Ltd Anode catalyst for fuel cell, and its manufacturing method
KR100684853B1 (en) * 2005-11-30 2007-02-20 삼성에스디아이 주식회사 Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same and fuel cell system comprising same
CA2703990C (en) * 2007-11-09 2014-10-21 Kyushu University, National University Corporation Method for producing electrode material for fuel cell, electrode material for fuel cell, and fuel cell using the electrode material for fuel cell
CN102640335B (en) * 2009-11-27 2016-12-21 国立大学法人山梨大学 High potential steady oxide carrier for high-molecular electrolyte fuel battery

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