JP6653877B2 - Pt-Zn-Ni core-shell particles - Google Patents

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Description

本発明は、Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子に関するものである。   The present invention relates to Pt—Zn—Ni-based core-shell particles.

白金(Pt)は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、アルカリ燃料電池(AFC)及び金属空気電池における電極触媒材料として機能する。具体的には、固体高分子形燃料電池(PEFC)、アルカリ燃料電池(AFC)及び金属空気電池の正極において、及び固体高分子形燃料電池(PEFC)及びアルカリ燃料電池(AFC)の負極において、Ptが触媒として使用される。   Platinum (Pt) functions as an electrode catalyst material in polymer electrolyte fuel cells (PEFC), alkaline fuel cells (AFC), and metal-air batteries. Specifically, at the positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), an alkaline fuel cell (AFC) and a metal-air battery, and at the negative electrode of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and an alkaline fuel cell (AFC), Pt is used as a catalyst.

ところで、Ptは高価であるため、使用量の低減が求められている、近年、Pt使用量の低減を図るべく、非Pt原子で構成されるコア粒子の表面にPt原子を覆ったコアシェル粒子の研究が行われている。これは、コア(核)を安価な元素である非Pt元素で構成し、かつ、触媒機能に必要な表面(シェル)をPtで構成することで、Ptの使用量を低減させるというコンセプトに基づくものである。こうすることで、純Pt粒子よりも安価に、触媒活性の高い粒子を得ることができる。   By the way, since Pt is expensive, the amount of Pt used has been demanded to be reduced. In recent years, in order to reduce the amount of Pt used, core-shell particles composed of non-Pt atoms covered with Pt atoms Research is being done. This is based on the concept that the core (nucleus) is made of a non-Pt element, which is an inexpensive element, and the surface (shell) required for the catalytic function is made of Pt, thereby reducing the amount of Pt used. Things. By doing so, particles having high catalytic activity can be obtained at lower cost than pure Pt particles.

例えば、非特許文献1(Vojuslav R. Stamenkovic et al., Science, 315, 493-497, 2007)には、PtNi(111)表面を有するコアシェル粒子が開示されている。そして、このPtNi(111)表面がPt(111)表面よりも酸素還元活性(ORR)に関して10倍以上の活性を有し、かつ、ポリマー電解質膜燃料電池(PEMFC)用の現状のPt/C触媒よりも90倍以上の活性を有することが記載されている。また、非特許文献2(Peter Strasser et al., Nature Chemistry, 2, 454-460, 2010)には、脱合金化されたコアシェル燃料電池触媒における活性の格子歪制御が検討されており、Ptリッチのシェルが、Ptのバンド構造のシフトと酸化体種の化学吸着の弱化とをもたらす圧縮歪を呈し、この知見が電極触媒活性の調整に応用可能であることが示唆されている。 For example, Non-Patent Document 1 (Vojuslav R. Stamenkovic et al., Science, 315, 493-497, 2007) discloses core-shell particles having a Pt 3 Ni (111) surface. The Pt 3 Ni (111) surface has an oxygen reduction activity (ORR) ten times or more higher than the Pt (111) surface, and the current Pt / Pt / Ni for the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). It is described as having 90 times or more the activity of the C catalyst. Non-Patent Document 2 (Peter Strasser et al., Nature Chemistry, 2, 454-460, 2010) discusses the control of lattice strain of the activity in a dealloyed core-shell fuel cell catalyst, and the Pt-rich. Exhibit a compressive strain that results in a shift in the band structure of Pt and a weakened chemisorption of oxidant species, suggesting that this finding can be applied to modulate electrocatalytic activity.

ところで、非特許文献3(Yuichiro Kurokawa et al., Journal of Applied Physics 113, 174302 (2013))には、プラズマ・ガス凝縮クラスター堆積(PGCCD)装置を用いてナノサイズのコアシェルクラスターを作製できることが述べられており、PGCCD装置によりSn1−x/Siクラスター堆積フィルムを合成したことが開示されている。 By the way, Non-Patent Document 3 (Yuichiro Kurokawa et al., Journal of Applied Physics 113, 174302 (2013)) states that a nano-sized core-shell cluster can be produced using a plasma gas condensation cluster deposition (PGCCD) apparatus. is and, it is disclosed that by combining the Sn 1-x / Si x clusters deposited film by PGCCD device.

Vojuslav R. Stamenkovic et al., Science, 315, 493-497, 2007Vojuslav R. Stamenkovic et al., Science, 315, 493-497, 2007 Peter Strasser et al., Nature Chemistry, 2, 454-460, 2010Peter Strasser et al., Nature Chemistry, 2, 454-460, 2010 Yuichiro Kurokawa et al., Journal of Applied Physics 113, 174302 (2013)Yuichiro Kurokawa et al., Journal of Applied Physics 113, 174302 (2013)

前述のとおり、従来のコアシェル粒子は、非Pt原子で構成されるコアを、Pt原子を含むシェルで覆ったものであった。しかしながら、より低いPt使用量でありながら、より高い触媒活性の高い粒子が提供できればより望ましい。   As described above, the conventional core-shell particles have a core composed of non-Pt atoms covered with a shell containing Pt atoms. However, it would be more desirable to be able to provide particles with higher catalytic activity at lower Pt usage.

本発明者らは、今般、Pt、Zn及びNiの3元素を用いてコアシェル粒子を構成すること、とりわけシェル層を主としてZn及びNiで構成し、かつ、コア粒子を主としてPt及びNiで構成することで、低減されたPt使用量でありながら、純Pt粒子と同等以上の触媒活性を呈することができるとの知見を得た。   The present inventors have recently constructed a core-shell particle using three elements of Pt, Zn and Ni, in particular, a shell layer is mainly composed of Zn and Ni, and a core particle is mainly composed of Pt and Ni. As a result, it has been found that it is possible to exhibit catalytic activity equal to or higher than that of pure Pt particles even though the amount of Pt used is reduced.

したがって、本発明の目的は、低減されたPt使用量でありながら、純Pt粒子と同等以上の触媒活性を呈することが可能なコアシェル粒子を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide core-shell particles capable of exhibiting a catalytic activity equal to or higher than that of pure Pt particles while using a reduced amount of Pt.

本発明の一態様によれば、
Pt及びNiを含むコア粒子と、
前記コア粒子を被覆する、Zn及びNiを含むシェル層と、
を備えた、Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子が提供される。
According to one aspect of the present invention,
A core particle containing Pt and Ni;
A shell layer containing Zn and Ni, which covers the core particles;
And a Pt—Zn—Ni-based core-shell particle comprising:

本発明のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子の模式断面図である1 is a schematic cross-sectional view of a Pt—Zn—Ni-based core-shell particle of the present invention. プラズマ・ガス凝縮クラスター堆積(PGCCD)装置の基本構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the basic structure of a plasma gas condensation cluster deposition (PGCCD) apparatus. 例1において作製されたPt−Zn−Ni系コアシェル粒子(Pt:63原子%)と例2(比較)において作製された純Pt粒子(Pt:100原子%)の、固体高分子形燃料電池の電流−電圧(I−V)特性を示す図である。A polymer electrolyte fuel cell comprising the Pt—Zn—Ni-based core-shell particles (Pt: 63 atomic%) produced in Example 1 and the pure Pt particles (Pt: 100 atomic%) produced in Example 2 (comparative). It is a figure which shows a current-voltage (IV) characteristic. 例1において作製されたPt−Zn−Ni系コアシェル粒子(Pt:63原子%)と例2(比較)において作製された純Pt粒子(Pt:100原子%)の、固体高分子形燃料電池の電流−出力(I−P)特性を示す図である。A polymer electrolyte fuel cell comprising the Pt—Zn—Ni-based core-shell particles (Pt: 63 atomic%) produced in Example 1 and the pure Pt particles (Pt: 100 atomic%) produced in Example 2 (comparative). It is a figure which shows a current-output (IP) characteristic. 例3において作製されたPt−Zn−Ni系コアシェル粒子(Pt:40原子%)の対流ボルタンメトリ測定結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the results of convective voltammetry measurement of the Pt—Zn—Ni-based core-shell particles (Pt: 40 at%) produced in Example 3. 例4(比較)において作製された純Pt粒子(Pt:100原子%)の対流ボルタンメトリ測定結果を示す図である。It is a figure which shows the convection voltammetry measurement result of the pure Pt particle (Pt: 100 atomic%) produced in Example 4 (comparison). 例5で作製されたPt−Zn−Ni系コアシェル粒子(Pt:31原子%)のSTEM像である。9 is a STEM image of a Pt—Zn—Ni-based core-shell particle (Pt: 31 at%) produced in Example 5. 図6Aに示されるSTEM像に対応する、STEM−EDXによるNi、Pt及びZnの元素マッピング像である。6B is an element mapping image of Ni, Pt and Zn by STEM-EDX corresponding to the STEM image shown in FIG. 6A. 図6Aに示されるSTEM像に対応する、STEM−EDXによるNi単独の元素マッピング像である。6B is an element mapping image of Ni alone by STEM-EDX corresponding to the STEM image shown in FIG. 6A. 図6Aに示されるSTEM像に対応する、STEM−EDXによるPt単独の元素マッピング像である。6B is an element mapping image of Pt alone by STEM-EDX corresponding to the STEM image shown in FIG. 6A. 図6Aに示されるSTEM像に対応する、STEM−EDXによるZn単独の元素マッピング像である。6B is an element mapping image of Zn alone by STEM-EDX corresponding to the STEM image shown in FIG. 6A. 例5で作製されたPt−Zn−Ni系コアシェル粒子(Pt:31原子%)の別のSTEM像である。9 is another STEM image of the Pt—Zn—Ni-based core-shell particles (Pt: 31 at%) produced in Example 5. 図7Aに示されるSTEM像に対応する、STEM−EDXによるNi、Pt及びZnの元素マッピング像である。7B is an element mapping image of Ni, Pt, and Zn by STEM-EDX corresponding to the STEM image shown in FIG. 7A. 図7Aに示されるSTEM像に対応する、STEM−EDXによるNi単独の元素マッピング像である。7B is an element mapping image of Ni alone by STEM-EDX corresponding to the STEM image shown in FIG. 7A. 図7Aに示されるSTEM像に対応する、STEM−EDXによるPt単独の元素マッピング像である。7B is an element mapping image of Pt alone by STEM-EDX corresponding to the STEM image shown in FIG. 7A. 図7Aに示されるSTEM像に対応する、STEM−EDXによるZn単独の元素マッピング像である。7B is an element mapping image of Zn alone by STEM-EDX corresponding to the STEM image shown in FIG. 7A.

Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子
図1に本発明のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子10(以下、コアシェル粒子10という)の模式断面図を示す。図1に模式的に示されるように、コアシェル粒子10は、コア粒子12とコア粒子を被覆するシェル層14とを備える。コア粒子12はPt及びNiを含む。また、シェル層14はZn及びNiを含む。したがって、コアシェル粒子10は全体としてPt−Zn−Ni系の基本組成を有する、すなわちPt、Zn及びNiを基本成分として含む、典型的にはPt、Zn及びNiで構成されるといえる。このようにPt、Zn及びNiの3元素を用いてコアシェル粒子を構成すること、とりわけシェル層を主としてZn及びNiで構成し、かつ、コア粒子を主としてPt及びNiで構成することで、低減されたPt使用量でありながら、純Pt粒子と同等以上の触媒活性を呈することができる。前述のとおり、従来のコアシェル粒子は、非Pt原子で構成されるコアを、Pt原子を含むシェルで覆ったものであった。これに対し、本発明のコアシェル粒子はPt原子を、粒子表面を構成するシェルよりも、むしろシェルに取り囲まれたコア内にリッチに含有させる。こうすることで、予想外にも純Pt粒子と同等以上の触媒活性を呈することができる。しかも、Pt原子はシェルに必ずしも存在する必要はなく、コアにさえ存在していればよい。それ故、Pt使用量を低減でき、コスト的にも有利となる。つまり、本発明の粒子の特徴は、従来のコアシェル粒子とは異なりPtが表面に無くても触媒活性が高く、しかもその触媒活性が純Ptと同等以上となることにある。
Pt—Zn—Ni-based core-shell particles FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the Pt—Zn—Ni-based core-shell particles 10 (hereinafter, referred to as core-shell particles 10) of the present invention. As schematically shown in FIG. 1, the core-shell particle 10 includes a core particle 12 and a shell layer 14 covering the core particle. The core particles 12 include Pt and Ni. The shell layer 14 contains Zn and Ni. Therefore, it can be said that the core-shell particles 10 have a Pt—Zn—Ni-based basic composition as a whole, that is, are typically composed of Pt, Zn, and Ni, containing Pt, Zn, and Ni as basic components. As described above, the core-shell particles are formed by using the three elements of Pt, Zn, and Ni, and in particular, the shell layer is mainly formed of Zn and Ni, and the core particles are mainly formed of Pt and Ni. Although the amount of Pt used is small, it can exhibit catalytic activity equal to or higher than that of pure Pt particles. As described above, the conventional core-shell particles have a core composed of non-Pt atoms covered with a shell containing Pt atoms. In contrast, the core-shell particles of the present invention contain Pt atoms richly in the core surrounded by the shell, rather than in the shell constituting the particle surface. This makes it possible to unexpectedly exhibit catalytic activity equal to or higher than that of pure Pt particles. Moreover, the Pt atom does not necessarily need to be present in the shell, but only needs to be present in the core. Therefore, the amount of Pt used can be reduced, which is advantageous in terms of cost. That is, the feature of the particles of the present invention is that, unlike conventional core-shell particles, the catalyst activity is high even if Pt is not present on the surface, and the catalyst activity is equal to or higher than pure Pt.

コア粒子12はPt及びNiを含み、典型的には主としてPt及びNiで構成される。コア粒子12はZnをさらに含むものであってよい。実際、プラズマ・ガス凝縮クラスター堆積(PGCCD)装置を用いて作製されたコアシェル粒子10においては、コア粒子12はZnを不可避的に含有しうる。したがって、コア粒子12単体に着目した場合、Znは不可避元素ないし不可避不純物ということもできる。コアシェル粒子10の粒子径は1〜20nmが好ましく、より好ましくは1〜15nm、さらに好ましくは1〜5nmである。   The core particles 12 include Pt and Ni, and are typically mainly composed of Pt and Ni. The core particles 12 may further include Zn. In fact, in core-shell particles 10 made using a plasma gas condensation cluster deposition (PGCCD) apparatus, core particles 12 may inevitably contain Zn. Therefore, when attention is paid to the core particle 12 alone, Zn can be said to be an unavoidable element or an unavoidable impurity. The particle diameter of the core-shell particles 10 is preferably 1 to 20 nm, more preferably 1 to 15 nm, and still more preferably 1 to 5 nm.

シェル層14は、コア粒子12を被覆する層である。シェル層14はコア粒子12を完全に被覆していてよいし、部分的に被覆していてもよい。シェル層14がコア粒子12を完全でなくとも概ね全体的に被覆していれば十分である。シェル層14の厚さは0.25〜5nmが好ましく、より好ましくは0.25〜4nm、さらに好ましくは0.25〜1.5nmである。   The shell layer 14 is a layer that covers the core particles 12. The shell layer 14 may completely cover the core particle 12 or may partially cover the core particle 12. It is sufficient for the shell layer 14 to cover the core particle 12 if not completely. The thickness of the shell layer 14 is preferably from 0.25 to 5 nm, more preferably from 0.25 to 4 nm, even more preferably from 0.25 to 1.5 nm.

シェル層14は、Zn及びNiを含む。したがって、Niはコア粒子12及びシェル層14の両方に含まれる。   The shell layer 14 contains Zn and Ni. Therefore, Ni is contained in both the core particles 12 and the shell layer 14.

シェル層14はPtを含まないのが好ましい。あるいは、シェル層14はPtを含むものであってもよいが、コア粒子12がシェル層14よりもPtに富んでいるものであればよい。いずれにしても、Ptの使用量を大幅に低減しながらも、触媒活性を向上させることができる。   The shell layer 14 preferably does not contain Pt. Alternatively, the shell layer 14 may contain Pt, but may be any as long as the core particles 12 are richer in Pt than the shell layer 14. In any case, the catalytic activity can be improved while the amount of Pt used is significantly reduced.

コアシェル粒子10の粒子径は1〜20nmが好ましく、より好ましくは1〜15nm、さらに好ましくは1〜5nmである。このような範囲内であると、PGCCD装置等を用いたスパッタリング技術で作製しやすい上に、優れた触媒活性をより実現しやすい。   The particle diameter of the core-shell particles 10 is preferably 1 to 20 nm, more preferably 1 to 15 nm, and still more preferably 1 to 5 nm. Within such a range, it is easy to produce by a sputtering technique using a PGCCD apparatus and the like, and it is easier to realize excellent catalytic activity.

Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子10の全体量に対するPtの割合は30〜70原子%であるのが好ましく、より好ましくは30〜65原子%であり、さらに好ましくは30〜50原子%である。Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子10の全体量に対するNiの割合は20〜70原子%であるのが好ましく、より好ましくは20〜60原子%であり、さらに好ましくは20〜50原子%である。Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子10の全体量に対するZnの割合は10〜50原子%であるのが好ましく、より好ましくは10〜40原子%であり、さらに好ましくは10〜30原子%であり、特に好ましくは10〜20原子%である。   The ratio of Pt to the total amount of the Pt—Zn—Ni-based core-shell particles 10 is preferably 30 to 70 atomic%, more preferably 30 to 65 atomic%, and further preferably 30 to 50 atomic%. The ratio of Ni to the total amount of the Pt—Zn—Ni-based core-shell particles 10 is preferably 20 to 70 atomic%, more preferably 20 to 60 atomic%, and further preferably 20 to 50 atomic%. The ratio of Zn to the total amount of the Pt—Zn—Ni-based core-shell particles 10 is preferably 10 to 50 atomic%, more preferably 10 to 40 atomic%, further preferably 10 to 30 atomic%, Particularly preferably, it is 10 to 20 atomic%.

本発明のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子は、優れた触媒活性を発揮できることから、固体高分子形燃料電池の正極若しくは負極、アルカリ燃料電池の正極若しくは負極、又は金属空気電池の正極に触媒として用いられるのが好ましい。   Since the Pt-Zn-Ni-based core-shell particles of the present invention can exhibit excellent catalytic activity, they can be used as a catalyst in the cathode or anode of a polymer electrolyte fuel cell, the cathode or anode of an alkaline fuel cell, or the cathode of a metal-air battery. It is preferably used.

製造方法
本発明のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子はいかなる方法により製造されたものであってもよいが、好ましくは、プラズマ・ガス凝縮クラスター堆積(PGCCD)装置を用いて製造することができる。PGCCD装置は、後述する図2に例示されるように、直流マグネトロンスパッタリング方式の原料気化装置と、希ガス中凝縮装置とを組み合せたナノクラスター試料作製装置である。PGCCD装置を用いたクラスターないし粒子の製造方法は公知であり、例えば非特許文献3(Yuichiro Kurokawa et al., Journal of Applied Physics 113, 174302 (2013))に記載されており、この文献は参照により本明細書に組み込まれる。非特許文献3や図2に記載されるようなPGCCD装置を用いたクラスターないし粒子の製造において、Ptターゲットと、Ni−Zn合金ターゲットとを対向させてスパッタリングチャンバ内に配置してスパッタリングを行い、基材上に膜状に堆積させることにより、本発明のコアシェル粒子を製造することができる。スパッタリングの方式は直流マグネトロンスパッタリングが好ましい。PGCCD装置を用いた方法により本発明のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子が形成されるメカニズムは必ずしも明らかではないが、Ptのように融点が高い元素は表面エネルギーが大きく、それ故、表面を減らすようにPtが粒子の内側に位置する傾向があるためではないかと推察される。
Manufacturing Method The Pt—Zn—Ni-based core-shell particles of the present invention may be manufactured by any method, but can be preferably manufactured using a plasma gas condensation cluster deposition (PGCCD) apparatus. The PGCCD apparatus is, as exemplified in FIG. 2 to be described later, a nanocluster sample preparation apparatus in which a DC magnetron sputtering type material vaporizer and a rare gas condensing apparatus are combined. A method for producing clusters or particles using a PGCCD apparatus is known, and is described, for example, in Non-Patent Document 3 (Yuichiro Kurokawa et al., Journal of Applied Physics 113, 174302 (2013)). Incorporated herein. In the production of clusters or particles using a PGCCD apparatus as described in Non-Patent Document 3 or FIG. 2, sputtering is performed by disposing a Pt target and a Ni—Zn alloy target in a sputtering chamber so as to face each other, The core-shell particles of the present invention can be produced by depositing them on a substrate in the form of a film. As the sputtering method, DC magnetron sputtering is preferable. The mechanism by which the Pt-Zn-Ni-based core-shell particles of the present invention are formed by a method using a PGCDD device is not necessarily clear, but an element having a high melting point, such as Pt, has a large surface energy and therefore reduces the surface. It is presumed that Pt tends to be located inside the particles as described above.

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。   The present invention will be more specifically described by the following examples.

例1
本例ではコアシェル粒子を作製し、固体高分子形燃料電池の燃料極触媒としてのコアシェル粒子の特性を調べた。具体的には以下のとおりである。
Example 1
In this example, core-shell particles were produced, and the characteristics of the core-shell particles as a fuel electrode catalyst of a polymer electrolyte fuel cell were examined. The details are as follows.

(1)コアシェル粒子の製造
図2に示される構成を有するプラズマ・ガス凝縮クラスター堆積(PGCCD)装置(株式会社日本ビーテック製)を用意した。このPGCCD装置100は、スパッタリングチャンバ102と、クラスター成長室104と、堆積チャンバ106とを備える。スパッタリングチャンバ102は、Arガス及び/又はHeガスを供給可能なガス供給口108と、上下に対向して配置される2つのターゲットホルダ112,114とを備える。クラスター成長室104は、スパッタリングチャンバ102と連通する成長ダクト116と、成長ダクト116の先端のノズル118と、ノズル118と対向して設けられるスキマー120とを備え、コンパウンド分子ポンプ(CMP)とメカニカルブースターポンプ(MBP)に連結され減圧可能とされる。堆積チャンバ106は、試料ホルダ122を備え、ターボ分子ポンプ(TMP)に連結され減圧可能とされる。試料ホルダ122は、スキマー120から放射される原子が堆積可能な位置、すなわちスキマー120と対向しかつ所定距離離れた位置に設けられる。
(1) Production of Core-Shell Particles A plasma gas condensation cluster deposition (PGCCD) apparatus (manufactured by Japan Betec) having the configuration shown in FIG. 2 was prepared. The PGCCD apparatus 100 includes a sputtering chamber 102, a cluster growth chamber 104, and a deposition chamber 106. The sputtering chamber 102 includes a gas supply port 108 that can supply an Ar gas and / or a He gas, and two target holders 112 and 114 that are arranged vertically facing each other. The cluster growth chamber 104 includes a growth duct 116 communicating with the sputtering chamber 102, a nozzle 118 at the tip of the growth duct 116, and a skimmer 120 provided to face the nozzle 118, and includes a compound molecular pump (CMP) and a mechanical booster. It is connected to a pump (MBP) and can be depressurized. The deposition chamber 106 includes a sample holder 122, and is connected to a turbo-molecular pump (TMP) so that the pressure can be reduced. The sample holder 122 is provided at a position where atoms emitted from the skimmer 120 can be deposited, that is, at a position facing the skimmer 120 and separated by a predetermined distance.

スパッタリングチャンバ102内の上側のターゲットホルダ112にPtターゲットを、下側のターゲットホルダ114にNi−Zn合金ターゲット(組成:Ni−40原子%Zn)を固定した。こうしてPtターゲットとNi−Zn合金ターゲットを対向させて配置した。PGCCD装置100内を減圧し、スパッタ出力:250W(Ptターゲットに対して)及び150W(Ni−Zn合金ターゲットに対して)、Arガス流量:400sccmの条件で、マグネトロンスパッタリングを行い、試料ホルダ上にPt原子、Ni原子及びZn原子のナノ粒子を堆積させてコアシェル粒子を得た。   A Pt target was fixed to the upper target holder 112 and a Ni—Zn alloy target (composition: Ni-40 atomic% Zn) was fixed to the lower target holder 114 in the sputtering chamber 102. In this way, the Pt target and the Ni—Zn alloy target were arranged to face each other. The inside of the PGCCD apparatus 100 is depressurized, and magnetron sputtering is performed under the conditions of a sputter output: 250 W (for a Pt target) and 150 W (for a Ni—Zn alloy target), and an Ar gas flow rate: 400 sccm, and the sample is placed on a sample holder. Core-shell particles were obtained by depositing nanoparticles of Pt, Ni and Zn atoms.

試料ホルダ122上にセットしたCuグリッド上に堆積したコアシェル粒子をTEM観察用サンプルとした。STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光分析器)(製品名:JEM−ARM200F、日本電子社製)により、コアシェル粒子に対して組成分析を行った。その結果、Pt及びNiを含むコア粒子と、Zn及びNiを含むシェル層とが確認された。また、コアシェル粒子の全体組成はPt63Ni25Zn12であった。 The core-shell particles deposited on the Cu grid set on the sample holder 122 were used as TEM observation samples. The composition of core-shell particles was analyzed by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectrometer) (product name: JEM-ARM200F, manufactured by JEOL Ltd.). As a result, core particles containing Pt and Ni and a shell layer containing Zn and Ni were confirmed. The overall composition of the core-shell particles was Pt 63 Ni 25 Zn 12 .

(2)固体高分子形燃料電池の電流−電圧(I−V)特性
上記得られたPt−Zn−Ni系コアシェル粒子(組成:Pt63Ni25Zn12)を用いて、以下に示される燃料極(触媒及び集電体)、電解質及び空気極(触媒及び集電体)を用いて固体高分子形燃料電池の測定系を構成した。
<測定系>
‐燃料極
触媒:Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子(組成:Pt63Ni25Zn12
集電体:カーボンペーパー(撥水加工が施されたもの)
‐電解質:Nafion(登録商標)(和光純薬工業社製)
‐空気極:
触媒:純Pt
集電体;カーボンペーパー(撥水加工が施されたもの)
(2) Current-Voltage (IV) Characteristics of Polymer Electrolyte Fuel Cell Using the Pt-Zn-Ni-based core-shell particles (composition: Pt 63 Ni 25 Zn 12 ) obtained above, the fuel shown below is used. The measurement system of the polymer electrolyte fuel cell was configured using the electrodes (catalyst and current collector), the electrolyte, and the air electrode (catalyst and current collector).
<Measurement system>
-Fuel electrode Catalyst: Pt-Zn-Ni-based core-shell particles (composition: Pt 63 Ni 25 Zn 12 )
Current collector: Carbon paper (water-repellent)
-Electrolyte: Nafion (registered trademark) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
-Air electrode:
Catalyst: Pure Pt
Current collector; carbon paper (water-repellent)

上記測定系を用いて以下の条件で固体高分子形燃料電池を作動させ、電流−電圧(I−V)特性と電流−出力(I−P)特性を測定した。測定結果は図3A及び3Bに示されるとおりであった。
<測定条件>
‐燃料極:純Hガス/流量:100sccm
‐空気極:純O/流量:100sccm
Using the above measurement system, the polymer electrolyte fuel cell was operated under the following conditions, and current-voltage (IV) characteristics and current-output (IP) characteristics were measured. The measurement results were as shown in FIGS. 3A and 3B.
<Measurement conditions>
-Fuel electrode: pure H 2 gas / flow rate: 100 sccm
- the air electrode: pure O 2 / flow rate: 100sccm

例2(比較)
Ni−40原子%Znターゲットの代わりにPtターゲットを250Wのスパッタ出力で用いたこと以外は例1と同様にして、純Pt粒子(組成:Pt100%)を作製した。次いで、燃料極触媒として上記純Pt粒子を用いたこと以外は例1と同様にして、固体高分子形燃料電池の電流−電圧特性(I−V)と電流−出力(I−P)特性の測定を行った。測定結果は図3A及び3Bに示されるとおりであった。
Example 2 (comparison)
Pure Pt particles (composition: 100% Pt) were produced in the same manner as in Example 1, except that a Pt target was used at a sputtering output of 250 W instead of a Ni-40 atomic% Zn target. Next, in the same manner as in Example 1 except that the pure Pt particles were used as the anode catalyst, the current-voltage characteristics (IV) and the current-output (IP) characteristics of the polymer electrolyte fuel cell were measured. A measurement was made. The measurement results were as shown in FIGS. 3A and 3B.

図3A及び3Bに示される結果から、Pt63%の例1のコアシェル粒子は、Pt100%の例2の粒子よりもPt含有量が少ないにも関わらず、I−V特性及びI−P特性がPt100%の例2よりも良好であった(すなわち同じ電流密度でのセル電圧及び出力密度が同等以上であった)。   From the results shown in FIGS. 3A and 3B, the core-shell particles of Example 1 with 63% Pt have a lower Pt content than the particles of Example 2 with 100% Pt, but their IV and IP characteristics are Pt100. % (I.e., cell voltage and power density at the same current density were equal or better).

例3
本例ではコアシェル粒子を作製し、金属空気電池の正極触媒としてのコアシェル粒子の特性を調べた。具体的には以下のとおりである。
Example 3
In this example, core-shell particles were prepared, and the characteristics of the core-shell particles as a positive electrode catalyst of a metal-air battery were examined. The details are as follows.

(1)コアシェル粒子の製造
例1と同様にして、Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子を製造した。試料ホルダ上に堆積したコアシェル粒子をサンプルとして採取し、例1と同様にしてコアシェル粒子に対して組成分析を行った。その結果、Pt及びNiを含むコア粒子と、Zn及びNiを含むシェル層とが確認された。また、コアシェル粒子の全体組成はPt40Ni42Zn18であった。
(1) Production of core-shell particles In the same manner as in Example 1, Pt-Zn-Ni-based core-shell particles were produced. The core-shell particles deposited on the sample holder were collected as a sample, and the composition of the core-shell particles was analyzed in the same manner as in Example 1. As a result, core particles containing Pt and Ni and a shell layer containing Zn and Ni were confirmed. The overall composition of the core-shell particles was Pt 40 Ni 42 Zn 18 .

(2)正極触媒の触媒活性の対流ボルタンメトリ測定
上記得られたPt−Zn−Ni系コアシェル粒子(組成:Pt40Ni42Zn18)を用いて、以下に示される作用極、電解質、対極及び参照極を用いて電気化学測定系を構成した。
<測定系>
‐作用極(正極触媒):コアシェル粒子(組成:Pt40Ni42Zn18
‐電解質:1M KOH水溶液
‐対極:Pt
‐参照極:Hg/HgO
(2) Convective Voltammetry Measurement of Catalytic Activity of Positive Electrode Catalyst Using the obtained Pt—Zn—Ni-based core-shell particles (composition: Pt 40 Ni 42 Zn 18 ), a working electrode, an electrolyte, a counter electrode and a reference shown below An electrochemical measurement system was constructed using the poles.
<Measurement system>
-Working electrode (cathode catalyst): core-shell particles (composition: Pt 40 Ni 42 Zn 18 )
-Electrolyte: 1M KOH aqueous solution-Counter electrode: Pt
-Reference electrode: Hg / HgO

<測定条件>
上記測定系を用いて以下の条件で正極触媒の触媒活性の対流ボルタンメトリ測定を行った。測定結果は図4に示されるとおりであった。
‐電位範囲:+0.1〜−0.8V(vsHg/HgO)
‐作用極回転数:500〜4000rpm(500rpm刻みで変化させた)
<Measurement conditions>
A convective voltammetry measurement of the catalytic activity of the positive electrode catalyst was performed under the following conditions using the above measurement system. The measurement results were as shown in FIG.
-Potential range: +0.1 to -0.8 V (vsHg / HgO)
-Working electrode rotation speed: 500 to 4000 rpm (changed in steps of 500 rpm)

例4(比較)
Ni−40原子%Znターゲットの代わりにPtターゲットを250Wのスパッタ出力で用いたこと以外は例1と同様にして、純Pt粒子(組成:Pt100%)を作製した。次いで、作用極(正極触媒)として上記純Pt粒子を用いたこと以外は例3と同様にして電気化学測定系を構成して、正極触媒の触媒活性の対流ボルタンメトリ測定を行った。測定結果は図5に示されるとおりであった。例3と同様の評価を行った。
Example 4 (comparison)
Pure Pt particles (composition: 100% Pt) were produced in the same manner as in Example 1, except that a Pt target was used at a sputtering output of 250 W instead of a Ni-40 atomic% Zn target. Subsequently, an electrochemical measurement system was configured in the same manner as in Example 3 except that the pure Pt particles were used as a working electrode (cathode catalyst), and convective voltammetry measurement of the catalyst activity of the cathode catalyst was performed. The measurement results were as shown in FIG. The same evaluation as in Example 3 was performed.

表1に示される結果から分かるように、Pt40%の例3のコアシェル粒子は、Pt100%の例4の粒子よりもPt含有量が少ないにも関わらず、触媒活性はPt100%の例4と同程度であった。   As can be seen from the results shown in Table 1, the core-shell particles of Example 3 with 40% Pt have the same catalytic activity as Example 4 with 100% Pt, despite having a lower Pt content than the particles of Example 4 with 100% Pt. It was about.

例5
本例ではコアシェル粒子を作製し、そのSTEM−EDXによる組成分析を行った。具体的には以下のとおりである。
Example 5
In this example, core-shell particles were prepared, and their composition was analyzed by STEM-EDX. The details are as follows.

(1)コアシェル粒子の製造
例1と同様にして、Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子を製造した。
(1) Production of core-shell particles In the same manner as in Example 1, Pt-Zn-Ni-based core-shell particles were produced.

(2)STEM−EDXによる組成分析
STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光分析器)(製品名:JEM−ARM200F、日本電子社製)により、コアシェル粒子に対して組成分析を行った。その結果、図6A〜6B及び7A〜7Eに示されるように、Pt及びNiを含むコア粒子と、Zn及びNiを含むシェル層とが確認された。また、コアシェル粒子の全体組成はPt31Ni52Zn17であった。図6Aにコアシェル粒子のSTEM−EDX像を、図6B、6C、6D及び6Eに、図6Aに示されるSTEM像に対応する、Ni、Pt及びZnの元素マッピング像、Ni単独の元素マッピング像、Pt単独の元素マッピング像、及びZn単独の元素マッピング像をそれぞれ示す。また、図7Aにコアシェル粒子の別のSTEM−EDX像を、図7B、7C、7D及び7Eに、図7Aに示されるSTEM像に対応する、Ni、Pt及びZnの元素マッピング像、Ni単独の元素マッピング像、Pt単独の元素マッピング像、及びZn単独の元素マッピング像をそれぞれ示す。
(2) Composition analysis by STEM-EDX Composition analysis of core-shell particles by STEM-EDX (scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectrometer) (product name: JEM-ARM200F, manufactured by JEOL Ltd.) Was done. As a result, as shown in FIGS. 6A to 6B and 7A to 7E, a core particle containing Pt and Ni and a shell layer containing Zn and Ni were confirmed. The overall composition of the core-shell particles was Pt 31 Ni 52 Zn 17 . FIG. 6A shows STEM-EDX images of the core-shell particles, and FIGS. 6B, 6C, 6D, and 6E show element mapping images of Ni, Pt, and Zn, corresponding to the STEM images shown in FIG. An element mapping image of Pt alone and an element mapping image of Zn alone are shown, respectively. 7A shows another STEM-EDX image of the core-shell particles, and FIGS. 7B, 7C, 7D, and 7E show the elemental mapping images of Ni, Pt, and Zn corresponding to the STEM images shown in FIG. 7A. An element mapping image, an element mapping image of Pt alone, and an element mapping image of Zn alone are shown, respectively.

10 コアシェル粒子
12 コア粒子
14 シェル層


Reference Signs List 10 core-shell particles 12 core particles 14 shell layer


Claims (8)

Pt、Zn及びNiで構成されるPt−Zn−Ni系コアシェル粒子であって、
主としてPt及びNiで構成されるコア粒子と、
前記コア粒子を被覆する、主としてZn及びNiで構成されるシェル層と、
を備えた、Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子。
Pt-Zn-Ni-based core-shell particles composed of Pt, Zn and Ni,
Core particles mainly composed of Pt and Ni;
A shell layer mainly composed of Zn and Ni, which covers the core particles;
Pt-Zn-Ni-based core-shell particles comprising:
前記シェル層がPtを含まない、請求項1に記載のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子。   The Pt-Zn-Ni-based core-shell particle according to claim 1, wherein the shell layer does not contain Pt. 前記シェル層がPtをさらに含むが、前記コア粒子が前記シェル層よりもPtに富んでいる、請求項1に記載のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子。 The Pt-Zn-Ni-based core-shell particle according to claim 1, wherein the shell layer further includes Pt, but the core particle is richer in Pt than the shell layer. 前記Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子が1〜20nmの粒子径を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子。   The Pt-Zn-Ni-based core-shell particles according to any one of claims 1 to 3, wherein the Pt-Zn-Ni-based core-shell particles have a particle diameter of 1 to 20 nm. 前記Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子の全体におけるPt、Zn及びNiの量に対するPtの割合が30〜70原子%である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子。 The Pt-Zn-Ni according to any one of claims 1 to 4, wherein a ratio of Pt to an amount of Pt, Zn, and Ni in the entire Pt-Zn-Ni-based core-shell particles is 30 to 70 atomic%. Core-shell particles. 前記Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子の全体におけるPt、Zn及びNiの量に対するNiの割合が20〜60原子%である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子。 The Pt-Zn-Ni according to any one of claims 1 to 5, wherein a ratio of Ni to an amount of Pt, Zn, and Ni in the whole of the Pt-Zn-Ni-based core-shell particles is 20 to 60 atomic%. Core-shell particles. 前記Pt−Zn−Ni系コアシェル粒子の全体におけるPt、Zn及びNiの量に対するZnの割合が10〜50原子%である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子。 The Pt-Zn-Ni according to any one of claims 1 to 6, wherein the ratio of Zn to the amount of Pt, Zn, and Ni in the whole Pt-Zn-Ni-based core-shell particles is 10 to 50 atomic%. Core-shell particles. 固体高分子形燃料電池の正極若しくは負極、アルカリ燃料電池の正極若しくは負極、又は金属空気電池の正極に触媒として用いられる、請求項1〜7のいずれか一項に記載のPt−Zn−Ni系コアシェル粒子。 The Pt- Zn-Ni-based material according to any one of claims 1 to 7, which is used as a catalyst for a positive electrode or a negative electrode of a polymer electrolyte fuel cell, a positive electrode or a negative electrode of an alkaline fuel cell, or a positive electrode of a metal-air battery. Core-shell particles.
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JP3751767B2 (en) * 1999-06-04 2006-03-01 独立行政法人科学技術振興機構 Method for producing layered cluster
JP5082187B2 (en) * 2003-10-06 2012-11-28 日産自動車株式会社 Method for producing electrode catalyst particles for polymer electrolyte fuel cell
JP4716510B2 (en) * 2006-06-13 2011-07-06 株式会社大阪真空機器製作所 Cluster manufacturing apparatus and cluster manufacturing method
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