JP6720611B2 - Method for manufacturing electrode catalyst - Google Patents

Method for manufacturing electrode catalyst Download PDF

Info

Publication number
JP6720611B2
JP6720611B2 JP2016057458A JP2016057458A JP6720611B2 JP 6720611 B2 JP6720611 B2 JP 6720611B2 JP 2016057458 A JP2016057458 A JP 2016057458A JP 2016057458 A JP2016057458 A JP 2016057458A JP 6720611 B2 JP6720611 B2 JP 6720611B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
platinum
catalyst
particles
temperature
precursor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016057458A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2017174561A (en
Inventor
一樹 在原
一樹 在原
佳久 古谷
佳久 古谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2016057458A priority Critical patent/JP6720611B2/en
Publication of JP2017174561A publication Critical patent/JP2017174561A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6720611B2 publication Critical patent/JP6720611B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、電極触媒の製造方法に関する。特に、本発明は、高活性を発揮できる電極触媒の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst. In particular, the present invention relates to a method for producing an electrode catalyst that can exhibit high activity.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子形燃料電池の構成は、一般的には、電解質膜−電極接合体(MEA)を、セパレータで挟持した構造となっている。電解質膜−電極接合体は、高分子電解質膜が一対の電極触媒層およびガス拡散性の電極(ガス拡散層;GDL)により挟持されてなるものである。 In recent years, fuel cells, which can operate at room temperature and obtain high output density, have been attracting attention as electric power sources for electric vehicles and stationary power sources in response to social demands and trends due to energy and environmental problems. The fuel cell is a clean power generation system in which the product of the electrode reaction is water in principle and has little adverse effect on the global environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. The constitution of the polymer electrolyte fuel cell is generally a structure in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is sandwiched between separators. The electrolyte membrane-electrode assembly has a polymer electrolyte membrane sandwiched between a pair of electrode catalyst layers and a gas diffusion layer (gas diffusion layer; GDL).

上記したような電解質膜−電極接合体を有する固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜を挟持する両電極(カソードおよびアノード)において、その極性に応じて以下に記す反応式で示される電極反応を進行させ、電気エネルギーを得ている。まず、アノード(負極)側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒成分により酸化され、プロトンおよび電子となる(2H→4H+4e:反応1)。次に、生成したプロトンは、電極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに電極触媒層と接触している固体高分子電解質膜を通り、カソード(正極)側電極触媒層に達する。また、アノード側電極触媒層で生成した電子は、電極触媒層を構成している導電性担体、さらに電極触媒層の固体高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通してカソード側電極触媒層に達する。そして、カソード側電極触媒層に達したプロトンおよび電子はカソード側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する(O+4H+4e→2HO:反応2)。燃料電池では、上述した電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。 In the polymer electrolyte fuel cell having the electrolyte membrane-electrode assembly as described above, in both electrodes (cathode and anode) sandwiching the polymer electrolyte membrane, it is represented by the following reaction formula according to its polarity. The electrode reaction proceeds and electric energy is obtained. First, hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode (negative electrode) side is oxidized by a catalyst component and becomes a proton and an electron (2H 2 →4H + +4e : reaction 1). Next, the produced protons reach the cathode (positive electrode) side electrode catalyst layer through the solid polymer electrolyte contained in the electrode catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane in contact with the electrode catalyst layer. Further, the electrons generated in the anode-side electrode catalyst layer are generated by the conductive carrier forming the electrode catalyst layer, the gas diffusion layer in contact with the side of the electrode catalyst layer different from the solid polymer electrolyte membrane, the separator and the outside. It reaches the cathode side electrode catalyst layer through the circuit. Then, the protons and electrons that have reached the cathode side electrode catalyst layer react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode side to generate water (O 2 +4H + +4e →2H 2 O: reaction 2). .. In the fuel cell, it becomes possible to take out electricity through the above-mentioned electrochemical reaction.

ここで、発電性能を向上させるためには、電極触媒層の電極触媒(触媒粒子)の活性および耐久性(耐久試験後の活性)の向上が重要な鍵となる。従来、活性および耐久性向上の観点から、白金を電極触媒の触媒成分として使用する必要があった。しかしながら、白金は、非常に高価であり、資源的にも稀少な金属であるため、活性や耐久性は維持しつつ、触媒粒子に占める白金含有量を低減した白金合金系触媒の開発が求められている。 Here, in order to improve the power generation performance, improvement of the activity and durability (activity after durability test) of the electrode catalyst (catalyst particles) of the electrode catalyst layer is an important key. Conventionally, from the viewpoint of improving activity and durability, it has been necessary to use platinum as a catalyst component of an electrode catalyst. However, since platinum is a very expensive metal and is a rare metal in terms of resources, it is required to develop a platinum alloy-based catalyst that reduces the platinum content in the catalyst particles while maintaining the activity and durability. ing.

例えば、特許文献1では、特定の規則度で内部構造としてL1構造を有し、特定の面積平均粒子径と個数平均粒子径との関係を有する触媒合金粒子が報告されている。特許文献1には、白金以外の金属の溶出を抑制し、また、高活性な結晶面が多く露出し、また、適切なd/d比を有しているため、活性を向上でき、また、耐久試験後の活性も高い触媒粒子を提供することができる、と記載される。 For example, Patent Document 1 has an L1 2 structure as the internal structure in a particular order parameter, the catalyst alloy particles having a relationship with a specific area average particle diameter to the number average particle size is reported. Patent Document 1 suppresses elution of metals other than platinum, exposes many highly active crystal planes, and has an appropriate d N /d A ratio, so that the activity can be improved, Further, it is described that it is possible to provide catalyst particles having high activity after the durability test.

国際公開第2015/020079号International Publication No. 2015/020079

特許文献1に記載の触媒粒子は、確かに触媒活性および耐久性に優れる。このため、特許文献1に記載の触媒粒子を電極触媒に使用した燃料電池は、高い発電効率を発揮できる。その一方、発電効率の目標に上限はなく、特に家庭用や移動体駆動用の電源などより高性能が求められる燃料電池を使用する場合には、さらなる発電効率(発電性能)の向上が求められている。 The catalyst particles described in Patent Document 1 are certainly excellent in catalytic activity and durability. Therefore, the fuel cell using the catalyst particles described in Patent Document 1 as an electrode catalyst can exhibit high power generation efficiency. On the other hand, there is no upper limit to the target of power generation efficiency, and further improvement in power generation efficiency (power generation performance) is required especially when using fuel cells that require higher performance such as power sources for homes and mobiles. ing.

したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、活性をより向上できる電極触媒の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for producing an electrode catalyst that can further improve the activity.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、触媒成分を担持した担体の熱処理条件を適切に制御することによって、上記課題を解決できることを見出し、上記課題を解決できることを見出した。 The present inventors have conducted earnest research to solve the above problems. As a result, they have found that the above problems can be solved by appropriately controlling the heat treatment conditions of the carrier supporting the catalyst component, and have found that the above problems can be solved.

本発明の方法によれば、電極触媒の比表面積を増大できる。このため、本発明の方法によって製造される電極触媒は、活性(特に質量比活性)を向上できる。 According to the method of the present invention, the specific surface area of the electrode catalyst can be increased. Therefore, the electrode catalyst produced by the method of the present invention can have improved activity (particularly mass specific activity).

本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 合金粒子の規則度の温度依存性曲線に基づいて、合金粒子が規則化/不規則化する変態温度および合金粒子の中で白金原子と非白金金属原子が相互拡散できる温度(相互拡散温度)を求める方法を説明するための図である。Based on the temperature dependence curve of the order of the alloy particles, the transformation temperature at which the alloy particles are ordered/disordered and the temperature at which platinum atoms and non-platinum metal atoms can interdiffuse in the alloy particles (interdiffusion temperature) It is a figure for demonstrating the method of calculating|requiring.

本発明の電極触媒の製造方法は、下記工程:
(a)白金原子と非白金金属原子からなる合金粒子を導電性担体に担持して、触媒前駆粒子を製造し(工程(a));および
(b)上記工程(a)で得られた触媒前駆粒子を、初期設定温度にまで加熱した後、前記初期設定温度で10分未満の間維持した後、5℃/分未満の速度で降温する(工程(b))、
ことを有する。当該構成により、電極触媒の比表面積(白金1g当たりの比表面積)の低下を抑制できる。このため、本発明の方法によって製造される電極触媒は、活性(特に質量比活性)を向上できる。本明細書では、「白金1g当たりの比表面積」を単に「比表面積」とも称する。
The method for producing an electrode catalyst of the present invention comprises the following steps:
(A) An alloy particle composed of a platinum atom and a non-platinum metal atom is supported on a conductive carrier to produce a catalyst precursor particle (step (a)); and (b) the catalyst obtained in the step (a). After heating the precursor particles to the initial setting temperature, maintaining the initial setting temperature for less than 10 minutes, and then lowering the temperature at a rate of less than 5° C./minute (step (b)),
To have that. With this configuration, it is possible to suppress a decrease in the specific surface area of the electrode catalyst (specific surface area per 1 g of platinum). Therefore, the electrode catalyst produced by the method of the present invention can have improved activity (particularly mass specific activity). In the present specification, “specific surface area per 1 g of platinum” is also simply referred to as “specific surface area”.

本発明者らは、上記特許文献1にて、特定の高活性な結晶面が露出しており、かつ、特定の面積平均粒子径と個数平均粒子径との関係を有する触媒粒子が高活性を発揮できることを見出した。本発明者らは、当該触媒粒子の活性をより向上することを目的としてさらに鋭意検討を行った。その結果、上記工程(b)に規定されるように、触媒粒子を製造する際に行う熱処理時間を短縮し、その後の降温条件を適切に制御することによって、電極触媒(触媒粒子)の活性をさらに向上できることを見出した。上記効果を奏する詳細なメカニズムは、以下のように考えられる。なお、以下のメカニズムは推測であり、本発明の技術的範囲を制限するものではない。すなわち、上記特許文献1では、規則度の調整には熱処理の温度および時間の制御が重要であると記載している。確かに特許文献1の時点では、熱処理をある程度長時間行うことによって、規則度を上げることができると推測していた。しかし、今回、上記課題を解決する手段を模索する中、熱処理を比較的高温でかつ長時間行うと、面積比活性は向上できるものの、白金1g当たりの比表面積が減少し、その結果質量比活性の向上が限定されてしまうことが分かった。このため、規則度は確保したまま、比表面積を増大できる方法についてさらに鋭意検討を行った。その結果、上述したように、比表面積の減少の主要な要因の一つであると思われる熱処理時間を短縮し、その後の降温条件を適切に制御することが有効であると推測した。詳細には、高温に保持する時間を短縮することによって、触媒粒子のシンタリングや凝集による粒子径の成長(ゆえに比表面積の低下)を抑制できる。その一方で、高温での保持時間を短縮することによって、規則度を十分向上することが困難となる。このため、ゆっくり降温(冷却)することによって、白金原子および非白金金属原子を合金(触媒)粒子内で相互拡散させ、これにより触媒粒子のシンタリングや凝集は抑えつつ、規則化を進める(規則度を上げる)ことができると考えた。 In the above-mentioned Patent Document 1, the inventors of the present invention have disclosed that a specific highly active crystal plane is exposed and a catalyst particle having a specific area average particle diameter and number average particle diameter has a high activity. I found that I can demonstrate it. The inventors of the present invention have made further studies for the purpose of further improving the activity of the catalyst particles. As a result, the activity of the electrode catalyst (catalyst particles) can be reduced by shortening the heat treatment time for producing the catalyst particles and appropriately controlling the temperature lowering condition thereafter, as defined in the step (b). We have found that it can be further improved. The detailed mechanism that achieves the above effects is considered as follows. The following mechanism is speculative and does not limit the technical scope of the present invention. That is, Patent Document 1 describes that control of the temperature and time of heat treatment is important for adjusting the degree of order. Certainly, at the time of Patent Document 1, it was presumed that the degree of order could be increased by performing the heat treatment for some time. However, this time, while seeking a means for solving the above problems, if the heat treatment is carried out at a relatively high temperature for a long time, the area specific activity can be improved, but the specific surface area per 1 g of platinum is decreased, and as a result, the mass specific activity is reduced. It has been found that the improvement of is limited. For this reason, further studies were conducted on a method capable of increasing the specific surface area while maintaining the regularity. As a result, as described above, it was estimated that it is effective to shorten the heat treatment time, which is considered to be one of the main factors for the reduction of the specific surface area, and to appropriately control the temperature lowering condition thereafter. Specifically, by shortening the time of holding at a high temperature, it is possible to suppress the growth of the particle size (and hence the decrease of the specific surface area) due to the sintering or aggregation of the catalyst particles. On the other hand, it becomes difficult to sufficiently improve the regularity by reducing the holding time at high temperature. Therefore, by slowly lowering the temperature (cooling), platinum atoms and non-platinum metal atoms are interdiffused in the alloy (catalyst) particles, thereby suppressing the sintering and agglomeration of the catalyst particles (regularization). I thought it could be done).

したがって、本発明の方法によって製造される電極触媒は、比表面積を増大させ、ゆえに少ない白金含有量であっても質量比活性を向上できる。また、本発明の方法によって製造される触媒粒子は、耐久性にも優れる。加えて、本発明の方法によって製造される電極触媒では、合金粒子は所定の割合以上で凝集せずに担体上に単分散する。このため、本発明に係る電極触媒は、家庭用や移動体駆動用の電源などより高性能が求められる燃料電池用途により好適に適用できる。すなわち、本発明の方法によって製造される電極触媒を触媒層に有する膜電極接合体および燃料電池は、発電性能に優れる。 Therefore, the electrocatalyst produced by the method of the present invention has an increased specific surface area and therefore can improve the mass specific activity even with a small platinum content. Further, the catalyst particles produced by the method of the present invention have excellent durability. In addition, in the electrocatalyst produced by the method of the present invention, the alloy particles are monodispersed on the carrier without aggregating at a predetermined ratio or more. Therefore, the electrode catalyst according to the present invention can be suitably applied to a fuel cell application in which higher performance is required, such as a power source for household use or driving of a moving body. That is, the membrane electrode assembly and the fuel cell having the electrode catalyst manufactured by the method of the present invention in the catalyst layer have excellent power generation performance.

以下、本発明の電極触媒の製造方法の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は、XおよびYを含み、「X以上Y以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%の条件で行う。 Hereinafter, one embodiment of the method for producing an electrode catalyst of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments. Further, in the present specification, “X to Y” indicating a range includes X and Y and means “X or more and Y or less”. Unless otherwise specified, operations and measurements of physical properties are carried out under the conditions of room temperature (20 to 25°C)/relative humidity of 40 to 50%.

[電極触媒の製造方法]
本発明の電極触媒の製造方法は、下記工程:
(a)白金原子と非白金金属原子からなる合金粒子を導電性担体に担持して、触媒前駆粒子を製造し(工程(a));および
(b)上記工程(a)で得られた触媒前駆粒子を、初期設定温度にまで加熱した後、前記初期設定温度で10分未満の間維持した後、5℃/分未満の速度で降温する(工程(b))、
ことを有する。
[Method for producing electrode catalyst]
The method for producing an electrode catalyst of the present invention comprises the following steps:
(A) An alloy particle composed of a platinum atom and a non-platinum metal atom is supported on a conductive carrier to produce a catalyst precursor particle (step (a)); and (b) the catalyst obtained in the step (a). After heating the precursor particles to the initial setting temperature, maintaining the initial setting temperature for less than 10 minutes, and then lowering the temperature at a rate of less than 5° C./minute (step (b)),
To have that.

(工程(a))
本工程では、白金原子と非白金金属原子からなる合金粒子を導電性担体に担持して、触媒前駆粒子を製造する。
(Process (a))
In this step, alloy particles composed of platinum atoms and non-platinum metal atoms are supported on a conductive carrier to produce catalyst precursor particles.

ここで、白金原子と非白金金属原子からなる合金粒子を導電性担体に担持する方法は、特に制限されない。例えば、白金前駆体由来の白金イオン及び非白金金属前駆体由来の非白金金属イオンを順次導電性担体上に担持してもよい(工程(a−1))。または、白金前駆体および非白金金属前駆体を含む混合液を調製し、この混合液に還元剤を添加し、白金前駆体由来の白金イオン及び非白金金属前駆体由来の非白金金属イオンを同時に導電性担体上で還元、担持してもよい(工程(a−2))。このうち、上記工程(a−2)は、国際公開第2015/020079号の[触媒粒子/触媒(電極触媒)の製造方法]の(工程(1))および(工程(2))ならびに必要であれば(工程(3))に記載されるのと同様の方法が採用できる。 Here, the method for supporting the alloy particles composed of platinum atoms and non-platinum metal atoms on the conductive carrier is not particularly limited. For example, platinum ions derived from the platinum precursor and non-platinum metal ions derived from the non-platinum metal precursor may be sequentially loaded on the conductive carrier (step (a-1)). Alternatively, a mixed solution containing a platinum precursor and a non-platinum metal precursor is prepared, a reducing agent is added to this mixed solution, and platinum ions derived from the platinum precursor and non-platinum metal ions derived from the non-platinum metal precursor are simultaneously prepared. You may reduce and carry|support on a conductive support (process (a-2)). Among these, the above step (a-2) is necessary and necessary in [Step (1)] and (Step (2)) of [Production method of catalyst particles/catalyst (electrode catalyst)] of WO 2015/020079. If so, the same method as described in (Step (3)) can be adopted.

以下、上記工程(a−1)について説明する。 Hereinafter, the step (a-1) will be described.

ここで、白金前駆体由来の白金イオン及び非白金金属前駆体由来の非白金金属イオンを順次導電性担体上に担持させる方法は特に制限されない。例えば、下記の方法がある:
白金前駆体を溶媒に添加して、白金前駆体含有液を調製する。この白金前駆体含有液に導電性担体および還元剤を添加し、白金前駆体由来の白金イオンを導電性担体上で還元、担持して、白金担持前駆粒子を含む液を得る。この白金担持前駆粒子を含む液に、非白金金属前駆体および還元剤を添加して、非白金金属前駆体由来の非白金金属イオンを導電性担体上で還元、担持して、白金/非白金金属担持前駆粒子を含む液を得る。この白金/非白金金属担持前駆粒子を加熱して合金化処理して、触媒前駆粒子を製造する。
Here, there is no particular limitation on the method of sequentially loading the platinum ions derived from the platinum precursor and the non-platinum metal ions derived from the non-platinum metal precursor on the conductive carrier. For example, here's how:
A platinum precursor is added to a solvent to prepare a platinum precursor-containing liquid. A conductive carrier and a reducing agent are added to this platinum precursor-containing liquid, and platinum ions derived from the platinum precursor are reduced and supported on the conductive carrier to obtain a liquid containing platinum-supported precursor particles. A non-platinum metal precursor and a reducing agent are added to a liquid containing the platinum-supported precursor particles, and non-platinum metal ions derived from the non-platinum metal precursor are reduced and supported on a conductive carrier to obtain platinum/non-platinum. A liquid containing metal-supported precursor particles is obtained. The platinum/non-platinum metal-supported precursor particles are heated and alloyed to produce catalyst precursor particles.

以下、上記方法について説明する。 The above method will be described below.

まず、白金前駆体を溶媒に添加して、白金前駆体含有液を調製する。ここで、白金前駆体としては、特に制限されないが、白金塩および白金錯体が使用できる。より具体的には、塩化白金酸(典型的にはその六水和物;H[PtCl]・6HO)、ジニトロジアンミン白金等の硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、テトラアンミン白金およびヘキサアンミン白金等のアンミン塩、炭酸塩、重炭酸塩、塩化白金等のハロゲン化物、亜硝酸塩、シュウ酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩ならびに水酸化物、アルコキサイドなどを使用することができる。なお、上記白金前駆体は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用されてもよい。 First, a platinum precursor is added to a solvent to prepare a platinum precursor-containing liquid. Here, the platinum precursor is not particularly limited, but a platinum salt and a platinum complex can be used. More specifically, chloroplatinic acid (typically its hexahydrate; H 2 [PtCl 6 ].6H 2 O), nitrates such as dinitrodiammine platinum, sulfates, ammonium salts, amines, tetraammine platinum and Use of ammine salts such as hexaammineplatinum, carbonates, bicarbonates, halides such as platinum chloride, inorganic salts such as nitrite and oxalic acid, carboxylates such as formates, hydroxides and alkoxides. You can In addition, the said platinum precursor may be used individually by 1 type, or may be used as a mixture of 2 or more types.

上記白金前駆体含有液の調製に使用される溶媒は、特に制限されず、使用される白金前駆体の種類によって適宜選択される。なお、上記白金前駆体含有液の形態は特に制限されず、溶液、分散液および懸濁液を包含する。均一に混合できるという観点から、白金前駆体含有液は溶液の形態であることが好ましい。具体的には、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の有機溶媒、酸、アルカリなどが挙げられる。これらのうち、白金前駆体を十分に溶解する(白金を効率よくイオン化する)という観点から、水が好ましく、純水または超純水を用いることが特に好ましい。上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。 The solvent used for preparing the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited and is appropriately selected depending on the type of platinum precursor used. The form of the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited and includes solutions, dispersions and suspensions. From the viewpoint of being able to uniformly mix, the platinum precursor-containing liquid is preferably in the form of a solution. Specific examples thereof include water, organic solvents such as methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol, acids, and alkalis. Of these, water is preferable, and pure water or ultrapure water is particularly preferable, from the viewpoint of sufficiently dissolving the platinum precursor (effectively ionizing platinum). The above solvents may be used alone or in the form of a mixture of two or more kinds.

白金前駆体含有液における白金前駆体の濃度は、特に制限されないが、金属換算で0.1〜50重量%であることが好ましく、より好ましくは0.5〜45重量%である。 The concentration of the platinum precursor in the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited, but it is preferably 0.1 to 50% by weight, and more preferably 0.5 to 45% by weight in terms of metal.

次に、上記白金前駆体含有液に導電性担体および還元剤を添加し、白金前駆体由来の白金イオンを導電性担体上で還元、担持して、白金担持前駆粒子を製造する。ここで、導電性担体および還元剤の白金前駆体含有液への添加順序は特に制限されないが、白金粒子の導電性担体上への分散のしやすさなどを考慮すると、導電性担体をまず白金前駆体含有液に添加した後、還元剤を添加することが好ましい。 Next, a conductive carrier and a reducing agent are added to the above platinum precursor-containing liquid, and platinum ions derived from the platinum precursor are reduced and supported on the conductive carrier to produce platinum-supported precursor particles. Here, the order of adding the conductive carrier and the reducing agent to the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited, but considering the ease of dispersion of the platinum particles on the conductive carrier, the conductive carrier is first treated with platinum. It is preferable to add the reducing agent after the addition to the precursor-containing liquid.

導電性担体は、合金粒子(触媒粒子)を担持するための担体、および触媒粒子と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。 The conductive carrier functions as a carrier for supporting the alloy particles (catalyst particles) and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst particles and other members. The conductive carrier may be any one having a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and having sufficient electron conductivity as a current collector, and the main component is carbon. Is preferred. In addition, "a main component is carbon" means that a carbon atom is included as a main component, and it is a concept including both consisting of only carbon atoms and substantially consisting of carbon atoms. In some cases, an element other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. The phrase "substantially composed of carbon atoms" means that impurities of about 2 to 3% by weight or less can be mixed.

導電性担体としては、具体的には、アセチレンブラック、チャンネルブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック(例えば、バルカン)、ランプブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック(登録商標)などのカーボンブラック;ブラックパール;黒鉛化アセチレンブラック;黒鉛化チャンネルブラック;黒鉛化オイルファーネスブラック;黒鉛化ガスファーネスブラック;黒鉛化ランプブラック;黒鉛化サーマルブラック;黒鉛化ケッチェンブラック;黒鉛化ブラックパール;カーボンナノチューブ;カーボンナノファイバー;カーボンナノホーン;カーボンフィブリル;活性炭;コークス;天然黒鉛;人造黒鉛などを挙げることができる。また、導電性担体として、ナノサイズの帯状グラフェンが3次元状に規則的に連結した構造を有するゼオライト鋳型炭素(ZTC)も挙げることができる。 Specific examples of the conductive carrier include carbon black such as acetylene black, channel black, oil furnace black, gas furnace black (for example, Vulcan), lamp black, thermal black, and Ketjenblack (registered trademark); black pearl. Graphitized acetylene black; Graphitized channel black; Graphitized oil furnace black; Graphitized gas furnace black; Graphitized lamp black; Graphitized thermal black; Graphitized Ketjen black; Graphitized black pearl; Carbon nanotubes; Carbon nanofibers Carbon nanohorn; carbon fibril; activated carbon; coke; natural graphite; artificial graphite and the like. Further, as the conductive carrier, zeolite template carbon (ZTC) having a structure in which nano-sized band-shaped graphene is regularly connected in a three-dimensional manner can also be mentioned.

導電性担体のBET比表面積は、触媒粒子を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは10〜5000m/g担体、より好ましくは50〜2000m/g担体とするのがよい。このようなBET比表面積であれば、導電性担体に十分な触媒粒子を担持(高分散)して、十分な発電性能を達成できる。なお、担体の「BET比表面積(m/g担体)」は、窒素吸着法により測定される。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to support the catalyst particles in a highly dispersed state, but is preferably 10 to 5000 m 2 /g carrier, and more preferably 50 to 2000 m 2 /g carrier. It's good. With such a BET specific surface area, sufficient catalyst particles can be carried (highly dispersed) on the conductive support, and sufficient power generation performance can be achieved. The “BET specific surface area (m 2 /g carrier)” of the carrier is measured by the nitrogen adsorption method.

また、導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。なお、「担体の平均粒子径」は、X線回折(XRD)における担体粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡(TEM)により調べられる担体の粒子径の平均値として測定されうる。本明細書では、「担体の平均粒子径」は、統計上有意な数(例えば、少なくとも200個、好ましくは少なくとも300個)のサンプルについて透過型電子顕微鏡像より調べられる担体粒子の粒子径の平均値である。ここで、「粒子径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。 Further, the size of the conductive carrier is not particularly limited, from the viewpoint of easy loading, catalyst utilization rate, controlling the thickness of the electrode catalyst layer in an appropriate range, and the like, the average particle diameter is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm. The "average particle diameter of the carrier" is the average crystallite diameter obtained from the half-value width of the diffraction peak of the carrier particles in X-ray diffraction (XRD) or the average particle diameter of the carrier examined by a transmission electron microscope (TEM). It can be measured as a value. In the present specification, the “average particle size of carrier” means the average particle size of carrier particles examined from a transmission electron microscope image for a statistically significant number of samples (eg, at least 200, preferably at least 300). It is a value. Here, the “particle diameter” means the maximum distance among the distances between any two points on the contour line of the particle.

導電性担体の白金前駆体含有液への添加量は、特に制限されないが、担体の全量に対して、2〜70重量%となるような調節することが好ましい。担持濃度をこのような範囲にすることで、触媒粒子同士の凝集が抑制され、また、電極触媒層の厚さの増加を抑制できるため好ましい。より好ましくは5〜60重量%、さらにより好ましくは5重量%を超えて50重量%以下である。また、質量比活性のさらなる向上の観点から、合金粒子(触媒粒子)の担持濃度(担持量、金属換算)は、好ましくは10〜45重量%である。なお、上記合金粒子(触媒粒子)の担持濃度(担持量)は、白金原子及び非白金金属原子の導電性担体への合計担持濃度(合計担持量)(金属換算)である。合金粒子(触媒粒子)の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分析(ICP atomic emission spectrometry)や誘導結合プラズマ質量分析(ICP mass spectrometry)、蛍光X線分析(XRF)等の、従来公知の方法によって調べることができる。 The amount of the conductive carrier added to the platinum precursor-containing liquid is not particularly limited, but it is preferably adjusted so as to be 2 to 70% by weight with respect to the total amount of the carrier. By setting the supported concentration in such a range, aggregation of the catalyst particles can be suppressed, and an increase in the thickness of the electrode catalyst layer can be suppressed, which is preferable. It is more preferably 5 to 60% by weight, and even more preferably more than 5% by weight and 50% by weight or less. From the viewpoint of further improving the mass specific activity, the supported concentration (supported amount, metal conversion) of the alloy particles (catalyst particles) is preferably 10 to 45% by weight. The supported concentration (supported amount) of the alloy particles (catalyst particles) is the total supported concentration (total supported amount) (metal conversion) of platinum atoms and non-platinum metal atoms on the conductive carrier. When the amount of the alloy particles (catalyst particles) supported is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst components on the catalyst carrier and the catalyst performance can be controlled appropriately. The supported amount of the catalyst component can be examined by a conventionally known method such as ICP atomic emission spectroscopy (ICP), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP mass spectrometry), and fluorescent X-ray analysis (XRF). it can.

導電性担体を添加した後、撹拌してもよい。これにより、白金前駆体および導電性担体を均一に混合するため、白金粒子を導電性担体上に均一に分散可能である。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよく、通常、1〜60分であり、好ましくは5〜40分である。 After adding the conductive carrier, stirring may be performed. As a result, the platinum precursor and the conductive carrier are uniformly mixed, so that the platinum particles can be uniformly dispersed on the conductive carrier. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed particularly uniformly. For example, it is possible to uniformly disperse and mix by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersion device. The stirring temperature is preferably 0 to 50°C, more preferably 5 to 40°C. The stirring time may be appropriately set so that the dispersion is sufficiently performed, and is usually 1 to 60 minutes, preferably 5 to 40 minutes.

また、還元剤としては、特に制限されず、従来と同様の還元剤が使用できる。例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ギ酸、ギ酸ナトリウムやギ酸カリウムなどのギ酸塩、ホルムアルデヒド、チオ硫酸ナトリウム、クエン酸、クエン酸ナトリウム、クエン酸三ナトリウムなどのクエン酸塩、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)およびヒドラジン(N)などが使用できる。なお、上記還元剤のうち、クエン酸三ナトリウム二水和物は凝集防止剤としても作用しうる。これらは水和物の形態になっていてもよい。また、2種類以上を混合して使用してもよい。 Further, the reducing agent is not particularly limited, and the same reducing agent as the conventional one can be used. For example, ethanol, methanol, propanol, formic acid, formate salts such as sodium formate and potassium formate, formaldehyde, sodium thiosulfate, citric acid, sodium citrate, citrate salts such as trisodium citrate, sodium borohydride (NaBH 4 ) And hydrazine (N 2 H 4 ) can be used. Of the above reducing agents, trisodium citrate dihydrate can also act as an anti-aggregation agent. These may be in the form of hydrates. Further, two or more kinds may be mixed and used.

還元剤の添加形態は特に制限されず、そのまま白金前駆体含有液に添加されても、または予め溶媒に溶解した還元剤溶液の形態で、白金前駆体含有液に添加されてもよい。溶液の形態であると、容易に均一に混合できるため、好ましい。ここで、溶媒としては、還元剤を溶解できるものであれば特に制限されず、還元剤の種類によって適宜選択される。具体的には、上記白金前駆体含有液の調製に使用される溶媒と同様の溶媒が使用できる。ただし、還元剤溶液に使用される溶媒と、混合液の調製に使用される溶媒とは同じである必要はないが、均一な混合性など考慮すると、同じであることが好ましい。 The form of addition of the reducing agent is not particularly limited, and may be added to the platinum precursor-containing liquid as it is, or may be added to the platinum precursor-containing liquid in the form of a reducing agent solution previously dissolved in a solvent. The solution form is preferable because it can be easily and uniformly mixed. Here, the solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the reducing agent, and is appropriately selected depending on the type of the reducing agent. Specifically, the same solvent as the solvent used for preparing the platinum precursor-containing liquid can be used. However, the solvent used for the reducing agent solution and the solvent used for preparing the mixed solution do not have to be the same, but it is preferable that they are the same in consideration of uniform mixing property.

還元剤の添加量としては、白金イオンを還元させるのに十分な量であれば特に制限されない。具体的には、還元剤の添加量は、白金イオン 1モル(金属換算)に対して、好ましくは5〜90モルである。このような量であれば、白金イオンを十分還元できる。なお、2種以上の還元剤を用いる場合には、これらの合計の添加量が上記範囲であることが好ましい。 The amount of the reducing agent added is not particularly limited as long as it is an amount sufficient to reduce platinum ions. Specifically, the reducing agent is preferably added in an amount of 5 to 90 mol with respect to 1 mol of platinum ion (metal conversion). With such an amount, platinum ions can be sufficiently reduced. When two or more reducing agents are used, the total addition amount of these is preferably within the above range.

還元剤を添加した後、撹拌してもよい。これにより、白金前駆体および還元剤を均一に混合するため、均一な還元反応が可能になる。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよく、通常、1〜60分であり、好ましくは5〜40分である。 After adding the reducing agent, stirring may be performed. As a result, the platinum precursor and the reducing agent are uniformly mixed, so that a uniform reduction reaction is possible. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed particularly uniformly. For example, it is possible to uniformly disperse and mix by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersion device. The stirring temperature is preferably 0 to 50°C, more preferably 5 to 40°C. The stirring time may be appropriately set so that the dispersion is sufficiently performed, and is usually 1 to 60 minutes, preferably 5 to 40 minutes.

白金前駆体含有液に導電性担体および還元剤を添加した後、白金前駆体由来の白金イオンを導電性担体上で還元、担持して、白金担持前駆粒子を含む液を得る。 After adding a conductive carrier and a reducing agent to the platinum precursor-containing liquid, platinum ions derived from the platinum precursor are reduced and supported on the conductive carrier to obtain a liquid containing platinum-supported precursor particles.

白金前駆体の還元反応条件は、白金前駆体由来の白金イオンを十分導電性担体上に還元、担持できる条件であれば特に制限されない。例えば、還元反応温度は、溶媒の沸点付近(溶媒沸点±10℃、より好ましくは溶媒沸点±5℃)であることが好ましい。または、還元反応温度は、好ましくは40〜150℃、より好ましくは60〜100℃である。また、還元反応時間は、白金前駆体および還元剤を均一に混合できる時間であれば特に制限されないが、好ましくは0.5〜24時間、より好ましくは1〜8時間である。このような条件であれば、白金を導電性担体により高分散・担持できる。なお、導電性担体は、導電性担体のみを添加してもよいし、懸濁液の形態で添加してもよい。 The conditions for the reduction reaction of the platinum precursor are not particularly limited as long as the platinum ions derived from the platinum precursor can be sufficiently reduced and supported on the conductive carrier. For example, the reduction reaction temperature is preferably near the boiling point of the solvent (solvent boiling point ±10°C, more preferably solvent boiling point ±5°C). Alternatively, the reduction reaction temperature is preferably 40 to 150°C, more preferably 60 to 100°C. The reduction reaction time is not particularly limited as long as the platinum precursor and the reducing agent can be uniformly mixed, but is preferably 0.5 to 24 hours, more preferably 1 to 8 hours. Under such conditions, platinum can be highly dispersed and carried by the conductive carrier. As the conductive carrier, only the conductive carrier may be added, or it may be added in the form of a suspension.

上記還元反応により、白金前駆体由来の白金イオンが導電性担体上に還元、担持され、白金担持前駆粒子を含む液(白金担持前駆粒子含有液)が得られる。ここで、必要であれば、白金担持前駆粒子を上記白金担持前駆粒子含有液から単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、白金担持前駆粒子を濾過、乾燥すればよい。なお、必要であれば、白金担持前駆粒子を濾過した後に、洗浄(例えば、水洗)を行ってもよい。また、上記濾過ならびに必要であれば洗浄工程は、繰り返し行ってもよい。また、濾過または洗浄後、白金担持前駆粒子を乾燥してもよい。ここで、白金担持前駆粒子の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜50時間程度の範囲で行うことができる。 By the reduction reaction, platinum ions derived from the platinum precursor are reduced and supported on the conductive carrier, and a liquid containing platinum-supported precursor particles (platinum-supported precursor particle-containing liquid) is obtained. Here, if necessary, the platinum-supported precursor particles may be isolated from the platinum-supported precursor particle-containing liquid. Here, the isolation method is not particularly limited, and the platinum-supported precursor particles may be filtered and dried. If necessary, the platinum-supported precursor particles may be filtered and then washed (for example, washed with water). Further, the filtration and the washing step if necessary may be repeated. Further, the platinum-supported precursor particles may be dried after filtration or washing. Here, the platinum-supported precursor particles may be dried in air or under reduced pressure. The drying temperature is not particularly limited, but it can be performed, for example, in the range of 10 to 100°C, preferably room temperature (25°C) to 80°C. The drying time is also not particularly limited, but may be, for example, 1 to 60 hours, preferably 5 to 50 hours.

次に、上記白金担持前駆粒子を含む液に、非白金金属前駆体および還元剤を添加して、非白金金属前駆体含有液を調製する。ここで、白金担持前駆粒子を含む液は、白金担持前駆粒子を含むものであればよく、上記還元反応後の液(白金担持前駆粒子含有液)であってもよい。または、上記したように、この白金担持前駆粒子含有液から白金担持前駆粒子を単離した後、白金担持前駆粒子を別途溶媒に分散することによって調製した白金担持前駆粒子を含む液を使用してもよい。後者の場合に使用できる溶媒は、特に制限されないが、使用される非白金金属前駆体が溶解できるものが好ましい。このため、好ましい溶媒は、使用される非白金金属前駆体の種類によって適宜選択されうる。具体的には、上記白金前駆体含有液で例示したのと同様の溶媒を使用できる。これらのうち、非白金金属前駆体を十分に溶解する(非白金金属を効率よくイオン化する)という観点から、水が好ましく、純水または超純水を用いることが特に好ましい。上記溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。なお、白金担持前駆粒子含有液及び白金前駆体含有液の調製に使用される溶媒は、それぞれ、同じであってもまたは異なってもよい。 Next, a non-platinum metal precursor and a reducing agent are added to the liquid containing the platinum-supported precursor particles to prepare a non-platinum metal precursor-containing liquid. Here, the liquid containing the platinum-supporting precursor particles may be any liquid containing the platinum-supporting precursor particles, and may be the liquid after the reduction reaction (platinum-supporting precursor particle-containing liquid). Alternatively, as described above, after the platinum-supported precursor particles are isolated from the platinum-supported precursor particle-containing liquid, the platinum-supported precursor particles prepared by separately dispersing the platinum-supported precursor particles in a solvent are used. Good. The solvent that can be used in the latter case is not particularly limited, but a solvent that can dissolve the non-platinum metal precursor used is preferable. Therefore, a preferable solvent can be appropriately selected depending on the kind of the non-platinum metal precursor used. Specifically, the same solvents as those exemplified for the platinum precursor-containing liquid can be used. Of these, water is preferable, and pure water or ultrapure water is particularly preferable, from the viewpoint of sufficiently dissolving the non-platinum metal precursor (effectively ionizing the non-platinum metal). The above solvents may be used alone or in the form of a mixture of two or more kinds. The platinum-containing precursor particle-containing liquid and the solvent used for preparing the platinum precursor-containing liquid may be the same or different.

また、非白金金属前駆体および還元剤の白金担持前駆粒子を含む液への添加順序は特に制限されないが、非白金金属粒子の導電性担体上への分散のしやすさおよび白金との合金化しやすさなどを考慮すると、非白金金属前駆体をまず白金担持前駆粒子含有液に添加した後、還元剤を添加することが好ましい。 The order of addition of the non-platinum metal precursor and the reducing agent to the liquid containing the platinum-supported precursor particles is not particularly limited, but it is easy to disperse the non-platinum metal particles on the conductive carrier and alloy with platinum. In consideration of ease and the like, it is preferable to first add the non-platinum metal precursor to the platinum-supported precursor particle-containing liquid and then add the reducing agent.

非白金金属前駆体としては、特に制限されないが、非白金金属塩および非白金金属錯体が使用できる。より具体的には、非白金金属の、硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、アミン、炭酸塩、重炭酸塩、臭化物および塩化物などのハロゲン化物、亜硝酸塩、シュウ酸などの無機塩類、ギ酸塩などのカルボン酸塩ならびに水酸化物、アルコキサイド、酸化物などを用いることができる。つまり、非白金金属が、純水などの溶媒中で金属イオンになれる化合物が好ましく挙げられる。これらのうち、非白金金属の塩としては、ハロゲン化物(特に塩化物)、硫酸塩、硝酸塩がより好ましい。なお、上記非白金金属前駆体は、1種を単独で使用してもあるいは2種以上の混合物として使用されてもよい。また、非白金金属前駆体は、水和物の形態であってもよい。 The non-platinum metal precursor is not particularly limited, but non-platinum metal salts and non-platinum metal complexes can be used. More specifically, non-platinum metal nitrates, sulfates, ammonium salts, amines, carbonates, bicarbonates, halides such as bromides and chlorides, nitrites, inorganic salts such as oxalic acid, formates, etc. The carboxylic acid salts, hydroxides, alkoxides, oxides and the like of can be used. That is, a compound in which a non-platinum metal can be a metal ion in a solvent such as pure water is preferable. Of these, the non-platinum metal salt is more preferably a halide (especially chloride), a sulfate or a nitrate. The above non-platinum metal precursors may be used alone or as a mixture of two or more. The non-platinum metal precursor may also be in the form of a hydrate.

ここで、非白金金属(非白金金属原子)は、特に制限されないが、触媒活性、規則化のしやすさ(L1構造の形成しやすさ)などの観点から、遷移金属原子であることが好ましい。ここで、遷移金属原子とは、第3族元素から第12族元素を指し、遷移金属原子の種類もまた、特に制限されない。触媒活性、規則化のしやすさ(L1構造の形成しやすさ)などの観点から、遷移金属原子は、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびジルコニウム(Zr)からなる群より選択されることが好ましい。中でも、コバルト(Co)であることが好ましい。このように、遷移金属の中でも白金(Pt)と金属間化合物を形成する金属原子を含有することで、活性が高くなる。上記遷移金属原子は、白金(Pt)と金属間化合物を形成しやすいため、白金の使用量を低減しつつも、質量比活性(単位質量当たりの活性)をより向上できる。また、上記遷移金属原子と白金との合金は、より高い面積比活性(単位面積当たりの活性)および耐久性(耐久試験後の活性)を達成できる。なお、上記遷移金属原子は、単独で白金と合金化されても、あるいは2種以上が白金と合金化されても、いずれでもよい。 Here, the non-platinum metal (non-platinum metal atoms) is not particularly limited, catalytic activity, in view of the ease of regularization (L1 2 structure formed ease of), to be a transition metal atom preferable. Here, the transition metal atom refers to a Group 3 element to a Group 12 element, and the type of transition metal atom is not particularly limited. Catalytic activity, (ease of formation of the L1 2 structure) ease of ordering from the viewpoint of the transition metal atom, vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt It is preferably selected from the group consisting of (Co), copper (Cu), zinc (Zn) and zirconium (Zr). Of these, cobalt (Co) is preferable. As described above, the activity is increased by including the metal atom forming the intermetallic compound with platinum (Pt) among the transition metals. Since the above transition metal atom easily forms an intermetallic compound with platinum (Pt), the mass specific activity (activity per unit mass) can be further improved while reducing the amount of platinum used. Further, the alloy of the above transition metal atom and platinum can achieve higher area specific activity (activity per unit area) and durability (activity after durability test). The above transition metal atoms may be alloyed with platinum alone, or two or more may be alloyed with platinum.

非白金金属前駆体含有液における非白金金属前駆体の濃度は、特に制限されないが、金属換算で0.01〜10重量%であることが好ましく、より好ましくは0.01〜5重量%である。または、非白金金属前駆体の濃度は、白金前駆体と非白金金属前駆体との混合比(白金前駆体:非白金金属前駆体の混合比(モル比))は、下記に示される合金粒子の組成になるような濃度であることが好ましい。このような量であれば、触媒粒子の白金原子と非白金金属原子の割合を適切に制御し(あるいは非白金金属原子1モルに対して、白金原子を1.5〜15モルに制御し)、良好に規則化できる(L1構造を良好に形成できる)。なお、最終的に調製される担体上に担持される合金(触媒)粒子の担持濃度は、白金前駆体および非白金金属前駆体の量によって調整される。しかしながら、熱処理前まで同様に調製したとしても、熱処理条件が異なる場合には担持濃度が若干異なる場合がある。 The concentration of the non-platinum metal precursor in the non-platinum metal precursor-containing liquid is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10% by weight, and more preferably 0.01 to 5% by weight in terms of metal. .. Alternatively, the concentration of the non-platinum metal precursor is such that the mixing ratio of the platinum precursor and the non-platinum metal precursor (mixing ratio of platinum precursor:non-platinum metal precursor (molar ratio)) is alloy particles shown below. It is preferable that the concentration be such that With such an amount, the ratio of platinum atom to non-platinum metal atom of the catalyst particles is appropriately controlled (or platinum atom is controlled to 1.5 to 15 mol to 1 mol of non-platinum metal atom). , well ordered can (an L1 2 structure can satisfactorily form). The supported concentration of the alloy (catalyst) particles supported on the finally prepared carrier is adjusted by the amounts of the platinum precursor and the non-platinum metal precursor. However, even if the same preparation is performed before the heat treatment, the supported concentration may be slightly different when the heat treatment conditions are different.

また、還元剤としては、特に制限されず、上記白金前駆体の還元反応の際に例示したのと同様の還元剤を上記と同様の形態で使用できる。 Further, the reducing agent is not particularly limited, and the same reducing agent as exemplified in the reduction reaction of the platinum precursor can be used in the same form as described above.

還元剤の添加量としては、非白金金属イオンを還元させるのに十分な量であれば特に制限されない。具体的には、還元剤の添加量は、非白金金属イオン 1モル(金属換算)に対して、好ましくは10〜90モルである。このような量であれば、非白金金属イオンを十分還元できる。なお、2種以上の還元剤を用いる場合には、これらの合計の添加量が上記範囲であることが好ましい。 The amount of the reducing agent added is not particularly limited as long as it is an amount sufficient to reduce non-platinum metal ions. Specifically, the amount of the reducing agent added is preferably 10 to 90 mol, based on 1 mol of the non-platinum metal ion (metal conversion). With such an amount, non-platinum metal ions can be sufficiently reduced. When two or more reducing agents are used, the total addition amount of these is preferably within the above range.

還元剤を添加した後、撹拌してもよい。これにより、非白金金属前駆体および還元剤を均一に混合するため、均一な還元反応が可能になる。ここで、撹拌条件は、特に均一に混合できる条件であれば特に制限されない。例えば、スターラーやホモジナイザなどの適当な攪拌機を用いる、あるいは、超音波分散装置など超音波を印加することによって、均一に分散混合できる。また、撹拌温度は、好ましくは0〜50℃、より好ましくは5〜40℃である。また、撹拌時間としては分散が十分に行われるように適宜設定すればよく、通常、1〜60分であり、好ましくは5〜40分である。 After adding the reducing agent, stirring may be performed. As a result, the non-platinum metal precursor and the reducing agent are uniformly mixed, which enables a uniform reduction reaction. Here, the stirring conditions are not particularly limited as long as they can be mixed particularly uniformly. For example, it is possible to uniformly disperse and mix by using an appropriate stirrer such as a stirrer or a homogenizer, or by applying ultrasonic waves such as an ultrasonic dispersion device. The stirring temperature is preferably 0 to 50°C, more preferably 5 to 40°C. The stirring time may be appropriately set so that the dispersion is sufficiently performed, and is usually 1 to 60 minutes, preferably 5 to 40 minutes.

白金担持前駆粒子を含む液に非白金金属前駆体および還元剤を添加した後、非白金金属前駆体由来の非白金金属イオンを導電性担体上で還元、担持して、白金/非白金金属担持前駆粒子を含む液を得る。 After adding a non-platinum metal precursor and a reducing agent to a liquid containing platinum-supported precursor particles, non-platinum metal ions derived from the non-platinum metal precursor are reduced and supported on a conductive carrier to support platinum/non-platinum metal A liquid containing precursor particles is obtained.

非白金金属前駆体の還元反応条件は、非白金金属前駆体由来の非白金金属イオンを十分導電性担体上に還元、担持できる条件であれば特に制限されない。例えば、還元反応温度は、好ましくは10〜60℃、より好ましくは15〜40℃である。また、還元反応時間は、非白金金属前駆体および還元剤を均一に混合できる時間であれば特に制限されないが、好ましくは0.1〜12時間、より好ましくは0.5〜4時間である。このような条件であれば、非白金金属を導電性担体により高分散・担持できる。また、未還元の白金前駆体や非白金金属前駆体を還元剤でさらに還元できるため、白金及び非白金金属を導電性担体により効率的に高分散・担持できる。 The conditions for the reduction reaction of the non-platinum metal precursor are not particularly limited as long as the non-platinum metal ions derived from the non-platinum metal precursor can be sufficiently reduced and supported on the conductive carrier. For example, the reduction reaction temperature is preferably 10 to 60°C, more preferably 15 to 40°C. The reduction reaction time is not particularly limited as long as it can uniformly mix the non-platinum metal precursor and the reducing agent, but is preferably 0.1 to 12 hours, more preferably 0.5 to 4 hours. Under such conditions, the non-platinum metal can be highly dispersed and carried by the conductive carrier. Further, since the unreduced platinum precursor and non-platinum metal precursor can be further reduced with a reducing agent, platinum and non-platinum metal can be efficiently dispersed and supported on the conductive carrier.

上記還元反応により、非白金金属前駆体由来の非白金金属イオンを導電性担体上に還元、担持して、白金/非白金金属担持前駆粒子を含む液(白金/非白金金属担持前駆粒子含有液)が得られる。ここで、必要であれば、白金/非白金金属担持前駆粒子を上記白金/非白金金属担持前駆粒子含有液から単離してもよい。ここで、単離方法は、特に制限されず、白金/非白金金属担持前駆粒子を濾過、乾燥すればよい。なお、必要であれば、白金担持前駆粒子を濾過した後に、洗浄(例えば、水洗)を行ってもよい。また、上記濾過ならびに必要であれば洗浄工程は、繰り返し行ってもよい。また、濾過または洗浄後、白金担持前駆粒子を乾燥してもよい。ここで、白金担持前駆粒子の乾燥は、空気中で行ってもよく、また減圧下で行ってもよい。また、乾燥温度は特に限定されないが、例えば、10〜100℃、好ましくは室温(25℃)〜80℃程度の範囲で行うことができる。また、乾燥時間もまた、特に限定されないが、例えば、1〜60時間、好ましくは5〜50時間程度の範囲で行うことができる。 By the above reduction reaction, non-platinum metal ions derived from non-platinum metal precursor are reduced and supported on a conductive carrier, and a liquid containing platinum/non-platinum metal-supported precursor particles (platinum/non-platinum metal-supported precursor particle-containing liquid ) Is obtained. Here, if necessary, the platinum/non-platinum metal-supported precursor particles may be isolated from the platinum/non-platinum metal-supported precursor particle-containing liquid. Here, the isolation method is not particularly limited, and the platinum/non-platinum metal-supported precursor particles may be filtered and dried. If necessary, the platinum-supported precursor particles may be filtered and then washed (for example, washed with water). Further, the filtration and the washing step if necessary may be repeated. Further, the platinum-supported precursor particles may be dried after filtration or washing. Here, the platinum-supported precursor particles may be dried in air or under reduced pressure. The drying temperature is not particularly limited, but it can be performed, for example, in the range of 10 to 100°C, preferably room temperature (25°C) to 80°C. The drying time is also not particularly limited, but may be, for example, 1 to 60 hours, preferably 5 to 50 hours.

上記によって得られた白金/非白金金属担持前駆粒子を加熱して合金化処理する。これにより、触媒前駆粒子が得られる。 The platinum/non-platinum metal-supported precursor particles obtained as described above are heated and alloyed. Thereby, catalyst precursor particles are obtained.

ここで、加熱(合金化)条件は、白金および非白金金属が十分合金化できる条件であれば特に制限されず、白金や非白金金属の担持量、非白金金属の種類などによって適宜選択すればよい。具体的には、加熱(合金化)温度は、好ましくは200〜1500℃、より好ましくは500〜1200℃である。また、加熱(合金化)時間は、好ましくは0.5〜10時間、より好ましくは1〜4時間である。 Here, the heating (alloying) conditions are not particularly limited as long as platinum and non-platinum metal can be sufficiently alloyed, and may be appropriately selected depending on the amount of platinum or non-platinum metal supported, the type of non-platinum metal, and the like. Good. Specifically, the heating (alloying) temperature is preferably 200 to 1500°C, more preferably 500 to 1200°C. The heating (alloying) time is preferably 0.5 to 10 hours, more preferably 1 to 4 hours.

また、加熱(合金化)は、いずれの雰囲気中で行ってもよいが、白金や非白金金属への還元をより進行させるために、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。非酸化性雰囲気下としては、不活性ガス雰囲気または還元性ガス雰囲気が挙げられる。ここで、不活性ガスは、特に制限されないが、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、及び窒素(N)などが使用できる。上記不活性ガスは、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合ガスの形態で使用されてもよい。また、還元性ガス雰囲気は、還元性ガスが含まれていれば特に制限されないが、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気であることがより好ましい。ここで、還元性ガスは、特に制限されないが、水素(H)ガス、一酸化炭素(CO)ガスが好ましい。また、不活性ガスに含有される還元性ガスの濃度も、特に制限されないが、不活性ガス中の還元性ガスの含有量が、好ましくは10〜100体積%、より好ましくは50〜100体積%である。このような濃度であれば、合金(白金及び非白金金属)の酸化を十分抑制・防止できる。上記のうち、熱処理は、還元性ガス雰囲気で行われることが好ましい。このような条件であれば、触媒前駆粒子は担体上で凝集することなく、質量比活性を向上できる。 The heating (alloying) may be performed in any atmosphere, but it is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere in order to further reduce platinum or a non-platinum metal. Examples of the non-oxidizing atmosphere include an inert gas atmosphere and a reducing gas atmosphere. Here, the inert gas is not particularly limited, but helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), nitrogen (N 2 ) and the like can be used. The above inert gas may be used alone or in the form of a mixed gas of two or more kinds. The reducing gas atmosphere is not particularly limited as long as it contains the reducing gas, but a mixed gas atmosphere of the reducing gas and the inert gas is more preferable. Here, the reducing gas is not particularly limited, but hydrogen (H 2 ) gas and carbon monoxide (CO) gas are preferable. The concentration of the reducing gas contained in the inert gas is not particularly limited, but the content of the reducing gas in the inert gas is preferably 10 to 100% by volume, more preferably 50 to 100% by volume. Is. With such a concentration, the oxidation of the alloy (platinum and non-platinum metal) can be sufficiently suppressed/prevented. Of the above, the heat treatment is preferably performed in a reducing gas atmosphere. Under such conditions, the catalyst precursor particles can improve the mass specific activity without aggregating on the carrier.

また、上記では、液相還元担持により、触媒前駆粒子を導電性担体に担持したが、上記方法に限定されない。上記方法に加えて、例えば、含浸法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。 Further, in the above, the catalyst precursor particles are supported on the conductive carrier by the liquid phase reduction supporting, but the method is not limited to the above. In addition to the above methods, known methods such as an impregnation method, an evaporation-drying method, a colloid adsorption method, a spray pyrolysis method, and a reverse micelle (microemulsion method) can be used.

このようにして触媒前駆粒子が得られる。ここで、触媒前駆粒子の組成もまた、特に制限されないが、触媒前駆粒子および次の工程(b)後に得られる合金粒子(触媒粒子)の組成は実質的に同様である。合金粒子(触媒粒子)の触媒活性(特に質量比活性)、規則度の高さ(L1構造の形成しやすさ)などの観点から、触媒前駆粒子の組成として、非白金金属原子1モルに対して、白金原子が、1.0〜15モルであることが好ましく、1.2〜10であることがより好ましく、1.5〜5モルであることが特に好ましい。このような組成であれば、次の工程(b)後に得られる合金粒子(触媒粒子)は、質量比活性及び規則度をより向上できる。なお、触媒前駆粒子および合金粒子(触媒粒子)の組成(触媒粒子中の各金属原子の含有量)は、誘導結合プラズマ発光分析(ICP atomic emission spectrometry)や誘導結合プラズマ質量分析(ICP mass spectrometry)、蛍光X線分析(XRF)等の、従来公知の方法によって決定できる。 In this way, catalyst precursor particles are obtained. Here, the composition of the catalyst precursor particles is also not particularly limited, but the composition of the catalyst precursor particles and the alloy particles (catalyst particles) obtained after the subsequent step (b) are substantially the same. In view of the alloy particles catalyst activity (catalyst particles) (in particular the mass specific activity), (ease of formation of the L1 2 structure) height of order parameter, the composition of the catalyst precursor particles, the non-platinum metal atom 1 mol On the other hand, the platinum atom content is preferably 1.0 to 15 mol, more preferably 1.2 to 10 mol, and particularly preferably 1.5 to 5 mol. With such a composition, the alloy particles (catalyst particles) obtained after the next step (b) can further improve the mass specific activity and order. The composition of the catalyst precursor particles and the alloy particles (catalyst particles) (the content of each metal atom in the catalyst particles) is determined by inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP mass spectrometry) or inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP mass spectrometry). , Fluorescent X-ray analysis (XRF), etc.

また、触媒前駆粒子の大きさは、特に制限されない。例えば、触媒前駆粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜15nm、より好ましくは2〜10nm以下である。なお、触媒前駆粒子および下記に記載の合金粒子(触媒粒子)の平均粒子径(nm)は、以下のようにして測定される値である。まず、n個の粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、各粒子の投影面積よりその面積が真円であった場合の粒子径(等価円直径)を逆算して、各粒子の粒子径(d(nm))を測定する。このようにして得られた粒子の粒子径(d(nm))を用いて、下記式(A)よって、粒子の平均粒子径(nm)を算出する。なお、粒子の測定数(n)は、特に制限されないが、統計学的に有意差のない数であることが好ましく、少なくとも300個である。 Moreover, the size of the catalyst precursor particles is not particularly limited. For example, the average particle size of the catalyst precursor particles is preferably 1 to 15 nm, more preferably 2 to 10 nm or less. The average particle diameter (nm) of the catalyst precursor particles and the alloy particles (catalyst particles) described below is a value measured as follows. First, n particles are observed with a transmission electron microscope (TEM), and the particle diameter (equivalent circular diameter) when the area is a perfect circle is calculated backward from the projected area of each particle, and the particle of each particle is calculated. The diameter (d (nm)) is measured. Using the particle diameter (d (nm)) of the particles thus obtained, the average particle diameter (nm) of the particles is calculated according to the following formula (A). The number of particles to be measured (n) is not particularly limited, but is preferably a number with no statistically significant difference, and is at least 300.

(工程(b))
上記工程(a)で得られた触媒前駆粒子を、初期設定温度にまで加熱した後、前記初期設定温度で10分未満の間維持した後、5℃/分未満の速度で降温する。
(Process (b))
The catalyst precursor particles obtained in the step (a) are heated to an initial set temperature, maintained at the initial set temperature for less than 10 minutes, and then cooled at a rate of less than 5° C./minute.

本工程において、初期設定温度は、特に制限されないが、合金粒子(触媒前駆粒子)の規則度の温度依存性曲線から求められた、前記合金粒子(触媒前駆粒子)が規則化/不規則化する変態温度以上であることが好ましい。本明細書では、「合金粒子(触媒前駆粒子)の規則度の温度依存性曲線から求められた、合金粒子(触媒前駆粒子)が規則化/不規則化する変態温度」を単に「変態温度」とも称する。このように、初期設定温度を変態温度以上とすることによって、触媒前駆粒子(合金粒子)は固溶体(白金及び非白金金属がランダムに配列した構造体)となる。このため、触媒前駆粒子を初期設定温度で維持した後の降温時に規則化がより有効に進行して(L1構造をより容易に形成して)、得られる電極触媒の活性及び耐久性をより有効に向上できる。ここで、変態温度は、合金の組成や合金粒子の粒子径などに依存する。触媒金属前駆粒子と本発明の電極触媒において導電性担体上に担持される触媒粒子とは、組成及び粒子径が実質的に同じとみなせるため、触媒金属前駆粒子の変態温度は触媒粒子の変態温度と実質的に同じである。 In this step, the initial set temperature is not particularly limited, but the alloy particles (catalyst precursor particles) are ordered/disordered, which is obtained from the temperature dependence curve of the degree of order of the alloy particles (catalyst precursor particles). It is preferably at or above the transformation temperature. In the present specification, "the transformation temperature at which the alloy particles (catalyst precursor particles) are ordered/disordered, which is obtained from the temperature dependence curve of the degree of order of the alloy particles (catalyst precursor particles)" is simply referred to as "transformation temperature". Also called. In this way, by setting the initial setting temperature to the transformation temperature or higher, the catalyst precursor particles (alloy particles) become a solid solution (structure in which platinum and non-platinum metal are randomly arranged). For this reason, the ordering proceeds more effectively (the L1 2 structure is more easily formed) when the temperature is lowered after the catalyst precursor particles are maintained at the initial set temperature, and the activity and durability of the obtained electrode catalyst are further improved. It can be effectively improved. Here, the transformation temperature depends on the composition of the alloy, the particle diameter of the alloy particles, and the like. Since the catalyst metal precursor particles and the catalyst particles supported on the conductive carrier in the electrode catalyst of the present invention can be regarded as having substantially the same composition and particle diameter, the transformation temperature of the catalyst metal precursor particles is the transformation temperature of the catalyst particles. Is substantially the same as.

本明細書において、「変態温度」は、合金粒子(触媒金属前駆粒子/触媒粒子)の規則度の温度依存性曲線において、合金粒子が規則化するのと不規則化するのとの境界の温度(すなわち、温度依存性曲線において、規則度が0であるときの温度)である。合金粒子の規則度の温度依存性曲線は、下記方法に従って作成される。 In the present specification, the "transformation temperature" is the temperature at the boundary between the ordered and disordered alloy particles in the temperature dependence curve of the order of the alloy particles (catalyst metal precursor particles/catalyst particles). (That is, the temperature at which the regularity is 0 in the temperature dependence curve). The temperature dependence curve of the order of the alloy particles is prepared according to the following method.

<合金粒子の規則度の温度依存性曲線の作成方法>
ある温度において熱力学的平衡に達した状態での規則度を計測する必要があるが、具体的には以下の方法によって行うことができる。まず、調製した合金粒子を加熱し、そのときの合金粒子の最大加熱温度を、バルク体の合金の熱平衡状態図において固溶体となる温度(℃)以上とする。
<Method of creating temperature dependence curve of order of alloy particles>
It is necessary to measure the order in a state where thermodynamic equilibrium is reached at a certain temperature, and specifically, it can be performed by the following method. First, the prepared alloy particles are heated, and the maximum heating temperature of the alloy particles at that time is set to a temperature (° C.) or higher at which a solid solution is formed in the thermal equilibrium diagram of the alloy of the bulk body.

次に、上記にて求められた最大加熱温度および当該温度から50℃ずつ下げた温度にて、順次合金粒子の規則度を求め、温度を横軸におよび規則度を縦軸にしてプロットし、温度依存性曲線を作成する。ここで、「規則度(%)」または「L1構造の規則度(%)」は、J. Mater. Chem., 2004, 14, 1454−1460に記載される方法を基に求めることができ、本明細書においては、X線回折(X−ray diffraction)(XRD)パターンの最大強度のピーク面積(Ia)と、金属間化合物に特有のピーク面積(Ib)との比として定義される。具体的には、規則度の測定は、下記方法に従って、合金粒子(触媒粒子)を各温度にてX線回折(X−ray diffraction)(XRD)を行い、XRDパターンを得ることによって行う。 Next, at the maximum heating temperature obtained above and at a temperature reduced by 50° C. from the temperature, the ordering degree of the alloy particles is sequentially obtained, and the temperature is plotted on the horizontal axis and the ordering degree is plotted on the vertical axis. Create a temperature dependence curve. Here, "degree of ordering (%)" or "L1 2 structure rule of (%)" is, J. Mater. Chem. , 2004, 14, 1454-1460, and in the present specification, the peak area (Ia) of the maximum intensity of the X-ray diffraction (XRD) pattern and , Is defined as the ratio with the peak area (Ib) peculiar to the intermetallic compound. Specifically, the ordering degree is measured by performing X-ray diffraction (XRD) on the alloy particles (catalyst particles) at each temperature according to the following method to obtain an XRD pattern.

<L1構造の規則度の測定方法>
合金粒子(触媒粒子)を、上記各温度にて、それぞれ、下記条件によりX線回折(X−ray diffraction)(XRD)を行い、XRDパターンを得る。得られたXRDパターンにおいて、2θ値が39〜41°の範囲に観測されるピーク面積(Ia)および31〜34°の範囲に観測されるピーク面積(Ib)を測定する。ここで、2θ値が39〜41°の範囲に観測されるピークは、白金の格子面に固有のピークである。39〜41°の範囲に観測されるピークは、合金粒子構造全体を表すピークである。また、2θ値が31〜34°の範囲に観測されるピークは、合金粒子のL1構造に固有のピークである。
<Measurement method of degree of order of the L1 2 structure>
The alloy particles (catalyst particles) are subjected to X-ray diffraction (XRD) under the following conditions at each of the above temperatures to obtain an XRD pattern. In the obtained XRD pattern, the peak area (Ia) observed in the range of 2θ of 39 to 41° and the peak area (Ib) observed in the range of 31 to 34° are measured. Here, the peak observed in the 2θ value range of 39 to 41° is a peak peculiar to the lattice plane of platinum. The peak observed in the range of 39 to 41° is a peak representing the entire alloy particle structure. Also, peak 2θ value is observed in the range of 31 to 34 ° is the inherent peak L1 2 structure of the alloy particles.

上記ピーク面積IaおよびIbを用いて、下記式(1)により、L1構造の規則度(%)を算出する。 Using the peak areas Ia and Ib, the following equation (1), and calculates degree of order of the L1 2 structure (%).

上記式(1)において、Xは、合金粒子を構成する非白金金属原子に特有の値である。具体的には、Xは、下記表に示される値である。 In the above formula (1), X is a value peculiar to the non-platinum metal atoms constituting the alloy particles. Specifically, X is a value shown in the table below.

上記にて求められた各温度における規則度に基づいて、温度を横軸におよび規則度を縦軸にしてプロットし、温度依存性曲線を作成する。この温度依存性曲線に基づいて、規則度が0になる温度を求め、これを変態温度とする。図2に記載されるような温度依存性曲線を例にとると、図2の温度依存性曲線において、規則度が0%となる温度が「合金粒子の規則度の温度依存性曲線から求められた、合金粒子が規則化/不規則化する変態温度」である。 Based on the degree of order at each temperature obtained above, the temperature is plotted on the horizontal axis and the degree of order is plotted on the vertical axis to create a temperature dependence curve. Based on this temperature dependence curve, the temperature at which the degree of order becomes 0 is determined, and this is taken as the transformation temperature. Taking the temperature dependence curve as shown in FIG. 2 as an example, in the temperature dependence curve of FIG. 2, the temperature at which the degree of order is 0% is “calculated from the temperature dependence curve of the degree of order of alloy particles. The transformation temperature at which the alloy particles are ordered/disordered”.

本工程において、触媒前駆粒子の加熱温度はこのように求められた変態温度以上であることが好ましい。具体的には、触媒前駆粒子の加熱温度は、変態温度に対して、好ましくは0℃以上150℃未満、より好ましくは0〜100℃、特に好ましくは0〜50℃高いことが好ましい。このような温度にまで加熱すれば、触媒前駆粒子(合金粒子)はより効率的に固溶体(白金及び非白金金属のランダム配列)となる。このため、触媒前駆粒子を、加熱後さらに初期設定温度で維持した後の降温時に規則化をより有効に進行できる(規則度をさらに向上できる)。 In this step, the heating temperature of the catalyst precursor particles is preferably equal to or higher than the transformation temperature thus obtained. Specifically, the heating temperature of the catalyst precursor particles is preferably 0°C or higher and lower than 150°C, more preferably 0 to 100°C, and particularly preferably 0 to 50°C higher than the transformation temperature. When heated to such a temperature, the catalyst precursor particles (alloy particles) become a solid solution (random arrangement of platinum and non-platinum metal) more efficiently. Therefore, the catalyst precursor particles can be more effectively ordered when the temperature is lowered after the catalyst precursor particles are heated and maintained at the initial set temperature (the order can be further improved).

また、触媒前駆粒子の加熱雰囲気は特に制限されないが、上記加熱(合金化)と同様、規則化をより進行させるために、非酸化性雰囲気下で行うことが好ましい。ここで、非酸化性雰囲気は、上記加熱(合金化)における説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。 Further, the heating atmosphere of the catalyst precursor particles is not particularly limited, but like the above heating (alloying), it is preferable to carry out in a non-oxidizing atmosphere in order to further promote the ordering. Here, the non-oxidizing atmosphere is the same as the above description of heating (alloying), and therefore the description is omitted here.

触媒前駆粒子を加熱する速度(昇温速度)は特に制限されないが、触媒前駆粒子の凝集やシンタリングの抑制・防止効果、規則化の進行具合などを考慮すると、好ましくは1〜60℃/分、より好ましくは5〜30℃/分である。 The rate of heating the catalyst precursor particles (temperature rising rate) is not particularly limited, but considering the effect of suppressing/preventing the aggregation and sintering of the catalyst precursor particles, the progress of ordering, etc., preferably 1 to 60° C./min. , And more preferably 5 to 30° C./min.

上記したように、触媒前駆粒子を初期設定温度(好ましくは変態温度以上)に加熱した後は、触媒前駆粒子をこの初期設定温度で10分未満の間維持する。ここで、この初期設定温度での維持時間が10分以上であると、得られる合金(触媒)粒子の規則度は増大するものの、比表面積が大きく低減する。このため、触媒前駆粒子をこの初期設定温度で10分以上維持して得られた合金粒子を有する電極触媒は、質量比活性に劣る(下記比較例参照)。初期設定温度での触媒前駆粒子の維持時間は、10分未満であればよいが、好ましくは5分以下、より好ましくは1分以下である。また、初期設定温度での触媒前駆粒子の維持時間の下限は特に制限されず、0分を超えればよいが、好ましくは0.1分以上である。このような維持時間であれば、触媒前駆粒子(ゆえに得られる合金粒子)のシンタリングや凝集による粒子径の成長(ゆえに比表面積の減少)をより有効に抑制して、合金粒子(電極触媒)の質量比活性をさらに向上できる。なお、触媒前駆粒子を初期設定温度にまで加熱、さらに当該温度で維持する方法は、特に制限されず、オーブンを用いるなど公知の手段が適用できる。また、「触媒前駆粒子を初期設定温度で維持する」とは、触媒前駆粒子を所望の初期設定温度に維持する場合に加えて、触媒前駆粒子を所望の初期設定温度に対してある程度前後した温度範囲(例えば、所望の初期設定温度±5℃)内に維持する場合も包含する。 As described above, after heating the catalyst precursor particles to the initial set temperature (preferably above the transformation temperature), the catalyst precursor particles are maintained at this initial set temperature for less than 10 minutes. Here, if the maintaining time at the initial setting temperature is 10 minutes or more, the ordering degree of the obtained alloy (catalyst) particles is increased, but the specific surface area is greatly reduced. Therefore, the electrode catalyst having alloy particles obtained by maintaining the catalyst precursor particles at this initial set temperature for 10 minutes or more is inferior in mass specific activity (see Comparative Example below). The maintenance time of the catalyst precursor particles at the initial set temperature may be less than 10 minutes, preferably 5 minutes or less, more preferably 1 minute or less. Further, the lower limit of the maintenance time of the catalyst precursor particles at the initial set temperature is not particularly limited and may be 0 minutes or more, but is preferably 0.1 minutes or more. With such a maintenance time, the growth of the particle size (and hence the reduction of the specific surface area) due to the sintering and aggregation of the catalyst precursor particles (and thus the alloy particles) can be more effectively suppressed, and the alloy particles (electrode catalyst) The mass specific activity of can be further improved. The method of heating the catalyst precursor particles to the initial set temperature and further maintaining the temperature at that temperature is not particularly limited, and known means such as using an oven can be applied. Further, "maintaining the catalyst precursor particles at the initial setting temperature" means that the temperature of the catalyst precursor particles is changed to some extent with respect to the desired initial setting temperature in addition to the case of maintaining the catalyst precursor particles at the desired initial setting temperature. It also includes the case where the temperature is maintained within a range (for example, a desired initial set temperature ±5°C).

上記したように、触媒前駆粒子を初期設定温度で短時間維持した後は、5℃/分未満の速度で降温する。ここで、降温速度が5℃/分以上であると、触媒前駆粒子が急冷され、規則化が十分進行せず、得られる合金粒子の規則度が低くなってしまう。このため、触媒前駆粒子を初期設定温度維持後5℃/分以上の速度で急冷して得られた合金粒子を有する電極触媒は、質量比活性に劣る。降温速度は、5℃/分未満であればよいが、好ましくは4℃/分以下、より好ましくは2℃/分以下、特に好ましくは1℃/分以下である。また、降温速度の下限特に制限されないが、好ましくは0.01℃/分以上、より好ましくは0.1℃/分以上、特に好ましくは0.2℃/分以上である。好ましい形態では、初期設定温度維持後の降温速度は、好ましくは0.01〜4℃/分、より好ましくは0.1〜2℃/分、特に好ましくは0.2〜1℃/分である。このような降温速度で触媒前駆粒子を冷却することによって、得られる合金(触媒)粒子はより高い規則度を有する(ゆえに、高い活性を発揮できる)。なお、降温手段は、特に制限されず、公知の手段が適用できる。 As described above, after maintaining the catalyst precursor particles at the initial set temperature for a short time, the temperature is lowered at a rate of less than 5° C./minute. Here, if the temperature lowering rate is 5° C./min or more, the catalyst precursor particles are rapidly cooled, the ordering does not proceed sufficiently, and the resulting alloy particles have a low ordering degree. Therefore, the electrode catalyst having alloy particles obtained by rapidly cooling the catalyst precursor particles at a rate of 5° C./minute or more after maintaining the initial set temperature has poor mass specific activity. The temperature lowering rate may be less than 5° C./min, preferably 4° C./min or less, more preferably 2° C./min or less, and particularly preferably 1° C./min or less. The lower limit of the temperature lowering rate is not particularly limited, but is preferably 0.01° C./min or more, more preferably 0.1° C./min or more, particularly preferably 0.2° C./min or more. In a preferred embodiment, the rate of temperature decrease after the initial set temperature is maintained is preferably 0.01 to 4°C/minute, more preferably 0.1 to 2°C/minute, and particularly preferably 0.2 to 1°C/minute. .. By cooling the catalyst precursor particles at such a temperature-decreasing rate, the resulting alloy (catalyst) particles have a higher degree of regularity (and therefore can exhibit higher activity). The temperature lowering means is not particularly limited, and known means can be applied.

ここで触媒前駆粒子を上記速度で降温(冷却)する際の温度の下限は、合金粒子(触媒前駆粒子)の規則度の温度依存性曲線から求められた、合金粒子(触媒前駆粒子)の中で白金原子と非白金金属原子が相互拡散できる温度以下であることが好ましい。すなわち、触媒前駆粒子を、5℃/分未満の速度で、合金粒子の規則度の温度依存性曲線から求められた、合金粒子の中で白金原子と非白金金属原子が相互拡散できる温度以下まで降温(冷却)することが好ましい。本明細書では、「合金粒子(触媒前駆粒子)の規則度の温度依存性曲線から求められた、合金粒子(触媒前駆粒子)の中で白金原子と非白金金属原子が相互拡散できる下限温度」を単に「相互拡散下限温度」とも称する。このような温度までゆっくりと降温(冷却)することによって、白金原子と非白金金属原子が相互拡散できるため、降温時に合金粒子の規則化をより有効に進行できる(L1構造をより容易に形成できる)。ここで、相互拡散下限温度は、合金の組成や合金粒子の粒子径などに依存する。触媒金属前駆粒子と本発明の電極触媒において導電性担体上に担持される触媒粒子とは、組成及び粒子径が実質的に同じとみなせるため、触媒金属前駆粒子の相互拡散下限温度は触媒粒子の相互拡散下限温度と実質的に同じである。 Here, the lower limit of the temperature at which the temperature of the catalyst precursor particles is lowered (cooled) at the above-mentioned rate is determined from the temperature dependence curve of the degree of order of the alloy particles (catalyst precursor particles) in the alloy particles (catalyst precursor particles). It is preferable that the temperature is not higher than the temperature at which platinum atoms and non-platinum metal atoms can mutually diffuse. That is, the catalyst precursor particles are obtained at a rate of less than 5° C./minute up to a temperature below the temperature at which platinum atoms and non-platinum metal atoms can interdiffuse in the alloy particles, which is obtained from the temperature dependence curve of the order of the alloy particles. It is preferable to lower the temperature (cool). In the present specification, "the lower limit temperature at which platinum atoms and non-platinum metal atoms can interdiffuse in the alloy particles (catalyst precursor particles), which is obtained from the temperature dependence curve of the order of the alloy particles (catalyst precursor particles)" Is also simply referred to as "mutual diffusion lower limit temperature". By such a temperature to slowly cooling (cooling) because the platinum atom and a non-platinum metal atoms can interdiffusion, more easily formed to more effectively can proceed (L1 2 structure ordered alloy particles during cooling it can). Here, the lower limit temperature of mutual diffusion depends on the composition of the alloy, the particle diameter of the alloy particles, and the like. Since the catalyst metal precursor particles and the catalyst particles supported on the conductive carrier in the electrode catalyst of the present invention can be regarded as having substantially the same composition and particle diameter, the lower limit temperature of mutual diffusion of the catalyst metal precursor particles is It is substantially the same as the mutual diffusion lower limit temperature.

本明細書において、「相互拡散下限温度」は、合金粒子(触媒粒子)の規則度の温度依存性曲線において、温度依存性曲線が定常状態になり始めた温度である。詳細には、上記<合金粒子の規則度の温度依存性曲線の作成方法>と同様にして、合金粒子の規則度の温度依存性曲線を作成する。例えば、上記と同様、図2の温度依存性曲線を例にとると、図2の温度依存性曲線において、隣接する温度間の規則度の差(絶対値)が1%以下(下限=0%)となって安定した温度とする。例えば、図2では、相互拡散温度は400℃である。ここで、「隣接する温度間の規則度の差」とは、ある温度(T℃)での規則度(s)と、上記温度より50℃低い((T−50)℃)での規則度(sT−50)との差(=|(s)−(sT−50)|(絶対値))、および上記温度より50℃低い((T−50)℃)での規則度(sT−50)と上記温度より100℃低い((T−100)℃)での規則度(sT−100)との差(=|(sT−50)−(sT−100)|(絶対値))である。 In the present specification, the “lower limit temperature of mutual diffusion” is the temperature at which the temperature dependence curve of the order of the alloy particles (catalyst particles) begins to reach a steady state. Specifically, the temperature dependence curve of the order of the alloy particles is created in the same manner as the above <method of creating the temperature dependence curve of the order of the alloy particles>. For example, in the same manner as above, taking the temperature dependence curve of FIG. 2 as an example, in the temperature dependence curve of FIG. 2, the difference (absolute value) in the degree of order between adjacent temperatures is 1% or less (lower limit=0% ) And a stable temperature is achieved. For example, in FIG. 2, the mutual diffusion temperature is 400° C. Here, the “difference in the degree of order between adjacent temperatures” means the degree of order (s T ) at a certain temperature (T° C.) and the degree of order 50° C. lower than the above temperature ((T−50)° C.). the difference between the degree (s T-50) (= | (s T) - (s T-50) | ( absolute value)), and order parameter at 50 ° C. lower than the temperature ((T-50) ℃) the difference between (s T-50) and 100 ° C. lower than the temperature ((T-100) ℃) in the order parameter (s T-100) (= | (s T-50) - (s T-100) | (Absolute value)).

触媒前駆粒子の降温度(冷却温度)はこのように求められた相互拡散下限温度以下であることが好ましい。具体的には、触媒前駆粒子の降温度(冷却温度)は、相互拡散下限温度に対して、好ましくは0℃以上100℃未満、より好ましくは0〜50℃、特に好ましくは0〜20℃低い。このような温度にまで降温(冷却)すれば、白金原子及び非白金金属原子は合金粒子中で現実的な時間内では相互拡散しないため、得られる合金粒子の規則度を高く維持できる。なお、上記「触媒前駆粒子の温度下限」は、触媒前駆粒子の温度を意味し、具体的には加熱容器内の雰囲気温度と同じである。 It is preferable that the falling temperature (cooling temperature) of the catalyst precursor particles is equal to or lower than the lower limit temperature of mutual diffusion thus obtained. Specifically, the lowering temperature (cooling temperature) of the catalyst precursor particles is preferably 0° C. or higher and lower than 100° C., more preferably 0 to 50° C., particularly preferably 0 to 20° C. lower than the mutual diffusion lower limit temperature. .. When the temperature is lowered (cooled) to such a temperature, the platinum atoms and the non-platinum metal atoms do not interdiffuse in the alloy particles within a realistic time, so that the ordering degree of the obtained alloy particles can be maintained high. The "lower temperature limit of the catalyst precursor particles" means the temperature of the catalyst precursor particles, and is specifically the same as the atmospheric temperature in the heating container.

触媒前駆粒子を5℃/分未満の速度で相互拡散下限温度以下にまで降温(冷却)した後、そのままの速度で室温(25℃)まで降温(冷却)し、本発明に係る電極触媒としてもよい。しかし、触媒前駆粒子を5℃/分未満の速度で相互拡散下限温度以下にまで降温(冷却)した後、5℃/分以上の速度でさらに降温(冷却)することが好ましい。触媒前駆粒子を5℃/分未満の速度で相互拡散下限温度以下にまで降温(冷却)した後、5℃/分以上の速度で、触媒粒子のシンタリングや凝集による粒子成長の起きない温度(好ましくは200℃未満、より好ましくは100℃以下、例えば、室温(25℃))まで降温(冷却)することがより好ましい。触媒前駆粒子を5℃/分未満の速度で相互拡散温度以下にまで降温(冷却)した後の降温(冷却)速度は、より好ましくは10℃/分以上、特に好ましくは40℃/分以上である。また、触媒前駆粒子を5℃/分未満の速度で相互拡散温度以下にまで降温(冷却)した後の降温(冷却)速度の上限は、特に制限されないが、好ましくは400℃/分以下、より好ましくは200℃/分以下である。このように比較的ゆっくり降温(冷却)した後、相対的により速い速度で冷却することによって、触媒前駆粒子(合金粒子)のシンタリングや凝集による粒子径の成長(ゆえに比表面積の減少)をより有効に抑制できる。ゆえに、得られる電極触媒は、高い規則度は確保したまま、より大きな比表面積を有するため、より質量比活性を向上することが可能になる。 The catalyst precursor particles are cooled (cooled) to a temperature below the mutual diffusion lower limit temperature at a rate of less than 5° C./minute, and then cooled (cooled) to room temperature (25° C.) at the same rate to obtain an electrode catalyst according to the present invention. Good. However, it is preferable that the catalyst precursor particles are cooled (cooled) to a temperature below the mutual diffusion lower limit temperature at a rate of less than 5° C./minute and then further cooled (cooled) at a rate of 5° C./minute or more. After lowering (cooling) the catalyst precursor particles to a temperature below the mutual diffusion lower limit temperature at a rate of less than 5° C./minute, at a rate of 5° C./minute or more, a temperature at which particle growth due to sintering or aggregation of catalyst particles does not occur ( The temperature is preferably lowered (cooled) to preferably less than 200°C, more preferably 100°C or less, for example, room temperature (25°C). The temperature lowering (cooling) rate after lowering (cooling) the catalyst precursor particles to a mutual diffusion temperature or lower at a rate of less than 5° C./minute is more preferably 10° C./minute or more, particularly preferably 40° C./minute or more. is there. Further, the upper limit of the temperature lowering (cooling) rate after lowering (cooling) the catalyst precursor particles to the mutual diffusion temperature or lower at a rate of less than 5° C./minute is not particularly limited, but is preferably 400° C./minute or less. It is preferably 200° C./minute or less. By cooling (cooling) relatively slowly in this way and then cooling at a relatively higher rate, the growth of the particle size (and hence the reduction of the specific surface area) due to sintering and aggregation of the catalyst precursor particles (alloy particles) is further improved. It can be effectively suppressed. Therefore, the obtained electrode catalyst has a larger specific surface area while maintaining a high degree of regularity, so that it is possible to further improve the mass specific activity.

すなわち、本発明の好ましい形態によると、触媒前駆粒子を、合金粒子の規則度の温度依存性曲線から求められた、合金粒子の中で白金原子と非白金金属原子が相互拡散できる温度以下まで、5℃/分未満の速度で降温した後、5℃/分以上の速度でさらに降温する。本発明のさらに好ましい形態によると、触媒前駆粒子を、合金粒子の規則度の温度依存性曲線から求められた、合金粒子の中で白金原子と非白金金属原子が相互拡散できる温度以下まで、5℃/分未満の速度で降温した後、5℃/分以上の速度でさらに触媒粒子のシンタリングや凝集による粒成長の起きない温度(好ましくは200℃未満、より好ましくは100℃以下、例えば、室温(25℃))まで降温する。 That is, according to a preferred embodiment of the present invention, the catalyst precursor particles, determined from the temperature dependence curve of the order of the alloy particles, up to a temperature at which platinum atoms and non-platinum metal atoms in the alloy particles can be interdiffused, After lowering the temperature at a rate of less than 5° C./minute, the temperature is further reduced at a rate of 5° C./minute or more. According to a further preferred embodiment of the present invention, the catalyst precursor particles are heated to a temperature below the temperature at which platinum atoms and non-platinum metal atoms can interdiffuse within the alloy particles, which is determined from the temperature dependence curve of the order of the alloy particles. After lowering the temperature at a rate of less than °C/min, at a rate of 5°C/min or more, a temperature at which particle growth due to sintering or aggregation of catalyst particles does not occur (preferably less than 200°C, more preferably 100°C or less, for example, The temperature is lowered to room temperature (25°C).

上記方法によれば、触媒前駆粒子を十分熱処理しつつ、触媒粒子のシンタリングや凝集による粒子径の成長(ゆえに比表面積の増加)を抑制できる。このため、得られる合金粒子は、ある程度高い規則度を確保したまま、比表面積を増大できる。ゆえに、上記方法によって製造される電極触媒は、高い活性(特に質量比活性)を発揮できる。 According to the above method, it is possible to sufficiently heat-treat the catalyst precursor particles and suppress the growth of the particle size (and hence the increase of the specific surface area) due to the sintering or aggregation of the catalyst particles. Therefore, the obtained alloy particles can increase the specific surface area while maintaining a high degree of ordering. Therefore, the electrode catalyst produced by the above method can exhibit high activity (particularly mass specific activity).

上記方法によって製造される電極触媒は、導電性担体上に白金と非白金金属との合金粒子(触媒粒子)が担持されてなる。ここで、合金粒子(触媒粒子)は、白金原子と非白金金属原子からなる合金粒子である。「合金」とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。本発明に係る合金粒子(触媒粒子)は、その合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがある。本発明では、触媒粒子は、いずれの形態であってもよいが、少なくとも白金原子および非白金原子が金属間化合物を形成しているものを含む。 The electrode catalyst produced by the above method comprises alloy particles of platinum and a non-platinum metal (catalyst particles) supported on a conductive carrier. Here, the alloy particles (catalyst particles) are alloy particles composed of platinum atoms and non-platinum metal atoms. The term "alloy" is generally a generic term of metallic elements to which one or more metallic elements or non-metallic elements are added and which has metallic properties. The alloy particles (catalyst particles) according to the present invention, in the structure of the alloy, a eutectic alloy which is, so to speak, a mixture in which the constituent elements become separate crystals, those in which the constituent elements are completely melted into a solid solution, and the constituent elements Include an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. In the present invention, the catalyst particles may be in any form, but include those in which at least platinum atoms and non-platinum atoms form an intermetallic compound.

ここで、導電性担体上に担持される白金と非白金金属との合金粒子(触媒粒子)の組成は、特に制限されないが、前記触媒前駆粒子の組成と実質的に同様である。触媒活性(特に質量比活性)、規則度の高さ(L1構造の形成しやすさ)などの観点から、合金粒子(触媒粒子)の組成として、非白金金属原子1モルに対して、白金原子が、1.0〜15モルであることが好ましく、1.2〜10であることがより好ましく、1.5〜5モルであることが特に好ましい。このような組成であれば、次の工程(b)後に得られる合金粒子(触媒粒子)は、質量比活性及び規則度をより向上できる。 Here, the composition of the alloy particles (catalyst particles) of platinum and non-platinum metal supported on the conductive carrier is not particularly limited, but is substantially the same as the composition of the catalyst precursor particles. Catalytic activity (especially mass specific activity), from the viewpoint of regulations of the height (L1 2 structure formed ease of), the composition of the alloy particles (catalyst particles), to non-platinum metal atom 1 mol, platinum The number of atoms is preferably 1.0 to 15 moles, more preferably 1.2 to 10 moles, and particularly preferably 1.5 to 5 moles. With such a composition, the alloy particles (catalyst particles) obtained after the next step (b) can further improve the mass specific activity and order.

また、合金粒子(触媒粒子)の大きさは、特に制限されない。例えば、合金粒子(触媒粒子)の平均粒子径は、好ましくは1〜15nm、より好ましくは2〜10nmである。 The size of the alloy particles (catalyst particles) is not particularly limited. For example, the average particle diameter of the alloy particles (catalyst particles) is preferably 1 to 15 nm, more preferably 2 to 10 nm.

さらに、本形態における合金粒子は、内部構造としてL1構造を有する。「L1構造を有する」とは、L1構造の規則度が0%を超えることを指す。上記構成を有する触媒粒子は、少ない白金含有量であっても、高い活性と耐久性を発揮できる。ここで、合金粒子のL1構造の規則度は、特に制限されないが、活性の向上効果を考慮すると、30%以上(上限:100%)であることが好ましい。上記構成を有する触媒粒子は、少ない白金含有量であっても、高い活性と耐久性を発揮できる。ここで、L1構造の規則度は、より好ましくは45%以上、特に好ましくは50%以上(上限:100%)である。これにより、粒子が一定割合以上規則的に原子が配列した構造を有するため、活性をより一層向上させることができ、触媒粒子の活性および耐久性をより向上できる。なお、上記合金粒子の「L1構造の規則度(Extent of ordering)(%)」または「規則度(%)」は、上記<L1構造の規則度の測定方法>において、測定を室温(25℃)で行う以外は上記方法と同様にして測定される。 Further, the alloy particles in the present embodiment has an L1 2 structure as an internal structure. “Having an L1 2 structure” means that the order of the L1 2 structure is more than 0%. The catalyst particles having the above structure can exhibit high activity and durability even with a low platinum content. Here, regulations of the L1 2 structure of the alloy particles is not particularly limited, considering the effect of improving the activity, 30% or more (upper limit: 100%) is preferably from. The catalyst particles having the above structure can exhibit high activity and durability even with a low platinum content. Here, regulations of the L1 2 structure, and more preferably 45% or more, particularly preferably 50% or more (upper limit: 100%) is. With this, since the particles have a structure in which atoms are regularly arranged in a certain proportion or more, the activity can be further improved, and the activity and durability of the catalyst particles can be further improved. The “degree of order of the L1 2 structure (extent of ordering) (%)” or “degree of order (%)” of the alloy particles is measured at room temperature (in the method for measuring the order of the L1 2 structure) ( It is measured in the same manner as above except that the measurement is performed at 25°C.

また、上記方法によって製造される電極触媒は、比表面積(m/g Pt)が大きい。具体的には、本発明に係る電極触媒の比表面積は、好ましくは35(m/g Pt)以上、より好ましくは40(m/g Pt)以上、特に好ましくは50(m/g Pt)以上である。ここで、比表面積の上限は、大きいほど好ましいため、特に制限されないが、通常、120(m/g Pt)以下であり、90(m/g Pt)以下である。ここで、比表面積は、白金1g当たりの比表面積を意味し、下記実施例で測定された値を採用する。 Further, the electrode catalyst produced by the above method has a large specific surface area (m 2 /g Pt). Specifically, the specific surface area of the electrode catalyst according to the present invention is preferably 35 (m 2 /g Pt) or more, more preferably 40 (m 2 /g Pt) or more, and particularly preferably 50 (m 2 /g Pt). Pt) or more. Here, the upper limit of the specific surface area is preferably as large as possible and is not particularly limited, but is usually 120 (m 2 /g Pt) or less, and 90 (m 2 /g Pt) or less. Here, the specific surface area means the specific surface area per 1 g of platinum, and the value measured in the following examples is adopted.

上記本発明の方法によって製造される電極触媒は、比表面積を増大させ、ゆえに少ない白金含有量であっても質量比活性を向上できる。また、本発明の方法によって製造される電極触媒は、耐久性にも優れる。加えて、本発明の方法によって製造される電極触媒では、合金粒子は所定の割合以上で凝集せずに担体上に単分散する。このため、本発明に係る電極触媒は、家庭用や移動体駆動用の電源などより高性能が求められる燃料電池用途により好適に適用できる。すなわち、本発明の方法によって製造される電極触媒を触媒層に有する膜電極接合体および燃料電池は、発電性能に優れる。 The electrocatalyst produced by the method of the present invention has an increased specific surface area, and therefore can improve the mass specific activity even with a small platinum content. Further, the electrode catalyst produced by the method of the present invention has excellent durability. In addition, in the electrocatalyst produced by the method of the present invention, the alloy particles are monodispersed on the carrier without aggregating at a predetermined ratio or more. Therefore, the electrode catalyst according to the present invention can be suitably applied to a fuel cell application in which higher performance is required, such as a power source for household use or driving of a moving body. That is, the membrane electrode assembly and the fuel cell having the electrode catalyst manufactured by the method of the present invention in the catalyst layer have excellent power generation performance.

すなわち、本発明は、本発明の方法によって製造される電極触媒を含む触媒層を備える膜電極接合体(MEA)および燃料電池をも提供する。以下では、本発明に係る電極触媒を含む触媒層を備える膜電極接合体(MEA)および燃料電池の一実施形態を説明する。 That is, the present invention also provides a membrane electrode assembly (MEA) provided with a catalyst layer containing an electrode catalyst produced by the method of the present invention, and a fuel cell. Hereinafter, one embodiment of a membrane electrode assembly (MEA) including a catalyst layer containing an electrode catalyst according to the present invention and a fuel cell will be described.

[電解質膜−電極接合体(MEA)]
本発明に係る電極触媒は、電解質膜−電極接合体(MEA)に好適に使用できる。すなわち、本発明は、本発明の電極触媒を含む電解質膜−電極接合体(MEA)、特に燃料電池用電解質膜−電極接合体(MEA)をも提供する。本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、高い発電性能(特に質量比活性)および耐久性を発揮できる。
[Electrolyte Membrane-Electrode Assembly (MEA)]
The electrode catalyst according to the present invention can be suitably used for an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA). That is, the present invention also provides an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) containing the electrode catalyst of the present invention, particularly an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) for a fuel cell. The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention can exhibit high power generation performance (particularly mass specific activity) and durability.

本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)は、従来の電極触媒に代えて、本発明に係る電極触媒(触媒)を用いる以外は、同様の構成を適用できる。以下に、本発明のMEAの好ましい形態を説明するが、本発明は下記形態に限定されない。 The electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention can have the same configuration except that the electrode catalyst (catalyst) according to the present invention is used instead of the conventional electrode catalyst. Hereinafter, preferred embodiments of the MEA of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following embodiments.

MEAは、電解質膜、上記電解質膜の両面に順次形成されるアノード触媒層およびアノードガス拡散層ならびにカソード触媒層およびカソードガス拡散層から構成される。そしてこの電解質膜−電極接合体において、前記カソード触媒層およびアノード触媒層の少なくとも一方に本発明の電極触媒が使用される。 The MEA is composed of an electrolyte membrane, an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer, and a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer, which are sequentially formed on both surfaces of the electrolyte membrane. Then, in this electrolyte membrane-electrode assembly, the electrode catalyst of the present invention is used for at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

(電解質膜)
電解質膜は、例えば、固体高分子電解質膜から構成される。この固体高分子電解質膜は、例えば、燃料電池(PEFC等)の運転時にアノード触媒層で生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層へと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
(Electrolyte membrane)
The electrolyte membrane is composed of, for example, a solid polymer electrolyte membrane. This solid polymer electrolyte membrane has a function of selectively permeating protons generated in the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer along the thickness direction during operation of a fuel cell (PEFC or the like), for example. The solid polymer electrolyte membrane also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.

固体高分子電解質膜を構成する電解質材料としては特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、以下の触媒層にて高分子電解質として説明したフッ素系高分子電解質や炭化水素系高分子電解質を同様にして用いることができる。この際、触媒層に用いた高分子電解質と必ずしも同じものを用いる必要はない。 The electrolyte material that constitutes the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. For example, the fluorine-based polymer electrolyte or the hydrocarbon-based polymer electrolyte described as the polymer electrolyte in the catalyst layer below can be used in the same manner. At this time, it is not always necessary to use the same polymer electrolyte as that used for the catalyst layer.

電解質膜の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質膜の厚さは、通常は5〜300μm程度である。電解質膜の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。 The thickness of the electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte membrane is usually about 5 to 300 μm. When the thickness of the electrolyte membrane is within such a range, the balance between strength during membrane formation, durability during use, and output characteristics during use can be controlled appropriately.

(触媒層)
触媒層は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層では水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層では酸素の還元反応が進行する。ここで、本発明の触媒は、カソード触媒層またはアノード触媒層のいずれに存在してもいてもよい。酸素還元活性の向上の必要性を考慮すると、少なくともカソード触媒層に本発明の電極触媒が使用されることが好ましい。ただし、上記形態に係る触媒層は、アノード触媒層として用いてもよいし、カソード触媒層およびアノード触媒層双方として用いてもよいなど、特に制限されるものではない。
(Catalyst layer)
The catalyst layer is a layer where the cell reaction actually proceeds. Specifically, hydrogen oxidation reaction proceeds in the anode catalyst layer, and oxygen reduction reaction proceeds in the cathode catalyst layer. Here, the catalyst of the present invention may be present in either the cathode catalyst layer or the anode catalyst layer. Considering the necessity of improving the oxygen reduction activity, it is preferable to use the electrode catalyst of the present invention in at least the cathode catalyst layer. However, the catalyst layer according to the above embodiment is not particularly limited, and may be used as the anode catalyst layer or both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

触媒層は、本発明に係る電極触媒および電解質を含む。電解質は、特に制限されないが、イオン伝導性の高分子電解質であることが好ましい。上記高分子電解質は、燃料極側の触媒活物質周辺で発生したプロトンを伝達する役割を果たすことから、プロトン伝導性高分子とも呼ばれる。 The catalyst layer contains the electrode catalyst according to the present invention and the electrolyte. The electrolyte is not particularly limited, but is preferably an ion conductive polymer electrolyte. The polymer electrolyte plays a role of transmitting protons generated around the catalyst active material on the fuel electrode side, and is therefore also called a proton conductive polymer.

当該高分子電解質は、特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。 The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Polymer electrolytes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes, depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material.

フッ素系高分子電解質を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性、耐久性、機械強度に優れるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質が用いられる。 Examples of the ion exchange resin constituting the fluorine-based polymer electrolyte include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid type polymer, perfluorocarbon phosphonic acid type polymer, trifluorostyrene sulfonic acid type polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid type polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-per Examples thereof include fluorocarbon sulfonic acid type polymers. From the viewpoint of excellent heat resistance, chemical stability, durability, and mechanical strength, these fluoropolymer electrolytes are preferably used, and particularly preferably fluoropolymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. Is used.

炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の観点からは、これらの炭化水素系高分子電解質が好ましく用いられる。なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。 Specific examples of the hydrocarbon-based electrolyte include sulfonated polyether sulfone (S-PES), sulfonated polyaryl ether ketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, sulfonated poly Examples thereof include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon-based polymer electrolytes are preferably used from the viewpoint of production such that the raw materials are inexpensive, the production process is simple, and the material selectivity is high. The above-mentioned ion exchange resins may be used alone or in combination of two or more. Further, the material is not limited to the above-mentioned materials, and other materials may be used.

プロトンの伝達を担う高分子電解質においては、プロトンの伝導度が重要となる。ここで、高分子電解質のEWが大きすぎる場合には触媒層全体でのイオン伝導性が低下する。したがって、本形態の触媒層は、EWの小さい高分子電解質を含むことが好ましい。具体的には、本形態の触媒層は、好ましくはEWが1500g/eq.以下の高分子電解質を含み、より好ましくは1200g/eq.以下の高分子電解質を含み、特に好ましくは1000g/eq.以下の高分子電解質を含む。一方、EWが小さすぎる場合には、親水性が高すぎて、水の円滑な移動が困難となる。かような観点から、高分子電解質のEWは600以上であることが好ましい。なお、EW(Equivalent Weight)は、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量を表している。当量重量は、イオン交換基1当量あたりのイオン交換膜の乾燥重量であり、「g/eq」の単位で表される。 The conductivity of protons is important in the polymer electrolyte responsible for proton transfer. Here, if the EW of the polymer electrolyte is too large, the ion conductivity of the entire catalyst layer is lowered. Therefore, the catalyst layer of this embodiment preferably contains a polymer electrolyte having a small EW. Specifically, the catalyst layer of the present embodiment preferably has an EW of 1500 g/eq. The following polymer electrolyte is contained, and more preferably 1200 g/eq. The following polymer electrolyte is contained, and particularly preferably 1000 g/eq. The following polyelectrolytes are included. On the other hand, when the EW is too small, the hydrophilicity is too high, which makes it difficult to smoothly move water. From such a viewpoint, the EW of the polymer electrolyte is preferably 600 or more. EW (Equivalent Weight) represents the equivalent weight of the exchange group having proton conductivity. The equivalent weight is the dry weight of the ion exchange membrane per equivalent of the ion exchange group, and is expressed in the unit of “g/eq”.

また、触媒層は、EWが異なる2種類以上の高分子電解質を発電面内に含み、この際、高分子電解質のうち最もEWが低い高分子電解質が流路内ガスの相対湿度が90%以下の領域に用いることが好ましい。このような材料配置を採用することにより、電流密度領域によらず、抵抗値が小さくなって、電池性能の向上を図ることができる。流路内ガスの相対湿度が90%以下の領域に用いる高分子電解質、すなわちEWが最も低い高分子電解質のEWとしては、900g/eq.以下であることが望ましい。これにより、上述の効果がより確実、顕著なものとなる。 In addition, the catalyst layer contains two or more kinds of polymer electrolytes having different EWs in the power generation surface, and the polymer electrolyte having the lowest EW among the polymer electrolytes has a relative humidity of gas in the channel of 90% or less. It is preferable to use it in the area. By adopting such a material arrangement, the resistance value can be reduced regardless of the current density region, and the battery performance can be improved. As the EW of the polymer electrolyte used in the region where the relative humidity of the gas in the channel is 90% or less, that is, the EW of the polymer electrolyte having the lowest EW, 900 g/eq. The following is desirable. As a result, the above-mentioned effect becomes more reliable and remarkable.

さらに、EWが最も低い高分子電解質を冷却水の入口と出口の平均温度よりも高い領域に用いることが望ましい。これによって、電流密度領域によらず、抵抗値が小さくなって、電池性能のさらなる向上を図ることができる。 Further, it is desirable to use the polymer electrolyte having the lowest EW in a region higher than the average temperature of the inlet and outlet of the cooling water. As a result, the resistance value is reduced regardless of the current density region, and the battery performance can be further improved.

さらには、燃料電池システムの抵抗値を小さくするとする観点から、EWが最も低い高分子電解質は、流路長に対して燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一方のガス供給口から3/5以内の範囲の領域に用いることが望ましい。 Further, from the viewpoint of reducing the resistance value of the fuel cell system, the polymer electrolyte having the lowest EW has a flow path length within 3/5 of the gas supply port of at least one of the fuel gas and the oxidant gas. It is desirable to use it in the range area.

触媒層には、必要に応じて、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などの撥水剤、界面活性剤などの分散剤、グリセリン、エチレングリコール(EG)、ポリビニルアルコール(PVA)、プロピレングリコール(PG)などの増粘剤、造孔剤等の添加剤が含まれていても構わない。 In the catalyst layer, if necessary, a water repellent such as polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, or a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, a dispersant such as a surfactant, glycerin, ethylene glycol (EG ), polyvinyl alcohol (PVA), propylene glycol (PG) and other thickening agents, and pore-forming agents and other additives may be included.

触媒層の膜厚(乾燥膜厚)は、好ましくは0.05〜30μm、より好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは2〜15μmである。なお、上記は、カソード触媒層およびアノード触媒層双方に適用される。しかしながら、カソード触媒層およびアノード触媒層は、同じであってもあるいは異なってもよい。 The film thickness (dry film thickness) of the catalyst layer is preferably 0.05 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm, and further preferably 2 to 15 μm. The above applies to both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. However, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.

(ガス拡散層)
ガス拡散層(アノードガス拡散層、カソードガス拡散層)は、セパレータのガス流路を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
(Gas diffusion layer)
The gas diffusion layer (anode gas diffusion layer, cathode gas diffusion layer) has a function of promoting diffusion of the gas (fuel gas or oxidant gas) supplied through the gas passage of the separator into the catalyst layer, and electronic conduction. It has a function as a pass.

ガス拡散層の基材を構成する材料は特に限定されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料が挙げられる。基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。 The material constituting the base material of the gas diffusion layer is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. For example, a sheet-like material having conductivity and porosity such as carbon woven fabric, paper-like papermaking body, felt, and non-woven fabric can be mentioned. The thickness of the base material may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. When the thickness of the substrate is a value within such a range, the balance between the mechanical strength and the diffusibility of gas and water can be controlled appropriately.

ガス拡散層は、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防止することを目的として、撥水剤を含むことが好ましい。撥水剤としては、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。 The gas diffusion layer preferably contains a water repellent agent for the purpose of further enhancing water repellency and preventing a flooding phenomenon and the like. The water-repellent agent is not particularly limited, but is a fluorine-based high-performance agent such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, or tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Examples include molecular materials, polypropylene, polyethylene and the like.

また、撥水性をより向上させるために、ガス拡散層は、撥水剤を含むカーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層(マイクロポーラス層;MPL、図示せず)を基材の触媒層側に有するものであってもよい。 In order to further improve the water repellency, the gas diffusion layer has a carbon particle layer (microporous layer; MPL, not shown) made of an aggregate of carbon particles containing a water repellent agent on the catalyst layer side of the substrate. You may have.

カーボン粒子層に含まれるカーボン粒子は特に限定されず、カーボンブラック、グラファイト、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。なかでも、電子伝導性に優れ、比表面積が大きいことから、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラックが好ましく用いられうる。カーボン粒子の平均粒径は、10〜100nm程度とするのがよい。これにより、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。 The carbon particles contained in the carbon particle layer are not particularly limited, and conventionally known materials such as carbon black, graphite and expanded graphite can be appropriately adopted. Among them, carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black can be preferably used because they have excellent electron conductivity and a large specific surface area. The average particle size of the carbon particles is preferably about 10 to 100 nm. This makes it possible to obtain a high drainage property by the capillary force and also improve the contact property with the catalyst layer.

カーボン粒子層に用いられる撥水剤としては、上述した撥水剤と同様のものが挙げられる。なかでも、撥水性、電極反応時の耐食性などに優れることから、フッ素系の高分子材料が好ましく用いられうる。 As the water repellent used for the carbon particle layer, the same water repellents as mentioned above can be mentioned. Among them, a fluorine-based polymer material can be preferably used because it is excellent in water repellency and corrosion resistance during electrode reaction.

カーボン粒子層におけるカーボン粒子と撥水剤との混合比は、撥水性および電子伝導性のバランスを考慮して、重量比で90:10〜40:60(カーボン粒子:撥水剤)程度とするのがよい。なお、カーボン粒子層の厚さについても特に制限はなく、得られるガス拡散層の撥水性を考慮して適宜決定すればよい。 The mixing ratio of the carbon particles and the water repellent agent in the carbon particle layer is about 90:10 to 40:60 (carbon particles:water repellent agent) in weight ratio in consideration of the balance between water repellency and electron conductivity. It's good. The thickness of the carbon particle layer is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the water repellency of the obtained gas diffusion layer.

(電解質膜−電極接合体の製造方法)
電解質膜−電極接合体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を使用できる。例えば、電解質膜に触媒層をホットプレスで転写または塗布し、これを乾燥したものに、ガス拡散層を接合する方法や、ガス拡散層の微多孔質層側(微多孔質層を含まない場合には、基材層の片面に触媒層を予め塗布して乾燥することによりガス拡散電極(GDE)を2枚作製し、固体高分子電解質膜の両面にこのガス拡散電極をホットプレスで接合する方法を使用することができる。ホットプレス等の塗布、接合条件は、固体高分子電解質膜や触媒層内の高分子電解質の種類(パ−フルオロスルホン酸系や炭化水素系)によって適宜調整すればよい。
(Method for producing electrolyte membrane-electrode assembly)
The method for producing the electrolyte membrane-electrode assembly is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, a method in which a catalyst layer is transferred or applied to an electrolyte membrane by hot pressing and then dried, and a gas diffusion layer is joined to the electrolyte layer, or a microporous layer side of the gas diffusion layer (when the microporous layer is not included) In this case, two gas diffusion electrodes (GDE) are prepared by applying a catalyst layer on one side of the base material layer in advance and drying, and the gas diffusion electrodes are bonded to both sides of the solid polymer electrolyte membrane by hot pressing. If the coating conditions such as hot pressing and bonding conditions are appropriately adjusted depending on the type of polymer electrolyte in the solid polymer electrolyte membrane or catalyst layer (perfluorosulfonic acid type or hydrocarbon type) Good.

[燃料電池]
上述した電解質膜−電極接合体(MEA)は、燃料電池に好適に使用できる。すなわち、本発明は、本発明の電解質膜−電極接合体(MEA)を用いてなる燃料電池をも提供する。本発明の燃料電池は、高い発電性能(特に質量比活性)および耐久性を発揮できる。
[Fuel cell]
The above-mentioned electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) can be suitably used for a fuel cell. That is, the present invention also provides a fuel cell using the electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention. The fuel cell of the present invention can exhibit high power generation performance (particularly mass specific activity) and durability.

ここで、燃料電池は、膜電極接合体(電解質膜−電極接合体、MEA)と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。本発明の燃料電池は、耐久性に優れ、かつ高い発電性能を発揮できる。 Here, the fuel cell includes a membrane electrode assembly (electrolyte membrane-electrode assembly, MEA), an anode-side separator having a fuel gas passage through which a fuel gas flows, and a cathode having an oxidant gas passage through which an oxidant gas flows. It has a pair of separators consisting of side separators. The fuel cell of the present invention has excellent durability and can exhibit high power generation performance.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明に係る電極触媒を使用した触媒層を有する膜電極接合体(MEA)および燃料電池の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。また、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明した場合では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of a membrane electrode assembly (MEA) having a catalyst layer using an electrode catalyst according to the present invention and a fuel cell will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In addition, each drawing is exaggerated for convenience of description, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one. Further, in the case where the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings, and overlapping description will be omitted.

図1は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で電解質膜−電極接合体(MEA)10を構成する。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to an embodiment of the present invention. The PEFC 1 has a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (anode catalyst layer 3a and cathode catalyst layer 3c) sandwiching the membrane. The laminated body of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched by a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). As described above, the solid polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state. To do.

PEFC1において、MEA10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。図1において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。 In the PEFC 1, the MEA 10 is further sandwiched by a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 1, the separators (5a, 5c) are illustrated as being located at both ends of the illustrated MEA 10. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used also as a separator for adjacent PEFCs (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form the stack. In the actual fuel cell stack, the gas seal portion is arranged between the separator (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2 or between the PEFC 1 and another PEFC adjacent thereto. In FIG. 1, these descriptions are omitted.

セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。 The separators (5a, 5c) can be obtained, for example, by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a pressing process to form an uneven shape as shown in FIG. The convex portion of the separator (5a, 5c) viewed from the MEA side is in contact with the MEA 10. This ensures electrical connection with the MEA 10. In addition, the concave portion (the space between the separator and the MEA caused by the uneven shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for flowing the gas during the operation of the PEFC 1. Functions as a flow path. Specifically, a fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the gas passage 6a of the anode separator 5a, and an oxidant gas (for example, air) is circulated through the gas passage 6c of the cathode separator 5c.

一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。 On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separators (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC during operation of the PEFC 1. .. Further, the separator is typically provided with a manifold (not shown). The manifold functions as a connecting means for connecting the cells when forming the stack. With such a structure, the mechanical strength of the fuel cell stack can be secured.

なお、図1に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。 In addition, in the embodiment shown in FIG. 1, the separators (5a, 5c) are formed in an uneven shape. However, the separator is not limited to such an uneven shape, and may have any shape such as a flat plate shape or a partially uneven shape as long as it can exhibit the function of the gas flow path and the refrigerant flow path. Good.

(セパレータ)
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
(Separator)
The separator has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also has a function as a partition wall that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. In order to secure these channels, it is preferable that each of the separators is provided with a gas channel and a cooling channel as described above. As a material for forming the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as carbon plate, metal such as stainless steel, and the like can be appropriately used without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each of the flow paths provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of desired output characteristics of the obtained fuel cell.

燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。 The manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge in the field of the fuel cell can be appropriately referred to.

さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して電解質膜−電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。 Further, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are laminated via a separator and connected in series may be formed so that the fuel cell can exert a desired voltage. The shape and the like of the fuel cell are not particularly limited, and may be appropriately determined so that desired cell characteristics such as voltage can be obtained.

上述したPEFCや電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れる触媒層を用いている。したがって、当該PEFCや電解質膜−電極接合体は発電性能および耐久性に優れる。 The PEFC and the electrolyte membrane-electrode assembly described above use a catalyst layer having excellent power generation performance and durability. Therefore, the PEFC and the electrolyte membrane-electrode assembly are excellent in power generation performance and durability.

本実施形態のPEFCやこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、車両に駆動用電源として搭載されうる。 The PEFC of the present embodiment and the fuel cell stack using the PEFC can be mounted in a vehicle as a driving power source, for example.

上記のような燃料電池は、優れた発電性能を発揮する。ここで、燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では固体高分子形燃料電池を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、固体高分子形燃料電池(PEFC)が好ましく挙げられる。また、前記燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用である。なかでも、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求される自動車などの移動体用電源として用いられることが特に好ましい。 The fuel cell as described above exhibits excellent power generation performance. Here, the type of the fuel cell is not particularly limited, and the polymer electrolyte fuel cell has been described as an example in the above description, but in addition to this, an alkaline fuel cell, a direct methanol fuel cell , A micro fuel cell, and the like. Among them, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is preferable because it is small in size and can achieve high density and high output. Further, the fuel cell is useful as a stationary power source as well as a power source for a moving body such as a vehicle having a limited mounting space. Above all, it is particularly preferable that the power source is used as a power source for a mobile body such as an automobile, which requires a high output voltage after the operation is stopped for a relatively long time.

燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。 The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Among them, hydrogen and methanol are preferably used because they can achieve high output.

また、燃料電池の適用用途は特に限定されるものではないが、車両に適用することが好ましい。本発明の電解質膜−電極接合体は、発電性能および耐久性に優れ、小型化が実現可能である。このため、本発明の燃料電池は、車載性の点から、車両に該燃料電池を適用した場合、特に有利である。 The application of the fuel cell is not particularly limited, but it is preferably applied to a vehicle. The electrolyte membrane-electrode assembly of the present invention has excellent power generation performance and durability, and can be miniaturized. Therefore, the fuel cell of the present invention is particularly advantageous from the viewpoint of vehicle mountability when the fuel cell is applied to a vehicle.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。なお、下記実施例において、特記しない限り、操作は室温(25℃)で行われた。また、特記しない限り、「%」および「部」は、それぞれ、「重量%」および「重量部」を意味する。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples. In the following examples, unless otherwise specified, the operation was performed at room temperature (25°C). Further, unless otherwise specified, “%” and “part” mean “wt %” and “part by weight”, respectively.

調製例A:触媒前駆粒子Aの製造
白金濃度0.8重量%のジニトロジアミン白金硝酸水溶液1000g(白金含有量:8g)に、カーボン担体を19g浸漬させ、撹拌後、還元剤として100%メタノールを100ml添加した。なお、カーボン担体として、ケッチェンブラック(登録商標)KetjenBlackEC300J(平均粒子径:40nm、BET比表面積:800m/g担体、ライオン株式会社製)を使用した。この溶液を沸点(約95℃)で7時間、撹拌、混合し、白金をカーボン担体に担持させた。そして、濾過、乾燥することにより白金粒子担持担体を得た。
Preparation Example A: Production of Catalyst Precursor Particle A 19 g of a carbon carrier was immersed in 1000 g of a dinitrodiamine platinum nitric acid aqueous solution (platinum content: 8 g) having a platinum concentration of 0.8% by weight, and after stirring, 100% methanol as a reducing agent 100 ml was added. As the carbon carrier, Ketjen Black (registered trademark) KetjenBlack EC300J (average particle diameter: 40 nm, BET specific surface area: 800 m 2 /g carrier, manufactured by Lion Corporation) was used. This solution was stirred and mixed at the boiling point (about 95° C.) for 7 hours to support platinum on the carbon carrier. Then, the platinum particle-supporting carrier was obtained by filtering and drying.

上記で得られた白金粒子担持担体20gを2Lの水に分散させ、コバルト前駆体(硫酸コバルト、コバルト含有量0.6g(白金1モルに対して0.33モル相当))を投入した。これに、別途調製した還元剤溶液(水素化ホウ素ナトリウム10gを純水1Lに溶解)を全量投入し、室温(25℃)で1時間、スターラーで撹拌・混合し、還元析出させた。そして、析出物を濾過、乾燥した後、100体積%水素ガス雰囲気中で、900℃、1時間の合金化処理を行うことで、触媒前駆粒子Aを製造した。 20 g of the platinum particle-supporting carrier obtained above was dispersed in 2 L of water, and a cobalt precursor (cobalt sulfate, cobalt content 0.6 g (corresponding to 0.33 mol per mol of platinum)) was added. A reducing agent solution (10 g of sodium borohydride dissolved in 1 L of pure water) prepared separately was added to the whole, and the mixture was stirred and mixed with a stirrer at room temperature (25° C.) for 1 hour to cause reduction precipitation. Then, the precipitate was filtered and dried, and then alloying treatment was performed at 900° C. for 1 hour in a 100% by volume hydrogen gas atmosphere, whereby catalyst precursor particles A were manufactured.

このようにして得られた触媒前駆粒子Aにおける触媒金属前駆粒子(Pt−Co合金粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.9重量%(Pt:29.0重量%、Co:2.9重量%)であった。なお、担持濃度は、ICP分析により測定した。以下、同様である。また、触媒金属前駆粒子(Pt−Co合金粒子)の平均粒子径は、約4nmであった。 The supported concentration (supported amount) of the catalyst metal precursor particles (Pt—Co alloy particles) in the catalyst precursor particles A thus obtained was 31.9% by weight (Pt: 29.0% by weight) based on the carrier. , Co: 2.9% by weight). The supported concentration was measured by ICP analysis. The same applies below. The average particle size of the catalytic metal precursor particles (Pt-Co alloy particles) was about 4 nm.

本例で得られる触媒金属前駆粒子の変態温度および相互拡散下限温度は、それぞれ、750℃および400℃であった。 The transformation temperature and the mutual diffusion lower limit temperature of the catalytic metal precursor particles obtained in this example were 750° C. and 400° C., respectively.

調製例B:触媒前駆粒子Bの製造
上記調製例Aと同様にして、白金粒子担持担体を得た。
Preparation Example B: Production of Catalyst Precursor Particles B In the same manner as in Preparation Example A above, a platinum particle-supporting carrier was obtained.

次に、この白金粒子担持担体20gを2Lの水に分散させ、コバルト前駆体(硫酸コバルト、コバルト含有量1.0g(白金1モルに対して0.6モル相当))を投入した。これに、別途調製した還元剤溶液(水素化ホウ素ナトリウム10gを純水1Lに溶解)を全量投入し、室温(25℃)で1時間、スターラーで撹拌・混合し、還元析出させた。そして、析出物を濾過、乾燥した後、100体積%水素ガス雰囲気中で、900℃、1時間の合金化処理を行うことで、触媒前駆粒子Bを製造した。 Next, 20 g of this platinum particle-supporting carrier was dispersed in 2 L of water, and a cobalt precursor (cobalt sulfate, cobalt content 1.0 g (corresponding to 0.6 mol per 1 mol of platinum)) was added. A reducing agent solution (10 g of sodium borohydride dissolved in 1 L of pure water) prepared separately was added to the whole, and the mixture was stirred and mixed with a stirrer at room temperature (25° C.) for 1 hour to cause reduction precipitation. Then, the precipitate was filtered and dried, and then alloying treatment was performed at 900° C. for 1 hour in a 100% by volume hydrogen gas atmosphere to produce catalyst precursor particles B.

このようにして得られた触媒前駆粒子Bにおける触媒金属前駆粒子(Pt−Co合金粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.6重量%(Pt:26.9重量%、Co:4.7重量%)であった。また、触媒金属前駆粒子(Pt−Co合金粒子)の平均粒子径は、約4nmであった。 The supported concentration (supported amount) of the catalyst metal precursor particles (Pt—Co alloy particles) in the catalyst precursor particles B thus obtained was 31.6% by weight (Pt: 26.9% by weight) based on the carrier. , Co: 4.7% by weight). The average particle size of the catalytic metal precursor particles (Pt-Co alloy particles) was about 4 nm.

本例で得られる触媒金属前駆粒子の変態温度および相互拡散下限温度は、それぞれ、750℃および400℃であった。 The transformation temperature and the mutual diffusion lower limit temperature of the catalytic metal precursor particles obtained in this example were 750° C. and 400° C., respectively.

実施例1:電極触媒Aの製造
上記調製例Aと同様にして、触媒前駆粒子Aを製造した。
Example 1 Production of Electrode Catalyst A Catalyst precursor particles A were produced in the same manner as in Preparation Example A above.

この触媒前駆粒子Aに対して、100体積%水素ガス雰囲気下で、室温(25℃)から750℃まで10℃/分の速度で昇温させ、750℃に1分間保持した後、1℃/分の降温速度で400℃まで冷却した。温度が400℃に達した後、40℃/分の降温速度で25℃まで急冷することによって、電極触媒Aを製造した。この電極触媒Aについて、規則度を測定したところ、54%であった。 With respect to the catalyst precursor particles A, the temperature was raised from room temperature (25° C.) to 750° C. at a rate of 10° C./min in a 100 volume% hydrogen gas atmosphere, and the temperature was maintained at 750° C. for 1 minute, and then 1° C./ It was cooled to 400° C. at a cooling rate of minutes. After the temperature reached 400° C., the electrode catalyst A was manufactured by rapidly cooling to 25° C. at a temperature decrease rate of 40° C./min. The order of this electrode catalyst A was measured and found to be 54%.

このようにして得られた電極触媒Aにおける合金粒子(触媒金属粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.9重量%(Pt:29.0重量%、Co:2.9重量%)であった。 The supported concentration (supported amount) of the alloy particles (catalytic metal particles) in the electrode catalyst A thus obtained was 31.9% by weight (Pt: 29.0% by weight, Co: 2. 9% by weight).

実施例2:電極触媒Bの製造
上記調製例Bと同様にして、触媒前駆粒子Bを製造した。
Example 2: Production of Electrode Catalyst B Catalyst precursor particles B were produced in the same manner as in Preparation Example B above.

この触媒前駆粒子Bに対して、100体積%水素ガス雰囲気下で、室温(25℃)から750℃まで10℃/分の速度で昇温させ、750℃に1分間保持した後、1℃/分の降温速度で400℃まで冷却した。温度が400℃に達した後、40℃/分の降温速度で25℃まで急冷することによって、電極触媒Bを製造した。この電極触媒Bについて、規則度を測定したところ、66%であった。 With respect to the catalyst precursor particles B, the temperature was raised from room temperature (25° C.) to 750° C. at a rate of 10° C./min in a 100 vol% hydrogen gas atmosphere, and the temperature was maintained at 750° C. for 1 minute, and then 1° C./ It was cooled to 400° C. at a cooling rate of minutes. After the temperature reached 400° C., the electrode catalyst B was manufactured by rapidly cooling to 25° C. at a temperature decrease rate of 40° C./min. When the order of this electrode catalyst B was measured, it was 66%.

このようにして得られた電極触媒Bにおける合金粒子(触媒金属粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.6重量%(Pt:26.9重量%、Co:4.7重量%)であった。 The supported concentration (supported amount) of the alloy particles (catalytic metal particles) in the electrode catalyst B thus obtained was 31.6% by weight (Pt: 26.9% by weight, Co: 4. 7% by weight).

実施例3:電極触媒Cの製造
上記調製例Bと同様にして、触媒前駆粒子Bを製造した。
Example 3: Production of Electrode Catalyst C In the same manner as in Preparation Example B above, catalyst precursor particles B were produced.

この触媒前駆粒子Bに対して、100体積%アルゴンガス雰囲気下で、室温(25℃)から750℃まで10℃/分の速度で昇温させ、750℃に1分間保持した後、1℃/分の降温速度で400℃まで冷却した。温度が400℃に達した後、40℃/分の降温速度で25℃まで急冷することによって、電極触媒Cを製造した。この電極触媒Cについて、規則度を測定したところ、49%であった。 With respect to the catalyst precursor particles B, the temperature was raised from room temperature (25° C.) to 750° C. at a rate of 10° C./min in a 100 vol% argon gas atmosphere, and the temperature was maintained at 750° C. for 1 minute, and then 1° C./ It was cooled to 400° C. at a cooling rate of minutes. After the temperature reached 400° C., the electrode catalyst C was manufactured by rapidly cooling to 25° C. at a temperature decrease rate of 40° C./min. The order of this electrode catalyst C was measured and found to be 49%.

このようにして得られた電極触媒Cにおける合金粒子(触媒金属粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.6重量%(Pt:26.9重量%、Co:4.7重量%)であった。 The supported concentration (supported amount) of the alloy particles (catalytic metal particles) in the electrode catalyst C thus obtained was 31.6 wt% (Pt: 26.9 wt %, Co: 4. 7% by weight).

実施例4:電極触媒Dの製造
上記調製例Bと同様にして、触媒前駆粒子Bを製造した。
Example 4: Production of Electrode Catalyst D Catalyst precursor particles B were produced in the same manner as in Preparation Example B above.

この触媒前駆粒子Bに対して、100体積%アルゴンガス雰囲気下で、室温(25℃)から750℃まで10℃/分の速度で昇温させ、750℃に1分間保持した後、0.5℃/分の降温速度で400℃まで冷却した。温度が400℃に達した後、40℃/分の降温速度で25℃まで急冷することによって、電極触媒Dを製造した。この電極触媒Dについて、規則度を測定したところ、58%であった。 With respect to the catalyst precursor particles B, the temperature was raised from room temperature (25° C.) to 750° C. at a rate of 10° C./min in a 100 vol% argon gas atmosphere, and the temperature was maintained at 750° C. for 1 minute, then 0.5 It was cooled to 400° C. at a temperature decreasing rate of° C./min. After the temperature reached 400° C., the electrode catalyst D was manufactured by rapidly cooling to 25° C. at a temperature decrease rate of 40° C./min. The order of this electrode catalyst D was measured and found to be 58%.

このようにして得られた電極触媒Dにおける合金粒子(触媒金属粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.6重量%(Pt:26.9重量%、Co:4.7重量%)であった。 The supported concentration (supported amount) of the alloy particles (catalytic metal particles) in the electrode catalyst D thus obtained was 31.6% by weight (Pt: 26.9% by weight, Co: 4. 7% by weight).

比較例1:比較電極触媒Eの製造
上記調製例Aと同様にして、触媒前駆粒子Aを製造した。
Comparative Example 1: Production of Comparative Electrode Catalyst E Catalyst precursor particles A were produced in the same manner as in Preparation Example A above.

この触媒前駆粒子Aに対して、100体積%水素ガス雰囲気下で、室温(25℃)から650℃まで10℃/分の速度で昇温させ、650℃に2時間保持した後、40℃/分の降温速度で25℃まで急冷することによって、比較電極触媒Eを製造した。この比較電極触媒Eについて、規則度を測定したところ、31%であった。 With respect to the catalyst precursor particles A, the temperature was raised from room temperature (25° C.) to 650° C. at a rate of 10° C./min in a 100 vol% hydrogen gas atmosphere, and the temperature was maintained at 650° C. for 2 hours, then 40° C./ Comparative Electrode Catalyst E was prepared by quenching to 25° C. at a cooling rate of minutes. The order of this comparative electrode catalyst E was measured and found to be 31%.

このようにして得られた比較電極触媒Eにおける合金粒子(触媒金属粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.9重量%(Pt:29.0重量%、Co:2.9重量%)であった。 The supported concentration (supported amount) of the alloy particles (catalyst metal particles) in the comparative electrode catalyst E thus obtained was 31.9% by weight (Pt: 29.0% by weight, Co: 2) based on the carrier. 1.9% by weight).

比較例2:比較電極触媒Fの製造
上記調製例Aと同様にして、触媒前駆粒子Aを製造した。
Comparative Example 2: Production of Comparative Electrode Catalyst F In the same manner as in Preparation Example A above, catalyst precursor particles A were produced.

この触媒前駆粒子Aに対して、100体積%水素ガス雰囲気下で、室温(25℃)から700℃まで10℃/分の速度で昇温させ、700℃に2時間保持した後、40℃/分の降温速度で25℃まで急冷することによって、比較電極触媒Fを製造した。この比較電極触媒Fについて、規則度を測定したところ、41%であった。 With respect to the catalyst precursor particles A, the temperature was raised from room temperature (25° C.) to 700° C. at a rate of 10° C./min in a 100 volume% hydrogen gas atmosphere, and the temperature was maintained at 700° C. for 2 hours, and then 40° C./ Comparative Electrode Catalyst F was produced by quenching to 25° C. at a temperature decrease rate of minutes. The order of the comparative electrode catalyst F was measured and found to be 41%.

このようにして得られた比較電極触媒Fにおける合金粒子(触媒金属粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.9重量%(Pt:29.0重量%、Co:2.9重量%)であった。 The supported concentration (supported amount) of the alloy particles (catalyst metal particles) in the comparative electrode catalyst F thus obtained was 31.9% by weight (Pt: 29.0% by weight, Co: 2) based on the carrier. 1.9% by weight).

比較例3:比較電極触媒Gの製造
上記調製例Aと同様にして、触媒前駆粒子Aを製造した。
Comparative Example 3: Production of Comparative Electrode Catalyst G Catalyst precursor particles A were produced in the same manner as in Preparation Example A above.

この触媒前駆粒子Aに対して、100体積%水素ガス雰囲気下で、室温(25℃)から700℃まで10℃/分の速度で昇温させ、700℃に4時間保持した後、40℃/分の降温速度で25℃まで急冷することによって、比較電極触媒Gを製造した。この比較電極触媒Gについて、規則度を測定したところ、48%であった。 With respect to the catalyst precursor particles A, the temperature was raised from room temperature (25° C.) to 700° C. at a rate of 10° C./min in a 100 vol% hydrogen gas atmosphere, and the temperature was maintained at 700° C. for 4 hours, and then 40° C./ Comparative Electrode Catalyst G was produced by quenching to 25° C. at a temperature decrease rate of minutes. The order of the comparative electrode catalyst G was measured and found to be 48%.

このようにして得られた比較電極触媒Gにおける合金粒子(触媒金属粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.9重量%(Pt:29.0重量%、Co:2.9重量%)であった。 The supported concentration (supported amount) of the alloy particles (catalyst metal particles) in the comparative electrode catalyst G thus obtained was 31.9% by weight (Pt: 29.0% by weight, Co: 2) based on the carrier. 1.9% by weight).

比較例4:比較電極触媒Hの製造
上記調製例Bと同様にして、触媒前駆粒子Bを製造した。
Comparative Example 4: Production of Comparative Electrode Catalyst H In the same manner as in Preparation Example B above, catalyst precursor particles B were produced.

この触媒前駆粒子Bに対して、100体積%水素ガス雰囲気下で、室温(25℃)から900℃まで10℃/分の速度で昇温させ、900℃に2時間保持した後、10℃/分の降温速度で25℃まで急冷することによって、比較電極触媒Hを製造した。この比較電極触媒Hについて、規則度を測定したところ、72%であった。 With respect to the catalyst precursor particles B, the temperature was raised from room temperature (25° C.) to 900° C. at a rate of 10° C./min in a 100 volume% hydrogen gas atmosphere, and the temperature was maintained at 900° C. for 2 hours, and then 10° C./ Comparative Electrode Catalyst H was manufactured by quenching to 25° C. at a temperature decrease rate of minutes. The regularity of this comparative electrode catalyst H was measured and found to be 72%.

このようにして得られた比較電極触媒Hにおける合金粒子(触媒金属粒子)の担持濃度(担持量)は、担体に対して、31.6重量%(Pt:26.9重量%、Co:4.7重量%)であった。 The supported concentration (supported amount) of the alloy particles (catalyst metal particles) in the comparative electrocatalyst H thus obtained was 31.6% by weight (Pt: 26.9% by weight, Co: 4) based on the carrier. It was 0.7% by weight).

上記にて得られた電極触媒A〜Dおよび比較電極触媒E〜Hについて、下記方法にしたがって、比表面積(m/g Pt)および質量比活性(μA/g Pt)を測定した。結果を下記表2に示す。 Regarding the electrode catalysts A to D and the comparative electrode catalysts E to H obtained above, the specific surface area (m 2 /g Pt) and the mass specific activity (μA/g Pt) were measured according to the following methods. The results are shown in Table 2 below.

<比表面積の測定>
実施例および比較例の電極触媒を、それぞれ、直径5mmのグラッシーカーボンディスクにより構成される回転ディスク電極(RDE、幾何面積:0.19cm)上に白金の単位面積当たりの担持量が34μg/cmとなるように、Nafion(登録商標)(Nafionの塗布量=10μg/cm)と共に、均一に分散担持し、性能評価用RDE電極を作製した。
<Measurement of specific surface area>
The electrode catalysts of Examples and Comparative Examples were each loaded with 34 μg/cm 2 of platinum per unit area on a rotating disk electrode (RDE, geometric area: 0.19 cm 2 ) composed of a glassy carbon disk having a diameter of 5 mm. A Nafion (registered trademark) (coating amount of Nafion=10 μg/cm 2 ) was uniformly dispersed and carried so as to have a value of 2, and a RDE electrode for performance evaluation was produced.

各実施例及び比較例の性能評価用RDE電極に対して、電気化学計測装置を用い、Nガスで飽和した25℃の0.1M過塩素酸中において、可逆水素電極(RHE)に対して0.05〜1.2Vの電位範囲で、50mVs−1の走査速度でサイクリックボルタンメトリーを行った。得られたボルタモグラムの0.05〜0.4Vに現れる水素吸着ピークの面積より、各電極触媒の電気化学的表面積(cm)を算出した。これをRDE電極上の白金担持量で除した値を比表面積(m/g Pt)とした。 For the RDE electrode for performance evaluation of each example and comparative example, using an electrochemical measuring device, in 0.1 M perchloric acid at 25° C. saturated with N 2 gas, a reversible hydrogen electrode (RHE) was used. Cyclic voltammetry was performed at a scanning rate of 50 mVs −1 in the potential range of 0.05 to 1.2V. The electrochemical surface area (cm 2 ) of each electrode catalyst was calculated from the area of the hydrogen adsorption peak appearing at 0.05 to 0.4 V in the obtained voltammogram. The value obtained by dividing this by the amount of platinum supported on the RDE electrode was taken as the specific surface area (m 2 /g Pt).

<質量比活性の測定>
実施例及び比較例の性能評価用RDE電極に対して、電気化学計測装置を用い、酸素で飽和した25℃の0.1M過塩素酸中で、0.2Vから1.2Vまで速度10mV/sで電位走査を行った。さらに、電位走査によりに得られた電流から、物質移動(酸素拡散)の影響をKoutecky−Levich式を用いて補正した上で、0.9Vでの電流値を抽出した。そして、得られた電流値を上記単位面積当たりの白金担持量から算出した全白金担持量(6.7μg)で除した値を質量比活性(A/g Pt)とした。Koutecky−Levich式を用いた方法は、例えば、Electrochemistry Vol.79, No.2, p.116−121 (2011) (対流ボルタモグラム(1)酸素還元(RRDE))の「4 Pt/C触媒上での酸素還元反応の解析」に記載されている。
<Mass specific activity measurement>
For the RDE electrodes for performance evaluation of the examples and comparative examples, using an electrochemical measuring device, in 0.1 M perchloric acid saturated with oxygen at 25° C., a speed of 10 mV/s from 0.2 V to 1.2 V. The potential scanning was performed at. Furthermore, the effect of mass transfer (oxygen diffusion) was corrected from the current obtained by the potential scanning using the Koutecky-Levich equation, and then the current value at 0.9 V was extracted. Then, the value obtained by dividing the obtained current value by the total amount of platinum carried (6.7 μg) calculated from the amount of platinum carried per unit area was taken as the mass specific activity (A/g Pt). The method using the Koutecky-Levich formula is described in, for example, Electrochemistry Vol. 79, No. 2, p. 116-121 (2011) (Convection voltammogram (1) Oxygen reduction (RRDE)) in "Analysis of oxygen reduction reaction on 4 Pt/C catalyst".

上記表2の結果から、実施例1〜4の電極触媒A〜Dは、本発明で規定される降温条件から外れる方法によって製造される比較電極触媒E〜Hに比して、質量比活性を有意に向上できることがわかる。この結果は、実施例1〜4の電極触媒A〜Dは、本発明の熱処理条件から外れる方法によって製造される比較電極触媒E〜Hに比して、比表面積を有意に増大できることによることが考察される。 From the results of Table 2 above, the electrocatalysts A to D of Examples 1 to 4 have a mass specific activity that is higher than that of the comparative electrocatalysts E to H produced by the method deviating from the temperature lowering condition specified in the present invention. It can be seen that it can be significantly improved. This result is because the electrocatalysts A to D of Examples 1 to 4 can significantly increase the specific surface area as compared with the comparative electrocatalysts E to H produced by the method deviating from the heat treatment conditions of the present invention. Be considered.

1…固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2…固体高分子電解質膜、
3…触媒層、
3a…アノード触媒層、
3c…カソード触媒層、
4a…アノードガス拡散層、
4c…カソードガス拡散層、
5a…アノードセパレータ、
5c…カソードセパレータ、
6a…アノードガス流路、
6c…カソードガス流路、
7…冷媒流路、
10…電解質膜−電極接合体(MEA)。
1... Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC),
2... Solid polymer electrolyte membrane,
3... Catalyst layer,
3a... Anode catalyst layer,
3c... Cathode catalyst layer,
4a... Anode gas diffusion layer,
4c... Cathode gas diffusion layer,
5a... Anode separator,
5c... Cathode separator,
6a... Anode gas flow path,
6c... Cathode gas flow path,
7... Refrigerant flow path,
10... Electrolyte membrane-electrode assembly (MEA).

Claims (4)

白金原子と非白金金属原子からなる合金粒子を導電性担体に担持して、触媒前駆粒子を製造し;
前記触媒前駆粒子を、初期設定温度にまで加熱した後、前記初期設定温度で10分未満の間維持した後、5℃/分未満の速度で降温することを有し、
前記初期設定温度が、前記合金粒子の規則度の温度依存性曲線から求められた、前記合金粒子が規則化/不規則化する変態温度以上であり、
前記非白金金属原子が遷移金属原子である、電極触媒の製造方法。
An alloy particle composed of a platinum atom and a non-platinum metal atom is supported on a conductive carrier to produce a catalyst precursor particle;
Wherein the catalyst precursor particles, after heating to the initial set temperature was maintained for less than 10 minutes by the initial set temperature, possess that cooling at a rate of less than 5 ° C. / min,
The initial set temperature is equal to or higher than the transformation temperature at which the alloy particles are ordered/disordered, which is obtained from the temperature dependence curve of the order of the alloy particles.
The method for producing an electrode catalyst, wherein the non-platinum metal atom is a transition metal atom .
前記触媒前駆粒子を、前記合金粒子の規則度の温度依存性曲線から求められた、前記合金粒子の中で白金原子と非白金金属原子が相互拡散できる温度以下まで、5℃/分未満の速度で降温した後、5℃/分以上の速度でさらに降温する、請求項1に記載の方法。 A rate of less than 5° C./min for the catalyst precursor particles up to a temperature at which platinum atoms and non-platinum metal atoms can interdiffuse in the alloy particles, which is determined from the temperature dependence curve of the order of the alloy particles. The method according to claim 1, wherein the temperature is further lowered at a rate of 5° C./minute or more after the temperature is lowered at 5. 前記遷移金属原子が、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびジルコニウム(Zr)からなる群より選択される、請求項1または2に記載の方法。 The transition metal atom is selected from the group consisting of vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), copper (Cu), zinc (Zn) and zirconium (Zr). The method according to claim 1 , wherein the method is performed. 前記遷移金属原子が、コバルト(Co)である、請求項に記載の方法。 The method of claim 3 , wherein the transition metal atom is cobalt (Co).
JP2016057458A 2016-03-22 2016-03-22 Method for manufacturing electrode catalyst Active JP6720611B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016057458A JP6720611B2 (en) 2016-03-22 2016-03-22 Method for manufacturing electrode catalyst

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016057458A JP6720611B2 (en) 2016-03-22 2016-03-22 Method for manufacturing electrode catalyst

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017174561A JP2017174561A (en) 2017-09-28
JP6720611B2 true JP6720611B2 (en) 2020-07-08

Family

ID=59973443

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016057458A Active JP6720611B2 (en) 2016-03-22 2016-03-22 Method for manufacturing electrode catalyst

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6720611B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7113422B2 (en) * 2018-03-05 2022-08-05 地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所 Method for producing nanoparticle-linked catalyst

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110274968A1 (en) * 2008-12-23 2011-11-10 Iti Scotland Limited Titanium composite electrodes and methods therefore
JP6028027B2 (en) * 2011-07-21 2016-11-16 ケミースキ インスティテュートKemijski Institut Electrocatalyst composite material, method of producing the composite material, and method of using the same
US10014532B2 (en) * 2013-08-09 2018-07-03 Nissan Motor Co., Ltd. Catalyst particle, and electrode catalyst, electrolyte membrane-electrode assembly, and fuel cell using the same
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
KR20170129885A (en) * 2015-03-24 2017-11-27 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 Porous electrodes and electrochemical cells and liquid flow batteries manufactured therefrom

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017174561A (en) 2017-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10847811B2 (en) Catalyst particle, and electrode catalyst, electrolyte membrane-electrode assembly, and fuel cell using the same
KR102076926B1 (en) Electrode catalyst and membrane electrode assembly and fuel cell using the electrode catalyst
JP6583417B2 (en) Catalyst particles, electrode catalyst using the same, electrolyte membrane-electrode assembly, and fuel cell
JP6603396B2 (en) Carbon powder for fuel cell and catalyst, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly and fuel cell using carbon powder for fuel cell
JP2016054065A (en) Manufacturing method of electrode catalyst
WO2016152506A1 (en) Carbon powder for fuel cell, catalyst using said carbon powder for fuel cell, electrode catalyst layer, membrane electrode assembly, and fuel cell
JP6759651B2 (en) Method for producing catalyst particles and method for producing electrode catalyst
JP6720611B2 (en) Method for manufacturing electrode catalyst
JP6191326B2 (en) ELECTRODE CATALYST PARTICLE FOR FUEL CELL, ELECTRODE CATALYST FOR FUEL CELL USING THE SAME, ELECTROLYTE-ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCING CATALYTIC PARTICLE AND CATALYST
JP6862792B2 (en) Method of manufacturing electrode catalyst
JP6950255B2 (en) Fuel cell catalyst
JP6846210B2 (en) Electrode catalyst and membrane electrode assembly and fuel cell using the electrode catalyst
JP2016143595A (en) Method for manufacturing electrode catalyst
WO2015118922A1 (en) Electrode catalyst and method for producing same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190122

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20191205

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191217

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200121

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200519

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200601

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6720611

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151