JP6793136B2 - 電極触媒 - Google Patents
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Description
(i)電極触媒層はガス拡散層に塗布されて、ガス拡散電極を形成しうる。ガス拡散電極は、イオン伝導性膜のいずれかの側に配置され、一緒に積層化されて、5層のMEAを形成しうる。
(ii)電極触媒層は、イオン伝導性膜の両面に塗布され、触媒でコーティングされたイオン伝導性膜を形成しうる。その後、ガス拡散層は、触媒でコーティングされたイオン伝導性膜の各面に塗布される。
(iii)MEAは、一方の面が電極触媒層でコーティングされたイオン伝導性膜、電極触媒層に隣接するガス拡散層、及びイオン伝導性膜の他方の面上のガス拡散電極から形成することができる。
(i)金属炭化物ナノチューブ
(ii)金属炭化物ナノチューブ上に堆積した金属又は金属合金
を含む電極触媒材料を提供する。
(ii)金属炭化物ナノチューブ上に堆積した金属又は金属合金
を含む電極触媒材料を調製するための方法であって、
(i)担体ポリマーの存在下で適切な金属前駆体を電界紡糸して、電界紡糸構造物を形成する工程;
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程;及び
(iv)金属炭化物ナノチューブ上に金属又は金属合金を堆積させる工程
を含む方法もまた提供される。
(ii)金属炭化物ナノチューブ上に付着した金属又は金属合金
を含む電極触媒材料であって、
(i)担体ポリマーの存在下で適切な金属前駆体を電界紡糸して、電界紡糸構造物を形成する工程;
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程;及び
(iv)金属炭化物ナノチューブ上に金属又は金属合金を付着させる工程
を含む方法により得られる電極触媒材料もまた提供される。
(i)金属炭化物ナノチューブ;及び
(ii)金属炭化物ナノチューブ上に堆積した金属又は金属合金
を含む触媒層もまた提供される。
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;及び
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程
を含む、金属炭化物ナノチューブを作製するための方法もまた提供される。
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程
を含む方法により得られる金属炭化物ナノチューブもまた提供される。
ナノチューブは、連続した円筒状空洞を有する中空1Dナノ構造として定義される。ナノチューブは、固体コアを有するナノ繊維とは区別される。用語「1D」は、幅よりも著しく長い、即ち、長さ/直径の高いアスペクト比(例えば、少なくとも2)を有する、ナノチューブのような物体に使用される。
(i)担体ポリマーの存在下で適切な金属前駆体を電界紡糸して、電界紡糸構造物を形成する工程;
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程
を含む金属炭化物ナノチューブの調製のための方法を提供する。
(i)担体ポリマーの存在下で適切な金属前駆体を電界紡糸して、電界紡糸構造物を形成する工程;
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程
を含む方法により得られる金属炭化物ナノチューブを提供する。
金属ナノチューブ上に堆積した金属又は金属合金は、電気化学反応、例えば水素酸化反応、酸素還元反応、水素発生反応等に活性を有するような、当業者により知られる任意の金属又は金属合金でありうる。
(i)白金族金属(白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウム)、
(ii)金又は銀、
(iii)卑金属
から適切に選択される主要金属を含む。
金属炭化物ナノチューブ上への金属又は金属合金粉末の堆積は多くの方法によって実行することができる:
(i)金属又は金属合金ナノ粒子を形成し、続いて、ナノ粒子を金属炭化物ナノチューブ上に堆積させること(二段階合成プロセス)
(ii)金属前駆体(複数可)の溶液から金属炭化物ナノチューブ上にin situで直接金属又は金属合金を形成し堆積させること(一段階合成プロセス)
(iii)物理的堆積法、例えば原子層堆積又は電気化学的方法により金属又は金属合金のフィルム直接堆積させ、金属又は金属合金の延長された薄いフィルムを金属炭化物ナノチューブの表面上に形成すること。
(i)金属炭化物ナノチューブ;及び
(ii)金属炭化物ナノチューブ上に堆積した金属又は金属合金
を含む電極触媒材料の調製のための方法であって、
(i)担体ポリマーの存在下で適切な金属前駆体を電界紡糸して、電界紡糸構造物を形成する工程;
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;及び
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程
(iv)金属炭化物ナノチューブ上に金属又は金属合金を堆積させる工程
を含む方法を提供する。
(i)金属炭化物ナノチューブ;及び
(ii)金属炭化物ナノチューブ上に堆積した金属又は金属合金
を含む電極触媒材料であって、
(i)担体ポリマーの存在下で適切な金属前駆体を電界紡糸して、電界紡糸構造物を形成する工程;
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;及び
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程
(iv)金属炭化物ナノチューブ上に金属又は金属合金を堆積させる工程
を含む方法により得られる電極触媒材料を提供する。
− 触媒層は、適切には≧1μm;より適切には≧2μmの厚さであり;好ましくは≧5μmの厚さである。
− 触媒層は適切には≦15μmであり;より適切には≦10μmの厚さである。
− 主要金属のローディングは適切には≦0.3mg/cm2;適切には≦0.2mg/cm2;より適切には≦0.15mg/cm2である。
− 主要金属のローディングは適切には≧0.02mg/cm2である。
− 触媒層は適切には≧2μmであり;より適切には≧5μmの厚さである。
− 触媒層は適切には≦20μmであり;より適切には≦15μmの厚さである。
− 触媒層における主要金属のローディングは≦0.4mg/cm2、適切には≦0.25mg/cm2である。
− 触媒層における主要金属のローディングは≧0.05mg/cm2、適切には≧0.1mg/cm2である。
− 触媒層は適切には≧1μmであり;より適切には≧5μmの厚さである。
− 触媒層は適切には≦20μmであり;より適切には≦15μmの厚さである。
− 触媒層における主要金属のローディングは≦0.7mg/cm2、適切には≦0.5 mg/cm2である。
− 触媒層における主要金属のローディングは≧0.05mg/cm2、適切には≧0.1mg/cm2である。
(i)プロトン伝導性膜は、少なくとも一つが本発明によるガス拡散電極である二つの電極(一つのアノードと一つのカソード)の間に集められ、結合されうる;
(ii)触媒層によってのみ片面がコーティングされる触媒コーティングされた膜は、(a)触媒層でコーティングされる膜の側と接触するガス拡散層とガス拡散電極との間に集合し、好ましくは結合してもよく、ここで、触媒層と電極の少なくとも一が本発明の触媒層を含む;
(iii)触媒層で両面がコーティングされる触媒コーティングされた膜は、二つのガス拡散層間に集合し、好ましくは結合してもよく、ここで、触媒層との少なくとも一が本発明による触媒層を含む。
炭化ニオブナノチューブの調製
以下のプロセスを使用して炭化ニオブナノチューブを調製した。電界紡糸溶液は、1.8gのアンモニウムニオベートオキサレート(ANO)が溶けた5gの蒸留水と5gのポリビニルピロリドン(PVP、Mw 1,300,000、Aldrichより購入)をそれぞれ4gのエタノールに溶かした溶液を混合して調製した。
表1:NbCナノチューブ合成経路の詳細
マイクロウェーブアシストのポリオール法を使用して、Ptナノ触媒粒子を合成した。70mgのヘキサクロロ白金酸(H2PtCl6. 6H2O、99.9%、Alfa Aesar)を50mLのエチレングリコール(99.5%、Fluka)に溶かし、pHをエチレングリコール中1MのNaOH溶液(98%、Sigma Aldrich)を使用してpH11に調整した。得られた溶液をマイクロウェーブ反応器(MiniFlow 200SS Sairem)中、120℃で6分間加熱した。懸濁液を、5mLのエチレングリコール中40mgのNbCナノチューブを含有する合成されたままのPtナノ粒子懸濁液に添加し、pHを2に調整した。24時間軽く撹拌した後、生成物を濾過によって回収し、ミリQ水とエタノールで洗浄し、80℃で一晩乾燥させた。炭化ニオブナノチューブ上(任意の残留炭素を含む。)の白金のローディングは、(走査型電子顕微鏡法−エネルギー分散X線分光法(SEM−EDX))によって測定された場合)30重量%であった。NbC/C比に伴う質量変化に関連するキャリブレーションを介した熱重量分析により、残留炭素の量を調査して、残留炭素の量は4重量%であった。(NbC+C残留の総重量に対する)
炭化ニオブナノ繊維の調製
以下のプロセスを使用して炭化ニオブナノ繊維を調製した。0.45gのポリアクリロニトリル(PAN)が溶けた6gのジメチルホルムアミド(DMF)に0.76gの塩化ニオブを添加することにより、電界紡糸溶液を調製した。高圧電力供給(0〜20kV)及びステンレス鋼針を備えたシリンジを含む電界紡糸設定によって12kV電圧を用いて0.3mL/時で電界紡糸する前に、溶液を一晩撹拌した。回収したNb2O5−PAN複合繊維をアルゴン下1100℃で3.5時間直接増熱した。そのプロセス条件を表2にまとめる。
表2:NbCナノ繊維合成経路の詳細
実施例1に記載される類似プロセスを使用して、白金触媒ナノ粒子を調製し、炭化ニオブナノ繊維上に堆積させた。炭化ニオブナノ繊維への白金のローディングは15重量%であった。
50重量%の白金ローディングを有するAlfa Aesar(登録商標)より、白金/カーボンブラック触媒HiSPECTM 8000を得た。
ガラス炭素回転ディスク電極(RDE)(作用電極、0.196cm2の幾何学領域)、可逆水素電極(参照電極、RHE)及び白金ワイヤ(対電極)から成る従来の三電極電池においてex−situの電気化学分析を行った。PineバイポテンショスタットモデルAFCBP1を使用した。全ての電位値をRHEと称する。
N2飽和HClO4(0.1M溶液)中50mV/でサイクリックボルタメトリー法を行い、Pt部位からの水素の脱着に相当するピークを統合することにより、白金触媒の電気化学表面積(ECSA)を算出した。
表3:1.4V及び1.2Vに対する加速ストレス試験中のECSA及びECSA損失
Claims (14)
- (i)金属炭化物ナノチューブ
(ii)金属炭化物ナノチューブ上に堆積した金属又は金属合金
を含む電極触媒材料であって、
金属炭化物ナノチューブが最大10重量%の残留炭素を含む、電極触媒材料。 - (i)金属炭化物ナノチューブ
(ii)金属炭化物ナノチューブ上に堆積した金属又は金属合金
を含む電極触媒材料であって、
金属炭化物ナノチューブが、炭化チタンナノチューブ、炭化ジルコニウムナノチューブ、炭化ハフニウムナノチューブ、炭化バナジウムナノチューブ、炭化ニオブナノチューブ、炭化タンタルナノチューブ、炭化タングステンナノチューブから成る群より選択される、電極触媒材料。 - 金属炭化物ナノチューブが、IV族金属炭化物ナノチューブ、V族金属炭化物ナノチューブ及びVI族金属炭化物ナノチューブから成る群より選択される、請求項1に記載の電極触媒材料。
- 金属炭化物ナノチューブが、炭化チタンナノチューブ、炭化ジルコニウムナノチューブ、炭化ハフニウムナノチューブ、炭化バナジウムナノチューブ、炭化ニオブナノチューブ、炭化タンタルナノチューブ、炭化モリブデンナノチューブ及び炭化タングステンナノチューブから成る群より選択される、請求項1に記載の電極触媒材料。
- 金属炭化物ナノチューブが炭化ニオブナノチューブである、請求項2から4のいずれか一項に記載の電極触媒材料。
- 金属炭化物ナノチューブが最大10重量%の残留炭素を含む、請求項2から5のいずれか一項に記載の電極触媒材料。
- 金属又は金属合金が
(i)白金族金属(白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウム)、
(ii)金又は銀、
(iii)卑金属
から適切に選択される主要金属を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の電極触媒。 - 主要金属が白金である、請求項7に記載の電極触媒材料。
- 白金が、一若しくは複数の他の白金族金属、金、銀又は卑金属と合金化されている、請求項8に記載の電極触媒材料。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の電極触媒材料を含む電極触媒インク。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の電極触媒材料を含む触媒層。
- 水素酸化反応、酸素還元反応又は水素発生反応のための、請求項1から9のいずれか一項に記載の電極触媒材料の使用。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の電極触媒材料を調製するための方法であって、
(i)担体ポリマーの存在下で適切な金属前駆体を電界紡糸して、電界紡糸構造物を形成する工程;
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程;及び
(iv)金属炭化物ナノチューブ上に金属又は金属合金を堆積させる工程
を含む方法。 - 金属炭化物ナノチューブを作製するための方法であって、
(i)担体ポリマーの存在下で適切な金属前駆体を電界紡糸して、電界紡糸構造物を形成する工程;
(ii)電界紡糸構造物を焼成して、担体ポリマーを除去し、金属酸化物電界紡糸構造物を形成する工程;及び
(iii)増熱して金属酸化物電界紡糸構造物を金属炭化物ナノチューブに変換する工程
を含む方法。
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