JP7025636B2 - Supported metal catalyst and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、担持金属触媒及びその製造方法に関する。本発明の担持金属触媒は、燃料電池のカソード電極触媒として好適に用いられる。 The present invention relates to a supported metal catalyst and a method for producing the same. The supported metal catalyst of the present invention is suitably used as a cathode electrode catalyst for a fuel cell.
特許文献1には、燃料電池用触媒層であって、前記燃料電池用触媒層は、SnO2担体の表面に白金または白金合金を担持した触媒複合体及び当該触媒複合体を被覆するプロトン伝導性を有するポリマーであるアイオノマーを含有し、前記SnO2担体の質量(MO)に対する前記アイオノマーの質量(I)の比(I/MO)が0.10~0.12の範囲であることを特徴とする燃料電池用触媒層が開示されている。 Patent Document 1 describes a catalyst layer for a fuel cell, wherein the catalyst layer for a fuel cell is a catalyst composite in which platinum or a platinum alloy is supported on the surface of a SnO 2 carrier, and proton conductivity covering the catalyst composite. It is characterized by containing an ionomer which is a polymer having the above, and the ratio (I / MO) of the mass (I) of the ionomer to the mass (MO) of the SnO 2 carrier is in the range of 0.10 to 0.12. The catalyst layer for a fuel cell is disclosed.
特許文献1では、I/MOを特定の範囲にすることによって、幅広い湿度環境において高い発電性能を発揮させる点が検討されているが、発電性能については、さらに改善させることが要望されている。 In Patent Document 1, it is studied that high power generation performance can be exhibited in a wide humidity environment by setting the I / MO in a specific range, but it is requested that the power generation performance be further improved.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、発電性能を高めることが可能な担持金属触媒を提供するものである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a supported metal catalyst capable of enhancing power generation performance.
本発明によれば、担体微粒子の集合体である担体粉末と、前記担体粉末に担持された金属微粒子と、前記担体微粒子を被覆するように形成された被覆層を備え、前記被覆層は、プロトン伝導性を有するポリマーで構成され、前記被覆層の平均厚さをdとし、前記金属微粒子の平均粒径をDとすると、以下の条件(1)~(2)の少なくとも一方が充足される、担持金属触媒が提供される。
(1)0.18≦d/D≦0.32
(2)0.18≦d/D≦0.55であり、かつ2.5nm≦D≦4.9nm
According to the present invention, a carrier powder which is an aggregate of carrier fine particles, metal fine particles supported on the carrier powder, and a coating layer formed so as to cover the carrier fine particles are provided, and the coating layer is a proton. When the coating layer is made of a conductive polymer and the average thickness of the coating layer is d and the average particle size of the metal fine particles is D, at least one of the following conditions (1) and (2) is satisfied. A supported metal catalyst is provided.
(1) 0.18 ≦ d / D ≦ 0.32
(2) 0.18 ≦ d / D ≦ 0.55 and 2.5 nm ≦ D ≦ 4.9 nm
本発明者らが鋭意検討を行ったところ、条件(1)又は(2)が充足される場合に、発電性能が非常に高くなることを見出し、本発明の完成に到った。 As a result of diligent studies by the present inventors, it was found that the power generation performance becomes extremely high when the condition (1) or (2) is satisfied, and the present invention has been completed.
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴事項について独立して発明が成立する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The various features shown in the embodiments shown below can be combined with each other. In addition, the invention is independently established for each characteristic item.
1.担持金属触媒100
図1~図5に示すように、担持金属触媒100は、担体微粒子150の集合体である担体粉末と、担体粉末に担持される金属微粒子130と、担体微粒子150を被覆するように形成された被覆層140を備える。以下、各構成について説明する。
1. 1. Supported
As shown in FIGS. 1 to 5, the supported
1-1.担体微粒子150及び担体粉末
図1~図4に示すように、担体微粒子150には、その分枝160及びその複数の分枝間に存在する孔で取り囲まれた立体的な空隙110が形成されている。分枝160は、担体微粒子150を構成する複数の結晶子120が鎖状に融着結合されて構成された鎖状部が枝として分かれた部分である。酸化剤である酸素及びまたは燃料である水素を拡散させ、担持金属触媒100上へ輸送するガス拡散経路を上記した担体微粒子150の立体配置により形成されている。このような構造の担体微粒子150は、特許文献2に開示されている。
1-1. Carrier
図1~図4に担持金属触媒の構造モデルの例として示したように、担体微粒子150は、分枝同士がつながる点(分岐点、以下単に分岐と称す場合もあり)b1、b2、b5、b4、b1で囲まれた第1の孔部、分岐点b1、b2、b3、b1で囲まれた第2の孔部、分岐点b2、b3、b6、b7、b5、b2で囲まれた第3の孔部、分岐点b1、b3、b6、b7、b5、b4、b1で囲まれた第4の孔部の計4つの孔部を備える。ここで各孔部(第1~第4の孔部)の分岐点で囲まれた面を孔面とすると、空隙110はこれら4つの孔面で囲まれる立体的空間である。担体微粒子150は、このように複数の分枝同士がつながる複数の分岐点で囲まれる孔部を複数備える。そして複数の孔部によって囲まれる立体的空間(空隙)が互いに連続して備えられた構造となっている。したがってこの空隙が酸素や水素などのガス拡散径路(ガス拡散パス)となる。図4は、図1におけるガス拡散径路を示す図である。図4では、空隙110のガス拡散径路(ガス拡散パス)の一例を示している。酸化剤(ガス)、燃料ガス等の流れ(ガス拡散径路)170は図4に示すように空隙110を介して所望の方向に流れることができる。つまりこの空隙110がガス拡散径路となる。
As shown in FIGS. 1 to 4 as an example of the structural model of the supported metal catalyst, the carrier
なお、担体微粒子150の簡素な構成としては、単に1つの孔部(たとえば分岐点b1、b2、b5、b4、b1で囲まれた第1の孔部)を備えるようにしてもよい。この場合は、結晶子120の結晶子粒の厚みの分の空隙110を備えることになる。さらに簡素な構成としては、担体微粒子150は1つ以上の分枝を持つものであってもよい。この場合であっても担体微粒子150同士間に分枝があるために密着できずその間に空隙110を備えることができる。
As a simple configuration of the carrier
なお、上記で孔部と記したところは、閉曲線(クローズドループ)と言い換えてもよい。あるいは、複数の上述した分岐点(たとえば分岐点b1~b7)を含む閉曲面に囲まれた空隙110を有すると言い換えることもできる。分岐点b1~b7としては、分枝同士がつながる担体微粒子150を構成する金属酸化物の結晶子の重心としてとらえることもできるし、あるいはこの結晶子上の任意の1点としてもよい。
In addition, the place described as a hole portion in the above may be rephrased as a closed curve (closed loop). Alternatively, it can be rephrased as having a
結晶子120のサイズは、1~30nmが好ましく、5~15nmがさらに好ましい。このサイズは、具体的には例えば、1、5、10、15、20、25、30nmであり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。結晶子120のサイズ(結晶子径)は、XRDパターンのピークの半値幅からシェラー式に基づいて求めることができる。
The size of the
担体微粒子150の集合体は、粉末状である。このような集合体を「担体粉末」と称する。
The aggregate of the carrier
担体粉末中の担体微粒子150の平均粒径は、0.1μm~4μmであり、0.5μm~2μmが好ましい。担体微粒子150の平均粒径は、レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置によって測定することができる。
The average particle size of the carrier
担体粉末の比表面積は、12m2/g以上が好ましく、25m2/g以上がさらに好ましい。この比表面積は、例えば12~150m2/gであり、好ましくは、20~120m2/gであり、具体的には例えば、12、15、20、25、30、35、40、45、50、100、150m2/gであり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。 The specific surface area of the carrier powder is preferably 12 m 2 / g or more, more preferably 25 m 2 / g or more. This specific surface area is, for example, 12 to 150 m 2 / g, preferably 20 to 120 m 2 / g, and specifically, for example, 12, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50. , 100, 150 m 2 / g, and may be within the range between any two of the numerical values exemplified here.
担体粉末に含まれる空隙110の分布の一例を図6に示す。空隙110の分布は、水銀ポロシメータを用いて担体粉末の立体的な空隙の容積を測定することによって求めることができる。図6は、測定された容積値と空隙の数とから空隙1つあたりの容積を求め、求められた容積と同じ容積の球の直径に換算した値(水銀圧入法による球相当径)の積算分布を示している。図6に示すように、担体粉末には、11nm以下の空隙(一次孔)と11nmより大きな空隙(二次孔)が存在するが好ましい。これによって、燃料電池の触媒層におけるガス拡散経路が確保される。
FIG. 6 shows an example of the distribution of the
担体粉末は、空隙率が50%以上であることが好ましく、60%以上であることがさらに好ましい。空隙率は、例えば50~80%であり、具体的には例えば、50、55、60、65、70、75、80%であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。空隙率は、水銀圧入法またはFIB-SEMまたはガス吸着法によって求めることができる。 The carrier powder preferably has a porosity of 50% or more, and more preferably 60% or more. The porosity is, for example, 50-80%, specifically, for example, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80%, within the range between any two of the numerical values exemplified here. There may be. The porosity can be determined by a mercury intrusion method, a FIB-SEM or a gas adsorption method.
担体粉末は、安息角が50度以下であることが好ましく、45度以下であることがさらに好ましい。この場合、担体粉末は小麦粉と同程度の流動性を有しており、取り扱いが容易である。この安息角は、例えば20~50度であり、具体的には例えば、20、25、30、35、40、45、50度であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。安息角は、落下体積法によって求めることができる。 The carrier powder preferably has an angle of repose of 50 degrees or less, and more preferably 45 degrees or less. In this case, the carrier powder has the same level of fluidity as wheat flour and is easy to handle. The angle of repose is, for example, 20 to 50 degrees, specifically 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 degrees, and is within the range between any two of the numerical values exemplified here. May be. The angle of repose can be determined by the fall volume method.
担体微粒子150は、無機化合物の微粒子であることが好ましい。無機化合物の微粒子は、表面が親水性になりやすいので、親水性溶媒を含むインクを用いて被覆層140を形成する場合に、被覆層140が均一になりやすいという利点がある。無機化合物は、ルチル型の酸化物であることが好ましく、酸化スズ又は酸化チタンを含むことがさらに好ましい。担体微粒子150に含まれる金属酸化物中の酸化スズ又は酸化チタンの割合は、50mol%以上が好ましい。この割合は、具体的には例えば、50、60、70、80、90、95、100mol%であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。
The carrier
担体微粒子150は、ドープされていることが好ましく、無機化合物に含まれる金属とは、原子価の異なる元素がドープされていることが好ましい。無機化合物がスズやチタンなどの4価の金属を含む場合には、4価以外の元素がドープされていることが好ましい。4価以外の元素としては、イットリウムを代表とする希土類元素、ニオブ、タンタルを代表とする5属元素、タングステンを代表とする6属元素およびアンチモンを代表とする15属元素の中から少なくとも1つが選ばれる。このような元素でドーピングすることによって担体微粒子に対して導電性を付与することができる。このような元素のうち、ニオブ、タンタルを代表とする5属元素、又はタングステンを代表とする6属元素が好ましい。
The carrier
前記担体粉末は、酸化スズを含む場合、見掛け密度が2~3.8g/cm3であることが好ましい。見掛け密度が小さすぎると担体粉末の剛性が不十分になり、大きすぎると担体粉末の表面積が小さくなりすぎる。見掛け密度は、具体的には例えば、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8g/cm3であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。 When the carrier powder contains tin oxide, the apparent density is preferably 2 to 3.8 g / cm 3 . If the apparent density is too small, the rigidity of the carrier powder will be insufficient, and if it is too large, the surface area of the carrier powder will be too small. Specifically, the apparent density is, for example, 2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3, and so on. 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8 g / cm 3 , and the range between any two of the numerical values exemplified here. It may be inside.
担体粉末の導電率は、0.00001S/cm以上であることが好ましく、0.0001S/cm以上であることがさらに好ましい。この導電率は、例えば0.0001~1000S/cmであり、具体的には例えば、0.0001、0.001、0.01、0.1、1、10、100、1000S/cmであり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。導電率は、JIS規格(JIS K 7194)に基づいて測定することができる。 The conductivity of the carrier powder is preferably 0.00001 S / cm or more, more preferably 0.0001 S / cm or more. This conductivity is, for example, 0.0001 to 1000 S / cm, specifically, for example, 0.0001, 0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100, 1000 S / cm. It may be within the range between any two of the numerical values exemplified here. The conductivity can be measured based on JIS standard (JIS K 7194).
担体微粒子150は、複数の結晶子120が鎖状に融着結合されて構成された鎖状部からなる分枝160を有しており、これ自身が電子を流す性質を備える。担体微粒子150は図1~図4に示すように、複数の分枝160を持ち、分枝同士が互いにつながる分岐点(b1~b7)を介して分枝同士がネットワークを組んだ状態となっており、これらの間は電気的に導電性の性質を有することになる。従って図1のP0点から点線で示した担体微粒子150の分枝160は、これ自体が電子伝導径路(電子伝導パス)140を構成している。
The carrier
1-2.金属微粒子130
金属微粒子130は、触媒として機能しうる金属又は合金の微粒子である。担体粉末に担持される多数の金属微粒子130の平均粒径をDとすると、2.5≦D≦9nmであることが好ましく、2.5≦D≦4.9nmであることがさらに好ましい。平均粒径Dは、具体的には例えば、具体的には例えば、2.5、3、3.5、4、4.5、4.9、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9nmであり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。金属微粒子130の平均粒径が2.5nm以上であれば、金属微粒子130が被覆層140に埋もれにくい。また9nm以下であれば電気化学的活性表面積が十分に大きくなり、4.9nm以下であれば電気化学的活性表面積がさらに小さくなり所望の電極性能が得られやすい。金属微粒子130の平均粒径Dは、透過電子顕微鏡にて、10nmの長さを0.8cm以上の大きさに拡大させる倍率でTEM画像を撮影し、TEM画像中での結晶子120と金属微粒子130との接触面が観察できる各金属微粒子130について、図5の模式図に示すように短径Sを測定し、その算術平均によって求めることができる。TEM画像は、例えば、日立ハイテクノロジーズ製の透過電子顕微鏡(HT7700 EXALENS搭載機)を用いて、タングステンフィラメントで、加速電圧120kVで撮影することができる。通常、TEM画像中のコントラストが最も高い粒子が金属微粒子130である。TEM画像に写っている金属微粒子130の数が500未満である場合には、撮影場所を変えて金属微粒子130の短径の測定を繰り返すことによって、500個以上の金属微粒子130についてのデータを得てから算出平均を行う。金属微粒子130の短径Sは、図5の模式図での、金属微粒子130の頂点から、金属微粒子130と担体微粒子150の界面までの距離に相当する。
1-2. Metal
The metal
金属微粒子130は、触媒能を有する任意の金属又は合金で構成される。金属微粒子130は、貴金属のみ、又は貴金属と遷移金属の合金で構成されることが好ましい。金属微粒子130は、コアと、これを被覆するスキン層を備えてもよい。コアは、貴金属と遷移金属の合金を含むことが好ましい。スキン層は、貴金属を含むことが好ましい。貴金属としては、白金が好ましく、遷移元素としてはコバルト(Co)あるいはニッケル(Ni)が好ましく、特にコバルトが好適である。
The metal
金属微粒子130の担持量は、1~50質量%が好ましく、5~25質量%がさらに好ましい。この担持量は、具体的には例えば、1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50質量%であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。
The amount of the metal
担持金属触媒100の電気化学的活性表面積は、20m2/g以上であることが好ましい。この表面積は、例えば20~200m2/gであり、具体的には例えば、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200m2/gであり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。電気化学的活性表面積は、サイクリックボルタンメトリーによって求めることができる。
The electrochemically active surface area of the supported
1-3.被覆層140
被覆層140は、プロトン伝導性を有するポリマーで構成される。このようなポリマーの例としては、スルホ化されたテトラフルオロエチレンを基にしたフッ素樹脂の共重合体であるナフィオン(Nafion、デュポン社製)が挙げられる。
1-3.
The
被覆層140の平均厚さをdとすると、0.18≦d/D≦0.55であることが好ましく、0.18≦d/D≦0.32であることがさらに好ましく、0.20≦d/D≦0.32であることがさらに好ましい。この場合、金属微粒子130へのプロトン供給と酸素供給がスムーズになり、プロトンと酸素が必要なカソード反応が進みやすくなる。d/Dは、具体的には例えば、0.18、0.19、0.20、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39、0.40、0.41、0.42、0.43、0.44、0.45、0.46、0.47、0.48、0.49、0.50、0.51、0.52、0.53、0.54、0.55であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。
Assuming that the average thickness of the
被覆層140の平均厚さdは、以下の方法によって算出することができる。
(a)まず、透過電子顕微鏡にて、10nmの長さを0.8cm以上の大きさに拡大させる倍率でTEM画像を撮影する。TEM画像の撮影装置及び条件は、「1-2.金属微粒子130」で説明したものと同様である。通常、TEM画像中で最もコントラストが最も高い粒子が金属微粒子130であり、次にコントラストが高い粒子が結晶子120である。結晶子120を覆うコントラストが低い層が被覆層140である。
(b)TEM画像中での結晶子120と金属微粒子130との接触面が観察できる各金属微粒子130について、各金属微粒子130と結晶子120の接触面の端点P1,P2間の距離を長径Lとすると、端点P1,P2のそれぞれから長径L分だけ離れた位置Q1,Q2において、結晶子120と被覆層140の界面から、被覆層140の表面までの距離T1,T2を測定し、被覆層140の厚さとする。
(c)100箇所以上において被覆層140の厚さを測定し、その算術平均を被覆層140の平均厚さとする。
The average thickness d of the
(A) First, a TEM image is taken with a transmission electron microscope at a magnification that enlarges a length of 10 nm to a size of 0.8 cm or more. The TEM image photographing apparatus and conditions are the same as those described in "1-2.
(B) For each metal
(C) The thickness of the
2.燃料電池200
図7に本発明の燃料電池のモデル図を示す。図7において、燃料電池(燃料電池セル)200は、電解質膜230を挟んでアノード201側の触媒層220A、ガス拡散層210Aとカソード202側の触媒層220K、ガス拡散層210Kがそれぞれ対向するように構成される。アノード側ガス拡散層210A、アノード側触媒層220A、電解質膜230、カソード側触媒層220K、カソード側ガス拡散層210Kがこの順に並ぶ構成である。カソード側の触媒層220Kは、担持金属触媒100を含む。アノード側の触媒層220Aも担持金属触媒100を含んでもよいが、別の触媒を含んでもよい。固体高分子形燃料電池200のアノード201とカソード202の間に負荷203を接続することにより、負荷203に対し電力を出力する。
2. 2.
FIG. 7 shows a model diagram of the fuel cell of the present invention. In FIG. 7, in the fuel cell (fuel cell) 200, the
3.担体粉末の製造方法
まず、図8~図11を用いて、担体粉末の製造に利用可能な製造装置1について説明する。製造装置1は、バーナー2と、原料供給部3と、反応筒4と、回収器5と、ガス貯留部6を備える。原料供給部3は、外筒13と、原料流通筒23を備える。
3. 3. Method for Producing Carrier Powder First, a production apparatus 1 that can be used for producing carrier powder will be described with reference to FIGS. 8 to 11. The manufacturing apparatus 1 includes a
バーナー2は、筒状であり、原料供給部3は、バーナー2の内部に配置されている。バーナー2と外筒13の間にバーナーガス2aが流通される。バーナーガス2aは、着火により、バーナー2の先端に火炎7を形成するために用いられる。火炎7によって、1000℃以上の高温領域が形成される。バーナーガス2aは、プロパン、メタン、アセチレン、水素もしくは亜酸化窒素等の可燃性ガスを含むことが好ましい。一例では、バーナーガス2aとして、酸素及びプロパンの混合ガスを用いることができる。高温領域の温度は、例えば1000~2000℃であり、具体的には例えば、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000℃であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。
The
原料流通筒23には、担体粉末を生成するための原料溶液23aが流通される。原料溶液23aとしては、担体微粒子150を構成する無機化合物に含まれる金属の化合物を含むものが用いられる。無機化合物が酸化スズ又は酸化チタンである場合には、スズ又はチタン化合物を含むものが用いられる。スズ又はチタン化合物としては、脂肪酸スズ又はチタンが例示される。脂肪酸の炭素数は、例えば2~20であり、4~15が好ましく、6~12がさらに好ましい。脂肪酸スズ又はチタンとしては、オクチル酸スズ又はチタンが好ましい。原料溶液23aには、担体微粒子150をドーピングするための金属化合物を含んでもよい。金属化合物としては、脂肪酸金属(Nb,Ta,Wなど)塩が例示される。脂肪酸の炭素数は、例えば2~20であり、4~15が好ましく、6~12がさらに好ましい。脂肪酸金属塩としては、オクチル酸ニオブ、オクチル酸タンタル、オクチル酸タングステンが好ましい。スズ又はチタン化合物:金属化合物のモル比は、担体粉末の導電率を高めるべく、適宜決定されるが、例えば、0.8:0.2~0.99:0.01が好ましい。
A
原料溶液23a中において、スズ又はチタン化合物は、非水溶媒中に溶解又は分散されることが好ましい。非水溶媒としては、ターペンを代表とする有機溶媒が挙げられる。原料溶液23a中に水分が含まれていると、脂肪酸スズ又はチタンが加水分解されて劣化する場合がある。脂肪酸スズ又はチタンの加水分解を防ぐべく、原料溶液23aは、水の含有量が100ppm以下であることが好ましく、50ppm以下であることがさらに好ましい。
In the
外筒13と原料流通筒23の間には、原料溶液23aのミスト化に用いられるミスト化ガス13aが流通される。ミスト化ガス13aと原料溶液23aを原料供給部3の先端から一緒に噴出させると、原料溶液23aがミスト化される。原料溶液23aのミスト23bは、火炎7中に噴霧され、原料溶液23a中のスズ又はチタン化合物が火炎7中で熱分解反応して結晶子120が鎖状に融着結合されて構成された鎖状部を有する担体微粒子150の集合体である担体粉末が生成される。ミスト化ガス13aは、一例では、酸素である。
The mist-
反応筒4は、回収器5とガス貯留部6の間に設けられている。反応筒4内に火炎7が形成される。回収器5にはフィルタ5aと、ガス排出部5bが設けられている。ガス排出部5bには陰圧が加えられる。このため、回収器5及び反応筒4内にガス排出部5bに向かう気流が生成される。
The
ガス貯留部6は、筒状であり、冷却ガス導入部6aと、スリット6bを備える。冷却ガス導入部6aから冷却ガス6gがガス貯留部6内に導入される。冷却ガス導入部6aは、ガス貯留部6の内周壁6cの接線に沿った方向に向けられているので、冷却ガス導入部6aを通じてガス貯留部6内に導入された冷却ガス6gは、内周壁6cに沿って旋回する。ガス貯留部6の中央にはバーナー挿通孔6dが設けられている。バーナー挿通孔6dにはバーナー2が挿通される。スリット6bは、バーナー挿通孔6dに隣接した位置に、バーナー挿通孔6dを取り囲むように設けられている。このため、バーナー挿通孔6dにバーナー2を挿通させた状態では、スリット6bは、バーナー2を取り囲むように設けられる。ガス貯留部6内の冷却ガス6gは、ガス排出部5bに加えられた陰圧によって駆動されて、スリット6bから反応筒4に向けて排出される。冷却ガス6gは、生成された酸化スズ又はチタンを冷却可能なものであればよく、不活性ガスが好ましく、例えば空気である。冷却ガス6gの流速は、バーナーガス2aの流速の2倍以上が好ましい。冷却ガス6gの流速の上限は、特に規定されないが、例えば、バーナーガス2aの流速の1000倍である。冷却ガス6gの流速/バーナーガス2aの流速は、例えば2~1000であり、具体的には例えば、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、100、200、500、1000であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。なお、本実施形態では、ガス排出部5bに陰圧を加えて冷却ガス6gを流しているが、冷却ガス導入部6aに陽圧を加えて冷却ガス6gを流すようにしてもよい。
The gas storage unit 6 has a cylindrical shape and includes a cooling
本発明では、スリット6bを通じて火炎7の周囲に冷却ガス6gを供給しているので、冷却ガス6gが層流になって火炎7の周囲を流れる。このために、ミスト23b,結晶子120、及び担体微粒子150が冷却ガス6gによって撹乱されず、火炎7に沿って移動しながら火炎7によって十分に加熱されて反応が進むので、担体微粒子150が効率的に製造可能である。また、担体微粒子150が火炎7から出た後は担体微粒子150が冷却ガス6gによって即座に冷却されるので、鎖状部を有する構造が維持される。冷却された担体微粒子150は、フィルタ5aによって捕捉されて回収される。
In the present invention, since 6 g of the cooling gas is supplied around the flame 7 through the
本発明では、担体微粒子150の集合体である担体粉末は、製造装置1を用い、バーナー2の先端に火炎7によって1000℃以上の高温領域を形成し、スリット6bを通じて冷却ガス6gを高温領域の周囲に供給しつつ、この高温領域においてスズ又はチタン化合物を熱分解反応させることによって製造することができる。高温領域は、火炎7以外にも、プラズマなどによって形成してもよい。
In the present invention, the carrier powder, which is an aggregate of the carrier
4.担持金属触媒100の製造方法
担持金属触媒100の製造方法は、担持工程と、還元工程と、混合工程を備える。これらの工程を順に行ってもよく、金属微粒子130が担体粉末に担持されて構成される構造体を予め準備した上で、混合工程のみを行ってもよい。
4. Method for Producing Supported
<担持工程>
担持工程では、担体粉末に金属微粒子130を担持させる。この担持は、逆ミセル法、コロイド法、含浸法などの手法を用いて行うことができる。コロイド法では、担持工程は、吸着工程と、熱処理工程を備える。
<Supporting process>
In the supporting step, the metal
吸着工程では、担体粉末に金属コロイド粒子を吸着させる。より具体的には、コロイド法で合成した金属コロイド粒子を水溶液中に分散させた分散液を調製し、前記分散液中に金属コロイド粒子を添加及び混合することで、担体粉末表面に前記コロイド粒子を吸着させる。コロイド粒子を吸着させた担体粉末はろ過と乾燥を経て、分散媒と分離することができる。 In the adsorption step, the metal colloidal particles are adsorbed on the carrier powder. More specifically, a dispersion liquid in which metal colloidal particles synthesized by the colloidal method are dispersed in an aqueous solution is prepared, and the colloidal particles are added to and mixed with the dispersion liquid to prepare the colloidal particles on the surface of the carrier powder. To adsorb. The carrier powder on which the colloidal particles are adsorbed can be separated from the dispersion medium through filtration and drying.
熱処理工程では、吸着工程の後に、熱処理を行って金属コロイド粒子を金属微粒子130に変化させる。この熱処理は、担体微粒子を構成する無機化合物の種類によって異なるが、無機化合物が酸化スズを含む場合は、300~1000℃で行うことが好ましい。無機化合物が酸化チタンを含む場合は、800~1500℃で行うことが好ましい。
In the heat treatment step, after the adsorption step, heat treatment is performed to change the metal colloidal particles into metal
熱処理時間は、例えば0.1~20時間であり、0.5~5時間が好ましい。この時間は、具体的には例えば、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20時間であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。 The heat treatment time is, for example, 0.1 to 20 hours, preferably 0.5 to 5 hours. Specifically, this time is, for example, 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20 hours, and the numerical values exemplified here. It may be within the range between any two of the above.
熱処理は、窒素などの不活性ガス雰囲気下や1~4%の水素を含む不活性ガス雰囲気下で行うことができる。 The heat treatment can be carried out under an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or an atmosphere of an inert gas containing 1 to 4% hydrogen.
<還元工程>
還元工程では、熱処理工程の後に、金属微粒子130の還元処理が行われる。還元処理は、水素などの還元性ガスを含む還元性雰囲気下で、熱処理を行うことによって行うことができる。
<Reduction process>
In the reduction step, the reduction treatment of the metal
この熱処理の温度は、例えば70~300℃であり、100~200℃が好ましい。この温度は、例えば具体的には例えば、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、250、300℃であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。 The temperature of this heat treatment is, for example, 70 to 300 ° C, preferably 100 to 200 ° C. This temperature is, for example, specifically, for example, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 250, 300 ° C., and is exemplified here. It may be within the range between any two of the numerical values.
この熱処理の時間は、例えば0.01~20時間であり、0.1~5時間が好ましい。この時間は、具体的には例えば、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20時間であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。 The time of this heat treatment is, for example, 0.01 to 20 hours, preferably 0.1 to 5 hours. Specifically, this time is, for example, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20 hours. It may be within the range between any two of the numerical values exemplified here.
還元性ガスが水素である場合、その濃度は、例えば0.1~100体積%であり、0.2~10体積%が好ましく、0.5~3体積%がさらに好ましい。この濃度は、具体的には例えば、0.1、0.2、0.5、1、1.5、2、2.5、3、10、100体積%であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。 When the reducing gas is hydrogen, its concentration is, for example, 0.1 to 100% by volume, preferably 0.2 to 10% by volume, and even more preferably 0.5 to 3% by volume. Specifically, this concentration is, for example, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 10, 100% by volume, and the numerical values exemplified here are used. It may be within the range between any two.
担持工程での熱処理後の金属微粒子130は、酸化された状態になっている場合があり、その場合、金属微粒子130が触媒活性を示さない場合がある。この場合、金属微粒子130の還元を行うことによってその触媒活性を高めることができる。
The metal
<混合工程>
混合工程では、担持工程及び還元工程によって得られた構造体(金属微粒子130が担体粉末に担持されて構成される構造体)と、プロトン伝導性を有するポリマーを含有するインクとを混合する。これによって担体粉末を構成する担体微粒子150上に被覆層140を形成することができる。
<Mixing process>
In the mixing step, the structure obtained by the supporting step and the reducing step (a structure in which the metal
被覆層140の厚さは、担体粉末の体積Sとポリマーの体積Iの割合(I/S)を変えることによって調整することができるので、金属微粒子130のサイズに応じてI/Sを適切な値に設定することによって、「1.担持金属触媒100」で説明した担持金属触媒100を得ることができる。S及びIは、それぞれ、担体粉末及びポリマーの乾燥重量を密度で除することによって算出可能である。
Since the thickness of the
I/Sは、特に限定されないが、例えば0.01≦I/S<0.2であり、0.07≦I/S≦0.18が好ましい。I/Sは、具体的には例えば、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.195であり、ここで例示した数値の何れか2つの間の範囲内であってもよい。 The I / S is not particularly limited, but for example, 0.01 ≦ I / S <0.2, and 0.07 ≦ I / S ≦ 0.18 is preferable. Specifically, the I / S is, for example, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.10. , 0.11, 0.12, 0.13, 0.14, 0.15, 0.16, 0.17, 0.18, 0.19, 0.195, and any of the numerical values exemplified here. It may be within the range between the two.
インクは、親水性溶媒を含むことが好ましい。親水性溶媒としては、水、アルコール、又はこれらの混合溶媒が挙げられる。アルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノール等が挙げられる。担体微粒子150を構成する無機化合物の表面が親水性になりやすいので、親水性溶媒を含むインクを用いて、プロトン伝導性を有するポリマーの被覆層140を形成することによって、被覆層140の厚さを均一化することができる。
The ink preferably contains a hydrophilic solvent. Examples of the hydrophilic solvent include water, alcohol, or a mixed solvent thereof. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, isopropanol and the like. Since the surface of the inorganic compound constituting the carrier
構造体とインクを混合する前に、親水化処理を施してもよい。親水化処理としては、構造体と親水性溶媒を混合する方法が挙げられる。親水性溶媒の説明は、上述した通りである。親水化処理を施すことによって、担体粉末表面での水やOH基の存在量が増大して、担体粉末の親水性が向上して、被覆層140の厚さがより均一になりやすくなる。
Hydrophilization treatment may be performed before mixing the structure and the ink. Examples of the hydrophilization treatment include a method of mixing a structure and a hydrophilic solvent. The description of the hydrophilic solvent is as described above. By performing the hydrophilic treatment, the abundance of water and OH groups on the surface of the carrier powder is increased, the hydrophilicity of the carrier powder is improved, and the thickness of the
以下に示す方法で担持金属触媒を製造し、各種評価を行った。 A supported metal catalyst was produced by the method shown below, and various evaluations were performed.
1.担持金属触媒100の製造
(担体粉末の製造)
図8~図11に示す製造装置1を用いて、担体粉末の製造を行った。バーナーガス2aとしては、酸素5L/分、プロパンガス1L/分を混合したガスを用い、このガスに着火してバーナー2の先端に1600℃以上の火炎(化学炎)7を形成した。原料溶液23aとしては、オクチル酸スズおよびオクチル酸ニオブをモル比で0.95:0.05の割合でミネラルスプリットターペンに混合し、溶解させたものを用いた。ミスト化ガス13aとしては、酸素を用いた。9L/分のミスト化ガス13aと、3g/分の原料溶液23aを混合し、スプレーノズル(アトマイザー)である原料供給部3の先端から火炎中心部分に噴霧し、燃焼させ、担体微粒子150の集合体である担体粉末を生成させた。その際、ガス排出部5bを負圧にすることによって、スリット6bから空気を170L/分の流量で吸引することで、生成した担体粉末を回収器5(フィルタ5a付き)に回収した。原料供給部3は、二重管構造(全長322.3mm)からなり外筒13から酸素ガス、原料流通筒23には原料溶液23aが供給され、原料流通筒23先端にはフルイドノズル、エアノズルがあり、そこで、原料溶液23aをミスト23bにした。担体粉末の回収量は60分間の運転で10g以上であった。
1. 1. Production of supported metal catalyst 100 (Production of carrier powder)
The carrier powder was produced using the production apparatus 1 shown in FIGS. 8 to 11. As the
(金属微粒子130の担持及び還元)
次に、以下の手順に従って、金属微粒子130を担体粉末に担持させた。
(Supporting and reducing metal fine particles 130)
Next, the metal
まず、塩化白金酸六水和物水溶液0.57mLを38mlの超純水に溶解させ、更に炭酸ナトリウム1.76gを加え撹拌した。 First, 0.57 mL of an aqueous solution of platinum chloride hexahydrate was dissolved in 38 ml of ultrapure water, and 1.76 g of sodium carbonate was further added and stirred.
その溶液を150mlの水で希釈し、NaOHを用いて溶液のpHを5に調整した。その後、過酸化水素を25ml加え、NaOHでpHを5に再調整した。 The solution was diluted with 150 ml of water and the pH of the solution was adjusted to 5 with NaOH. Then, 25 ml of hydrogen peroxide was added, and the pH was readjusted to 5 with NaOH.
その分散液に15mLの超純水に0.50gの担体粉末を分散させた分散液を加え、90℃にて3時間撹拌した。室温まで冷却した後、濾過及び超純水及びアルコールでの洗浄を行い、80℃にて一晩乾燥した後、空気中において800℃で2時間の熱処理行って金属微粒子130を担体粉末に担持させ、その後、1%水素中において150℃で2時間の熱処理を行って金属微粒子130を還元した。以上の工程によって、金属微粒子130が担体粉末に担持された構造体(Pt/Nb-SnO2触媒)が得られた。
A dispersion in which 0.50 g of the carrier powder was dispersed in 15 mL of ultrapure water was added to the dispersion, and the mixture was stirred at 90 ° C. for 3 hours. After cooling to room temperature, filtration, washing with ultrapure water and alcohol, drying at 80 ° C. overnight, and then heat-treating at 800 ° C. for 2 hours in air to support the metal
(被覆層140の形成)
上記工程で得られた構造体を1.0gと、1.820gの水と、1.789gのエタノールを秤量し、遊星ボールミル混合を行った。混合は、270rpm、30分間、45mlのジルコニアポット、5mmφのジルコニアボール10個の条件で行った。
(Formation of coating layer 140)
1.0 g of the structure obtained in the above step, 1.820 g of water and 1.789 g of ethanol were weighed and mixed with a planetary ball mill. Mixing was carried out at 270 rpm for 30 minutes under the conditions of a 45 ml zirconia pot and 10 5 mmφ zirconia balls.
次に、5質量%のナフィオン含有のアルコール-水混合溶液(以下、「ナフィオン溶液))を上記ジルコニアポット中に追加して、270rpm、30分間の遊星ボールミル混合を行った。ナフィオン溶液は、サンプルごとにI/Sの値が異なるように添加した。 Next, an alcohol-water mixture solution containing 5% by mass of Nafion (hereinafter referred to as "Nafion solution") was added to the above zirconia pot, and a planetary ball mill mixture was performed at 270 rpm for 30 minutes. The Nafion solution was a sample. It was added so that the value of I / S was different for each.
2.各種評価
<BET比表面積>
上記担体粉末について、BETによる比表面積を測定したところ、31m2/gであった。
2. 2. Various evaluations <BET specific surface area>
When the specific surface area of the carrier powder was measured by BET, it was 31 m 2 / g.
<見掛け密度>
上記担体粉末について、一軸加圧法(プレス圧:20kg/cm2)により成型したサンプルの見かけ密度を測定したところ、3.6g/cm3であった。
<Apparent density>
The apparent density of the sample molded by the uniaxial pressure method (press pressure: 20 kg / cm 2 ) for the carrier powder was measured and found to be 3.6 g / cm 3 .
<XRDパターン>
上記担体粉末についてXRDパターンを測定したところ、ルチル相に起因するピークが観察された。また、結晶子の平均粒径は、15nmであった。
<XRD pattern>
When the XRD pattern was measured for the carrier powder, a peak due to the rutile phase was observed. The average particle size of the crystallites was 15 nm.
<TEM画像による解析>
I/S=0.12であるサンプルについて、透過電子顕微鏡にて、10nmの長さを0.8cm以上の大きさに拡大させる倍率でTEM画像を撮影した。TEM画像は、日立ハイテクノロジーズ製の透過電子顕微鏡(HT7700 EXALENS搭載機)を用いて、タングステンフィラメントで、加速電圧120kVで撮影した。このTEM画像を図12に示す。図12と同様のTEM画像を多数撮影し、これらのTEM画像に基づいて、「1-1.担体微粒子150及び担体粉末」で説明した方法に従って、金属微粒子130の平均粒径D、及び被覆層140の平均厚さdを算出した。
<Analysis by TEM image>
For the sample having I / S = 0.12, a TEM image was taken with a transmission electron microscope at a magnification of magnifying the length of 10 nm to a size of 0.8 cm or more. The TEM image was taken with a tungsten filament using a transmission electron microscope (HT7700 EXALENS-equipped machine) manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation at an acceleration voltage of 120 kV. This TEM image is shown in FIG. A large number of TEM images similar to those in FIG. 12 were taken, and based on these TEM images, the average particle size D of the metal
また、I/Sが異なる別のサンプルについても同様の方法によって、金属微粒子130の平均粒径D、及び被覆層140の平均厚さdを算出した。その結果を表1に示す。
Further, for another sample having a different I / S, the average particle size D of the metal
表1に示すように、0.18≦d/D≦0.55である場合に、質量活性が高く、0.18≦d/D≦0.32である場合に、質量活性が特に高く、0.20≦d/D≦0.32である場合に、質量活性がさらに高かった。 As shown in Table 1, when 0.18 ≦ d / D ≦ 0.55, the mass activity is high, and when 0.18 ≦ d / D ≦ 0.32, the mass activity is particularly high. When 0.20 ≦ d / D ≦ 0.32, the mass activity was further higher.
1 :製造装置
2 :バーナー
2a :バーナーガス
3 :原料供給部
4 :反応筒
5 :回収器
5a :フィルタ
5b :ガス排出部
6 :ガス貯留部
6a :冷却ガス導入部
6b :スリット
6c :内周壁
6d :バーナー挿通孔
6g :冷却ガス
7 :火炎
13 :外筒
13a :ミスト化ガス
23 :原料流通筒
23a :原料溶液
23b :ミスト
100 :担持金属触媒
110 :空隙
120 :結晶子
130 :金属微粒子
140 :被覆層
150 :担体微粒子
160 :分枝
200 :固体高分子形燃料電池
201 :アノード
202 :カソード
203 :負荷
210A :アノード側ガス拡散層
210K :カソード側ガス拡散層
220A :アノード側触媒層
220K :カソード側触媒層
230 :電解質膜
1: Manufacturing equipment 2:
Claims (19)
前記被覆層は、プロトン伝導性を有するポリマーで構成され、
前記被覆層の平均厚さをdとし、前記金属微粒子の平均粒径をDとすると、
0.22≦d/D≦0.51であり、かつ2.5nm≦D≦4.9nmである、燃料電池の触媒層用担持金属触媒。 It comprises a carrier powder which is an aggregate of carrier fine particles, metal fine particles supported on the carrier powder, and a coating layer formed so as to cover the carrier fine particles.
The coating layer is composed of a polymer having proton conductivity, and is composed of a polymer.
Assuming that the average thickness of the coating layer is d and the average particle size of the metal fine particles is D,
A supported metal catalyst for a catalyst layer of a fuel cell, in which 0.22 ≦ d / D ≦ 0.51 and 2.5 nm ≦ D ≦ 4.9 nm .
前記担体微粒子は、無機化合物の微粒子である、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to claim 1 .
The carrier fine particles are supported metal catalysts that are fine particles of an inorganic compound.
前記無機化合物は、ドープされている、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to claim 2 .
The inorganic compound is a supported metal catalyst that is doped.
前記無機化合物は、酸化スズを含む、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to claim 2 or 3.
The inorganic compound is a supported metal catalyst containing tin oxide.
前記担体粉末は、見掛け密度が2~3.8g/cm3である、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to claim 3 or 4.
The carrier powder is a supported metal catalyst having an apparent density of 2 to 3.8 g / cm 3 .
前記担体粉末は、比表面積が12m2/g以上である、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to any one of claims 1 to 5 .
The carrier powder is a supported metal catalyst having a specific surface area of 12 m 2 / g or more.
前記担体粉末は、空隙率が50%以上である、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to any one of claims 1 to 6 .
The carrier powder is a supported metal catalyst having a porosity of 50% or more.
前記担体粉末は、安息角が50度以下である、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to any one of claims 1 to 7 .
The carrier powder is a supported metal catalyst having an angle of repose of 50 degrees or less.
前記担体粉末は、導電率が0.00001S/cm以上である、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to any one of claims 1 to 8 .
The carrier powder is a supported metal catalyst having a conductivity of 0.00001 S / cm or more.
前記担体微粒子は、複数の結晶子が鎖状に融着結合されて構成された鎖状部を備える、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to any one of claims 1 to 9 .
The carrier fine particles are a supported metal catalyst having a chain portion formed by fusion-bonding a plurality of crystallites in a chain shape.
前記結晶子は、サイズが1~30nmである、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to claim 10 .
The crystallite is a supported metal catalyst having a size of 1 to 30 nm.
前記鎖状部は、複数の分枝と、複数の前記分枝の間に存在する孔と、空隙とを備え、
前記空隙は、前記複数の分枝と前記孔とによって取り囲まれる、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to claim 10 or 11.
The chain portion comprises a plurality of branches, holes existing between the plurality of branches, and voids.
The void is a supported metal catalyst surrounded by the plurality of branches and the pores.
前記担体粉末は、前記空隙を複数備え、前記空隙は水銀圧入法による球相当径が11nm以下の空隙と11nmより大きな空隙とを有する、担持金属触媒。 The supported metal catalyst according to claim 12 .
The carrier powder is a supported metal catalyst having a plurality of the voids, and the voids have voids having a sphere equivalent diameter of 11 nm or less and voids larger than 11 nm by a mercury intrusion method.
混合工程を備える、担持金属触媒の製造方法であって、
前記混合工程では、金属微粒子が担体粉末に担持されて構成される構造体と、プロトン伝導性を有するポリマーを含有するインクとを混合する、方法。 The method for producing a supported metal catalyst according to any one of claims 1 to 13.
A method for producing a supported metal catalyst, which comprises a mixing step.
In the mixing step, a method of mixing a structure composed of fine metal particles supported on a carrier powder and an ink containing a polymer having proton conductivity.
前記ポリマーの体積をIとし、前記担体粉末の体積をSとすると、
前記混合工程は、0.01≦I/S<0.2となるように行われる、方法。 The method according to claim 14 .
Let I be the volume of the polymer and S be the volume of the carrier powder.
The method in which the mixing step is carried out so that 0.01 ≦ I / S <0.2.
前記混合工程は、0.07≦I/S≦0.18となるように行われる、方法。 The method according to claim 15 .
The method in which the mixing step is carried out so that 0.07 ≦ I / S ≦ 0.18.
前記担体粉末は、担体微粒子の集合体であり、
前記担体微粒子は、無機化合物の微粒子であり、
前記インクは、親水性溶媒を含む、方法。 The method according to any one of claims 14 to 16 .
The carrier powder is an aggregate of carrier fine particles and is an aggregate.
The carrier fine particles are fine particles of an inorganic compound and are
The method, wherein the ink comprises a hydrophilic solvent.
前記無機化合物は、ドープされている、方法。 The method according to claim 17 .
The method in which the inorganic compound is doped.
前記無機化合物は、酸化スズを含む、方法。 17. The method according to claim 17 or claim 18 .
The method, wherein the inorganic compound comprises tin oxide.
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