JP7063376B1 - 酸素還元反応用のコアシェル触媒及び触媒の設計方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｐｔ触媒に対して酸素還元反応活性に優れたＰｔ合金触媒の構成を提示すると共に、実験的検証の前に好適な触媒構成を推定可能な触媒設計方法を提示する。【解決手段】本発明は、コアとしてＰｔＣｏ合金又はＰｔＣｏＭｎ合金を含み、シェル層として白金を含むコアシェル構造の触媒粒子を有する酸素還元反応用の触媒に関する。本発明の触媒では、シェル層を構成する複数の白金原子により、面心立方格子の（１１１）面が形成されており、触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数が、３．７０Å以上４．０５Å以下(ＰｔＣｏ合金)又は３．８７０Å以上４．１０Å（ＰｔＣｏＭｎ合金）となる。本発明の触媒設計方法は、シェル層の白金原子が形成する（１１１）面等の方位面について、密度汎関数理論に基づく第１原理計算による酸素分子、ＯＨ基、水分子の吸着エネルギーを算出するステップを含む。【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池のカソード反応等で生じる酸素還元反応を進行させるための触媒に関する。また、密度汎関数理論を利用した酸素還元反応用の触媒の設計方法に関する。
燃料電池のカソードで生じる酸素還元反応（ＯＲＲ：Ｏｘｙｇｅｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）を促進するための触媒として、従来からＰｔ（白金）を触媒粒子としたＰｔ触媒が知られている。Ｐｔ触媒は、ＯＲＲに対する活性が高いことから燃料電池の開発当初からカソード触媒として有用である。
その一方で、白金が希少且つ高価な貴金属であることを鑑み、触媒における白金の使用量を低減する試みもなされている。本願出願人も、白金と他の金属との合金（Ｐｔ合金）を触媒粒子とした触媒について多くの検討例を開示している。本願出願人によるＰｔ合金触媒としては、白金とコバルトとの合金を触媒粒子とするＰｔＣｏ触媒や、白金とコバルトとマンガンとの合金を触媒粒子とするＰｔＣｏＭｎ触媒等が挙げられる。これらのＰｔ合金触媒は、白金使用量を低減しながらもＰｔ触媒と同等かそれ以上の活性を発揮し得ることが明らかにされている。
また、Ｐｔ合金触媒の改良については、合金化する金属種の選定の他、触媒粒子の構造面からアプローチも知られている。特に、白金以外の金属を含むコア粒子を白金からなるシェル層で覆ったコアシェル構造とすることで、触媒粒子表面における活性を確保しつつ、全体の白金使用量を低減できることが知られている。
以上述べたような触媒粒子の組成面及び構造面での改良から、これまでのＰｔ合金触媒は白金使用量の抑制を達成していると考えられ、一応の解決がなされている。かかる状況においては、触媒活性の向上に要求が強くなるものと考えられる。酸素還元反応用途に限らず、触媒の開発においては活性の向上が優先される課題である。この点、上記した本願出願人によるＰｔ合金触媒（ＰｔＣｏ触媒、ＰｔＣｏＭｎ触媒）は、Ｐｔ触媒と同等以上の活性を有するが、改善の余地もあるといえる。
また、従来の触媒設計においては、白金に対する添加金属の選定や触媒調製方法に関し、目的反応に対する活性の有無を予見することが難しい。有用な触媒の構成の発見には実験的検証が必須であるが、無数に考えられる触媒構成についての実験的検証は容易なものではない。
本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、燃料電池のカソード等における酸素還元反応用の触媒であって、Ｐｔ触媒よりも活性に優れたＰｔ合金触媒の構成を提示することを目的とする。また、酸素還元反応用の触媒の設計方法として、実験的検証の事前に好適な触媒構成を推定することができる触媒設計方法についても明らかにする。
上記課題を解決する本発明は、コアとしてＰｔＣｏ合金を含み、シェル層として白金を含むコアシェル構造の触媒粒子を有する酸素還元反応用の触媒であって、前記シェル層を構成する複数の白金原子により、面心立方格子の（１１１）面が形成されており、前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．７０Å以上４．０５Å以下であることを特徴とする触媒である。
また、本発明の触媒は、上記触媒において、触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が、前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数よりも小さい触媒である。具体的には、触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．５５Å以上３．９５Å以下の触媒である。
上記の触媒において、コアに含まれるＰｔＣｏ合金は、ＰｔＣｏｘ（０．１４≦ｘ≦０．３３）で示すことができる。
また、本発明は、コアとしてＰｔＣｏＭｎ合金を含み、シェル層として白金を含むコアシェル構造を有する酸素還元反応用の触媒であって、 前記シェル層を構成する複数の白金原子により、面心立方格子の（１１１）面が形成されており、前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．８７０Å以上４．１０Å以下であることを特徴とする触媒である。
また、本発明の触媒は、上記触媒において、触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が、前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数よりも小さい触媒である。具体的には、触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．７０Å以上４．０５Å以下の触媒である。
上記の触媒において、コアに含まれるＰｔＣｏＭｎ合金は、ＰｔＣｏｙＭｎｚ（０．０６≦ｙ≦０．３９、０．０４≦ｚ≦０．３３）で示すことができる。
本発明の触媒は、上記の触媒において、酸素原子の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が１．０ｅＶ未満である触媒である。また、酸素分子の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が、０．５ｅＶ未満である触媒である。更に、本発明の触媒は、上記触媒において、ＯＨ基の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が、２．３ｅＶ未満である触媒である。また、本発明の触媒は、上記触媒において、水分子の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が、０．１９ｅＶ未満である触媒である。
そして、本発明に係る触媒は、上記したコアシェル構造を有する触媒粒子を担体として炭素微粉末に担持させることで構成することができる。また、このときの触媒全体に対する触媒粒子の担持密度は、２０～７０質量％とすることが好ましい。
本願は、酸素還元反応用の触媒の設計方法を開示する。即ち、コアとして白金と１種又は２種以上の合金元素とからなる合金を含み、シェル層として白金を含むコアシェル構造の触媒粒子を有する酸素還元反応用の触媒の設計方法であって、前記シェル層を構成する複数の白金原子の配列として、（１１１）面、（００１）面、（１１０）面の少なくともいずれかの方位面を選択するステップ、前記選択された白金の方位面に対する、酸素分子の吸着モデル、ＯＨ基の生成モデル、水分子の生成及び脱離モデルを作成するステップ、密度汎関数理論に基づく第１原理計算により、前記酸素分子の吸着エネルギー、ＯＨ基の吸着エネルギー、水分子の吸着エネルギーを算出するステップを含み、前記吸着エネルギー、ＯＨ基の吸着エネルギー、水分子の吸着エネルギーの算出結果に基づき、合金元素を選択することを特徴とする酸素還元反応用の触媒の設計方法である。
以上説明したように本発明に係る酸素還元反応用の触媒は、特定のＰｔ合金をコアとし、ここに白金を含むシェル層が形成されたコアシェル触媒である。本発明に係るコアシェル触媒は、白金使用量を低減しつつ、Ｐｔ触媒よりも好適な活性を有する。また、本発明に係る酸素還元反応用の触媒設計方法は、密度汎関数を利用することにより、実験的検証を経ることなく活性良好な触媒粒子の組成や構成を推定して触媒を設計することができる。
（Ａ）本発明に係るコアシェル触媒
以下、本発明に関して好適な実施形態を説明する。上記の通り、本発明に係る酸素還元反応用の触媒は、白金をシェル層とするコアシェル構造を有し、コアとしてＰｔＣｏ合金又はＰｔＣｏＭｎ合金を適用する。コアをこれらＰｔ合金とするのは、上述した従来のＰｔ合金触媒において、ＯＲＲに対し好適な活性を有するからである。ＰｔＣｏ合金及びＰｔＣｏＭｎ合金が活性良好となる理由は必ずしも明らかではないが、本発明者等は、これらをコアとするコアシェル触媒についても高活性が期待できると考察した。
以下、本発明に関して好適な実施形態を説明する。上記の通り、本発明に係る酸素還元反応用の触媒は、白金をシェル層とするコアシェル構造を有し、コアとしてＰｔＣｏ合金又はＰｔＣｏＭｎ合金を適用する。コアをこれらＰｔ合金とするのは、上述した従来のＰｔ合金触媒において、ＯＲＲに対し好適な活性を有するからである。ＰｔＣｏ合金及びＰｔＣｏＭｎ合金が活性良好となる理由は必ずしも明らかではないが、本発明者等は、これらをコアとするコアシェル触媒についても高活性が期待できると考察した。
これらのコアシェル触媒のコアを構成するＰｔ合金は、ＰｔＣｏ合金は、ＰｔＣｏｘ（０．１４≦ｘ≦０．３３）であるものが好ましく、ＰｔＣｏＭｎ合金は、ＰｔＣｏｙＭｎｚ（０．０６≦ｙ≦０．３９、０．０４≦ｚ≦０．３３）であるものが好ましい。尚、本願明細書においては、コアシェル触媒の表記としてシェル／コアの順で記載している。ＰｔＣｏ合金をコアとし、その上にＰｔシェル層が形成された触媒をＰｔ／ＰｔＣｏ触媒とし、ＰｔＣｏＭｎ合金をコアとし、その上にＰｔシェル層が形成された触媒をＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒としている。また、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒とは、上記した組成のＰｔＣｏ合金（ＰｔＣｏｘ）及びＰｔＣｏＭｎ合金（ＰｔＣｏｙＭｎｚ）をコアとする場合を含むものである。
そして、本発明でコアシェル構造の触媒とするのは、触媒の白金使用量の低減を主目的とする。但し、白金使用量の低減のみではなく、適切な状態の白金原子をシェル層とすることで、Ｐｔ触媒よりもＯＲＲに対する活性向上を図ることも考慮されている。この活性向上の目的のため、本発明ではシェル層を構成する複数の白金原子は、面心立方格子の（１１１）面を形成する。
そして、ＰｔＣｏ触媒においては、触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．７０Å以上４．０５Å以下となっている。このとき、触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が、前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数よりも小さいことが好ましい。具体的には、触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．５５Å以上３．９５Å以下であることが好ましい。
一方、ＰｔＣｏＭｎ触媒では、触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．８７０Å以上４．１０Å以下となっている。このとき、触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が、前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数よりも小さいことが好ましい。具体的には、触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．７０Å以上４．０５Å以下の触媒であることが好ましい
尚、シェル層における白金原子の積層数としては、１原子層（単原子層）以上３原子層であるものが好ましい。
シェル層における白金原子の配列は、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ：Ｈｉｇｈａｎｇｌｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ ＳＴＥＭ）や球面収差補正機能付走査透過電子顕微鏡法（ｃｓ－ＳＴＥＭ）によって確認することができる。特に、触媒粒子断面における構造解析においては、ｃｓ－ＳＴＥＭは有用である。また、所定結晶面の格子定数は、ｃｓ－ＳＴＥＭによる格子面間隔の測定結果から算出することができる。この他、Ｘ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ：Ｘ－ｒａｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｆｉｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）又は広域Ｘ線吸収微細構造（ＥＸＡＦＳ：Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｘ－ｒａｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｆｉｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）によっても測定可能である。
本発明のコアシェル触媒は、適宜の担体に担持された担持型触媒の形態であるものが好ましい。担体は、コアシェル触媒粒子の形成過程における基材であり、使用過程における支持材である。燃料電池用途においては、カソード電極の導電材料としても作用する。担体は、炭素微粉末が好ましく、適宜に細孔を有する炭素微粉末が好ましい。炭素微粉末は、比表面積が５０～１５００ｍ２／ｇのものが好ましい。
本発明のコアシェル触媒の平均粒径は、平均で２～２０ｎｍであることが好ましい。２０ｎｍを超える粗大な触媒は活性が低下するおそれがあり、２ｎｍ未満は長時間の活性持続特性が明確に得られなくなるからであり、コアシェル触媒の平均粒径は、更に好ましくは５ｎｍ以下とする。コアシェル触媒の触媒粒子の粒径とは、シェル層を含む粒子全体の粒径である。粒子径は、ＸＲＤ分析によって推定可能であり、ＸＲＤプロファイルにおけるＰｔ合金のピーク半価幅に基づき、Ｓｃｈｅｒｒｅｒ式（Ｒ=０．９λ／Ｗｃｏｓθ（Ｒ：粒径（ｎｍ）、λ：Ｘ線の波長(例えばＣｕ Ｋα線は０．１５４ｎｍである)、Ｗ：半値幅(ｄｅｇｒｅｅ)、θ：入射角(ｄｅｇｒｅｅ)）から算出することができる。
本発明に係るコアシェル触媒が担持触媒の形態であるとき、触媒の担持率は２０～７０％とするのが好ましい。担持率とは、担体を含めた触媒全体の質量に対するコアシェル触媒粒子の質量の比である。
本発明に係るコアシェル触媒の製造方法としては、基本的な工程として従来のコアシェル触媒の製造方法が適用できる。コアシェル触媒の製造方法としては、アンダーポテンシャル析出法（ＵＰＤ法）等の電気化学法や液相還元法等の化学法が知られている。本発明においては、液相還元法が好ましい（特許文献１）。液相還元法によるコアシェル触媒の製造では、担体にコアとなるＰｔ合金の構成金属（白金、コバルト、マンガン）の金属塩を担持し、熱処理を行ってＰｔ合金を形成する。そして、形成したＰｔ合金粒子に、シェル層形成のための処理を行う。
白金及びコバルト、マンガンの金属塩の担持では、炭素微粉末等の担体に各金属塩の溶液を同時に含侵させる。また、予め白金のみを担体に担持したＰｔ触媒に、コバルト、マンガンの金属塩（金属塩溶液）を含侵させても良い。この場合、市販のＰｔ触媒の使用も可能である。好適には、後者の予め製造・用意されたＰｔ触媒にコバルト、マンガンの金属塩（金属塩溶液）を含侵させる。各金属塩の溶液としては、公知の金属塩（白金につき、ジニトロジアンミン白金硝酸塩、塩化白金酸塩、塩化白金酸カリウム塩、ヘキサアンミン白金水酸塩等、コバルトにつき、塩化コバルト６水和物、硝酸コバルト、酢酸コバルト４水和物等、マンガンにつき、塩化マンガン４水和物、硝酸マンガン６水和物、酢酸マンガン４水和物等）の水溶液が好適である。そして、各金属塩を含侵させた担体（又はＰｔ触媒）に対して、還元剤（アルコール、水素化ホウ素ナトリウム等）を接触させた還元処理を行うことで、各金属が担持される。コアシェル触媒の構成金属担持後のＰｔ合金生成のための熱処理としては、８００℃以上１５００℃以下にて還元雰囲気（水素等）で行うことができる。
そして、コアとなるＰｔＣｏ合金又はＰｔＣｏＭｎ合金に対して、Ｐｔシェル層を形成する処理を行う。このシェル層形成のための処理としては、ＰｔＣｏ合金又はＰｔＣｏＭｎ合金からなるコアに対して、酸化性溶液を接触させる処理（酸化性溶液処理）が挙げられる。酸化性溶液をＰｔ合金コアに接触させることで、Ｐｔ合金表面のコバルト、マンガンが溶出し、表面に白金を残留させてシェル層が形成される。酸化性溶液としては、硫酸、硝酸、亜リン酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、塩酸、塩素酸、次亜塩素酸、クロム酸等の溶液が挙げられる。酸化性溶液の濃度は、０．１～１ｍｏｌ／Ｌとするのが好ましい。酸化性溶液処理は、１回又は複数回行うことができる。
Ｐｔ合金の表面にシェル層を形成する処理としては、Ｐｔ合金（コア）に白金化合物溶液を接触させる処理を行っても良い（白金化合物溶液処理）。この白金化合物溶液処理では、Ｐｔ合金（コア）の表面の金属（白金、コバルト、マンガン）との置換反応によって白金層が形成される。この処理で好適な白金化合物溶液としては、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液、塩化白金酸水溶液、塩化白金酸カリウム水溶液等が挙げられる。尚、白金化合物溶液処理は、上記した酸化性溶液処理を行ったＰｔ合金に対して行っても良い。
以上説明した、担体への各種金属の担持（溶液含侵・還元・熱処理）と白金シェル層の形成工程を経て、本発明のコアシェル触媒を製造することができる。ここで使用される担体については、上述の所定の比表面積を有する炭素微粉末担体が好適であるが、更に好ましくは、親水性を有する炭素微粉末担体の使用が好ましい。親水性に富む担体を使用することで、白金塩溶液の含侵工程（白金塩の担持工程）において、白金をより微細且つ高分散で担持することができる。これにより、好適な状態のコア粒子が形成され、その後の白金シェル層も好適なものとなる。炭素微粉末担体の親水性を向上させる処理法（親水化処理）としては、上記の各種金属の担持前に、炭素微粉末担体を水中で湿式粉砕する方法がある。このとき、湿式粉砕は、ホモジナイザ―や粉砕媒体としてジルコニアビーズを使用したビーズミルにて行うのが好ましい。また、処理時間としては、１０分間以上１時間以下とするのが好ましい。
（Ｂ）本発明に係る酸素還元反応用の触媒の設計方法
次に、本発明に係る酸素還元反応用の触媒の設計方法の実施態様について説明する。
本発明は、酸素還元反応の促進のための触媒設計に関することから、まず、酸素還元反応の機構を設定することが必要となる。図１に示す通り、酸素還元反応の反応モデルとしては、（ａ）酸素分子解離、（ｂ）ペルオキシ解離、（ｃ）過酸化水素解離、といった３パターンの反応経路が知られている。燃料電池カソード等における酸素還元反応においては、これらの反応経路が単独又は複合的に進行していると想定される。もっとも、いずれの反応経路においても、（１）酸素分子の吸着プロセス、（２）酸素原子とプロトンとの反応によるＯＨ基（ヒドロキシ基）の生成プロセス、（３）水分子の生成・脱離プロセス、の３つのプロセスが酸素還元反応の進行に必要となる。よって、触媒設計に際しては、各プロセスに関連する反応エネルギーとして（１）酸素分子の吸着エネルギー、（２）ＯＨの吸着エネルギー、（３）水分子の吸着エネルギー（水分子脱離の障壁となるエネルギー）をシミュレーションすることが好ましい。コアシェル触媒において、これらの反応エネルギーはコアとなるＰｔ合金の合金元素の種類、配分によって変化する。そこで、合金元素毎に各プロセスの反応エネルギーを推定し、Ｐｔ触媒に対して有利な数値を得ることができる合金元素を選択することでＰｔ触媒に対して優位な触媒の設計が可能となる。
次に、本発明に係る酸素還元反応用の触媒の設計方法の実施態様について説明する。
本発明は、酸素還元反応の促進のための触媒設計に関することから、まず、酸素還元反応の機構を設定することが必要となる。図１に示す通り、酸素還元反応の反応モデルとしては、（ａ）酸素分子解離、（ｂ）ペルオキシ解離、（ｃ）過酸化水素解離、といった３パターンの反応経路が知られている。燃料電池カソード等における酸素還元反応においては、これらの反応経路が単独又は複合的に進行していると想定される。もっとも、いずれの反応経路においても、（１）酸素分子の吸着プロセス、（２）酸素原子とプロトンとの反応によるＯＨ基（ヒドロキシ基）の生成プロセス、（３）水分子の生成・脱離プロセス、の３つのプロセスが酸素還元反応の進行に必要となる。よって、触媒設計に際しては、各プロセスに関連する反応エネルギーとして（１）酸素分子の吸着エネルギー、（２）ＯＨの吸着エネルギー、（３）水分子の吸着エネルギー（水分子脱離の障壁となるエネルギー）をシミュレーションすることが好ましい。コアシェル触媒において、これらの反応エネルギーはコアとなるＰｔ合金の合金元素の種類、配分によって変化する。そこで、合金元素毎に各プロセスの反応エネルギーを推定し、Ｐｔ触媒に対して有利な数値を得ることができる合金元素を選択することでＰｔ触媒に対して優位な触媒の設計が可能となる。
この各反応エネルギーの推定において、密度汎関数理論に基づく第１原理計算を用いたシミュレーションを行う。第１原理計算とは、「相互作用する多電子系の基底状態のエネルギーは電子の密度分布により決められる」ことを示した密度汎関数理論を基にした計算手法である。第１原理計算によれば、物質の電子構造を経験的なパラメータなしに定量的に議論できるようになる。また、このシミュレーションにおいては、第１原理計算の中でも現在もっとも精度の高い一般化密度勾配近似（ＧＧＡ）法を用いるのが好ましい。密度汎関数に基づく第１原理計算を用いたシミュレーションにより、実験的検証に近似した評価が可能となる。以下に本発明の触媒設計方法におけるシミュレーションについて、具体的な方法を説明する。
（Ｉ）白金原子が形成する方位面の選定
白金はｆｃｃ構造（面心立方格子）を有する金属であり、シェル層を構成する白金原子は、ｆｃｃ構造の（１１１）面、（００１）面、（１１０）面を形成することができる。本発明の設計方法におけるシミュレーションでは、白金原子が形成する方位面としていずれかの方位面を選定する。この点、（１１０）面は、他の面と比較して表面エネルギーが大きく化学的に不安定であることが報告されていることから（特許文献３）、この場合において（１１０）面よりも他の面を優先して対象とすることが好ましい。また、従来から、白金の方位面における反応活性は（１１１）面が（００１）面に対して優れていることが報告されている。よって、白金シェル層における方位面の選択としては（１１１）面を優先することが好ましい。尚、本発明に係るコアシェル触媒もこの知見に基づき、白金原子が形成する方位面を（１１１）面としている。但し、コアを構成するＰｔ合金の構成によっては、如何なる影響を受けるかは定かではないことから、シミュレーションの対象として（００１）や（１１０）面を選択しても良いし、複数の方位面を選択してシミュレーションを行っても良い。本明細書では、白金原子の配列として（１１１）面の方位面を選択した。
白金はｆｃｃ構造（面心立方格子）を有する金属であり、シェル層を構成する白金原子は、ｆｃｃ構造の（１１１）面、（００１）面、（１１０）面を形成することができる。本発明の設計方法におけるシミュレーションでは、白金原子が形成する方位面としていずれかの方位面を選定する。この点、（１１０）面は、他の面と比較して表面エネルギーが大きく化学的に不安定であることが報告されていることから（特許文献３）、この場合において（１１０）面よりも他の面を優先して対象とすることが好ましい。また、従来から、白金の方位面における反応活性は（１１１）面が（００１）面に対して優れていることが報告されている。よって、白金シェル層における方位面の選択としては（１１１）面を優先することが好ましい。尚、本発明に係るコアシェル触媒もこの知見に基づき、白金原子が形成する方位面を（１１１）面としている。但し、コアを構成するＰｔ合金の構成によっては、如何なる影響を受けるかは定かではないことから、シミュレーションの対象として（００１）や（１１０）面を選択しても良いし、複数の方位面を選択してシミュレーションを行っても良い。本明細書では、白金原子の配列として（１１１）面の方位面を選択した。
また、本実施形態のシミュレーションでは、本発明に係るコアシェル触媒（Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒）に加えて、対比のためにＰｔ触媒についても計算を行った。シミュレーションの条件として、各触媒は、６原子層からなる触媒とした。即ち、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒については、５原子層（第６層から第２層）においてＰｔ原子とＣｏ原子、Ｍｎ原子が配置されており、その上の第１層に、単原子層のＰｔ原子が積層した構造を想定した。但し、コアシェル触媒において、シェル層である白金層の厚さは単原子層に限定されるものではない。そして、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒のコアの構成は、Ｐｔ３Ｃｏ（ｘ＝０．３３）、Ｐｔ３Ｃｏ０．８Ｍｎ０．２（ｙ＝０．２７、ｚ＝０．０６７）とした。
（ＩＩ）ＯＲＲの各プロセスにおける反応エネルギー算出
次に、選択した方位面の白金原子における、上述した（１）～（３）の各反応についてシミュレーションを行い反応エネルギーを算出する。
（ＩＩ－１）酸素分子の吸着プロセス
（ＩＩ－１－１）酸素原子の吸着エネルギー
ＯＲＲにおける第１プロセスとなる酸素分子の触媒表面への吸着におけるエネルギーを算出する。ここで、酸素分子の吸着のシミュレーションの前に、酸素原子が触媒表面に吸着する場合について説明する。酸素分子が触媒表面に吸着するとき、その態様は、白金原子及びコバルト・マンガン原子の位置関係によって多数考えられる。そこで、触媒表面における酸素原子の優先的な吸着サイトをシミュレーションすることで、酸素分子が取り得る吸着の態様を検討することとした。
次に、選択した方位面の白金原子における、上述した（１）～（３）の各反応についてシミュレーションを行い反応エネルギーを算出する。
（ＩＩ－１）酸素分子の吸着プロセス
（ＩＩ－１－１）酸素原子の吸着エネルギー
ＯＲＲにおける第１プロセスとなる酸素分子の触媒表面への吸着におけるエネルギーを算出する。ここで、酸素分子の吸着のシミュレーションの前に、酸素原子が触媒表面に吸着する場合について説明する。酸素分子が触媒表面に吸着するとき、その態様は、白金原子及びコバルト・マンガン原子の位置関係によって多数考えられる。そこで、触媒表面における酸素原子の優先的な吸着サイトをシミュレーションすることで、酸素分子が取り得る吸着の態様を検討することとした。
図２は、Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒について、白金原子がｆｃｃ構造における（１１１）面を形成しているとき、各触媒を（１１１）面の法線方向から見た図である。図２に示すように、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒においては第１層の下の第２層にＣｏが、Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒においては第１層の下の第２層にＭｎが配置されている。
図３に示すように、Ｐｔ触媒等のｆｃｃ構造における（１１１）面で優先度が高いと予測される酸素原子の吸着サイトとしては、３つの原子に囲まれる位置（ｈｏｌｌｏｗ）に存在する２つの吸着サイトがある。即ち、ｈｃｐ ｈｏｌｌｏｗサイト（図３ではｈｃｐと表示する。以下、ｈと表記することがある）と、ｆｃｃ ｈｏｌｌｏｗサイト（図３ではｆｃｃと表示する。以下、ｆと表記することがある）である。ｈサイトは、図３を法線方向から見たとき、第２層の原子の上に位置するｈｏｌｌｏｗ（窪み）に存在する吸着サイトである。ｆサイトとは、図２を法線方向から見たとき、第２層の原子に囲まれる位置（ｈｏｌｌｗ）の上に位置するｈｏｌｌｏｗに存在する吸着サイトである。尚、これらｈサイトとｆサイトの他に、酸素原子が採りうる吸着サイトとしては、白金原子の上に位置するｔｏｐサイト（ｔサイト）と、２つの白金原子の間に位置するｂｒｉｄｇｅサイト（ｂサイト）があるが、本発明者等の事前の検討等から、これらの吸着サイトについては酸素原子の吸着エネルギーは低いことが明らかとなっていることから、酸素原子についてのシミュレーション対象から除外した。
Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒においても、酸素原子の吸着サイトは、基本的にｈサイトとｆサイトとなる。但し、Ｐｔ合金（ＰｔＣｏ合金、ＰｔＣｏＭｎ合金）をコアとする触媒においては、第２層のＣｏ又はＭｎとの位置関係によってこれら２つの吸着サイトは、更に２つに区別される。即ち、ｈサイトについては、第２層のＰｔ原子の上に位置するｈサイトとしてｈｃｐ＃１と、第２層のＣｏ原子（Ｍｎ原子）の上に位置するｈサイトとしてｈｃｐ＃２とに区分される。また、ｆサイトについては、第２層のＣｏ原子（Ｍｎ原子）に近接する位置のｆサイトとしてｆｃｃ＃１と、第２層のＣｏ原子（Ｍｎ原子）と離れた位置のｆサイトとしてｆｃｃ＃２とに区分される。尚、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒に関しても、Ｐｔ触媒と同様の理由により、ｔサイトとｂサイトは酸素原子の吸着シミュレーションから除外している。
そして、上記の各吸着サイトに対して、酸素原子の吸着エネルギーを求めた。ここで、吸着エネルギーの算出は、酸素原子が触媒表面から無限遠離れた位置に存在する時のエネルギー（Ｅ０）と、酸素原子が触媒表面に吸着しているときのエネルギー（Ｅ）との差（ΔＥ＝Ｅ－Ｅ０）を求めた。この算出結果を表１に示す。
吸着エネルギーの大小は、その絶対値により評価される。表1からわかるように、Ｐｔ、Ｐｔ／ＰｔＣｏ及びＰｔ／ＣｏＭｎのいずれにおいても、吸着エネルギーは、ｆｃｃサイトが最大となる。そして、Ｐｔ／ＰｔＣｏ及びＰｔ／ＣｏＭｎについては、ｆｃｃ＃１サイトが最大となった。この計算結果から、白金原子が形成するｆｃｃ構造の（１１１）面において、酸素原子が触媒表面に吸着する場合には、Ｐｔ／ＰｔＣｏ及びＰｔ／ＣｏＭｎのいずれにおいても、ｆｃｃ＃１サイトに吸着することが安定であることが分かる。
（ＩＩ－１－２）酸素分子の吸着エネルギー
以上の酸素原子における吸着モデルを考慮し、白金原子により形成されたｆｃｃ構造の（１１１）面に対し、酸素分子が触媒表面に吸着するときのモデルを検討する。酸素分子の吸着サイトについては、２つの酸素原子とそれらの重心位置の３点の吸着サイトを考慮する必要がある。ここで、２つの酸素原子とそれらの重心位置の吸着サイトとしては、ｔｏｐサイト（ｔサイト）、ｂｒｉｄｇｅサイト（ｂサイト）、ｈｃｐ ｈｏｌｌｏｗサイト（ｈサイト）、ｆｃｃサイトが考えられる。そして、Ｐｔ／ＰｔＣｏ及びＰｔ／ＣｏＭｎにおいては、第２層のＣｏ、Ｍｎとの位置関係に基づき、各吸着サイトについて、ｔ＃１・ｔ＃２サイト、ｂ＃１・ｂ＃２サイト、ｔ＃１・ｔ＃２サイト等のように２つに区別される。
以上の酸素原子における吸着モデルを考慮し、白金原子により形成されたｆｃｃ構造の（１１１）面に対し、酸素分子が触媒表面に吸着するときのモデルを検討する。酸素分子の吸着サイトについては、２つの酸素原子とそれらの重心位置の３点の吸着サイトを考慮する必要がある。ここで、２つの酸素原子とそれらの重心位置の吸着サイトとしては、ｔｏｐサイト（ｔサイト）、ｂｒｉｄｇｅサイト（ｂサイト）、ｈｃｐ ｈｏｌｌｏｗサイト（ｈサイト）、ｆｃｃサイトが考えられる。そして、Ｐｔ／ＰｔＣｏ及びＰｔ／ＣｏＭｎにおいては、第２層のＣｏ、Ｍｎとの位置関係に基づき、各吸着サイトについて、ｔ＃１・ｔ＃２サイト、ｂ＃１・ｂ＃２サイト、ｔ＃１・ｔ＃２サイト等のように２つに区別される。
ここで、文献によると、白金原子により構成された（１１１）面に対する酸素分子の吸着サイトとしては、ｔ－ｂ－ｔ、ｔ－ｆ－ｂ、ｔ－ｈ－ｂの３つが支配的であるとされている（A.Eichler,J.Hafner,Phys.Rev.Lett.79(1997)4481-4484）及びM.M.Montemore,M.A.Spronsen,R.J.Madix,C.M.Friend,Chem.Rev.118(2018)2816-2862）。この知見を基にＰｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒について、白金原子がｆｃｃ構造における（１１１）面を形成しているとき、酸素分子の前記の各吸着サイトへの吸着パターンを示すと図４、図５、図６のようになる。
そこで、上記の各吸着サイトに対して、酸素分子の吸着エネルギーを求めた。ここで、酸素分子の吸着エネルギーの算出は、酸素分子が触媒表面から無限遠離れた位置に存在する時のエネルギー（Ｅ０）と、酸素分子が触媒表面に吸着しているときのエネルギー（Ｅ）との差（ΔＥ＝Ｅ－Ｅ０）を求めた。この算出結果を表２に示す。
表２から、吸着エネルギーの値は、ｔ－ｂ－ｔサイト及びｔ－ｆ－ｂサイトにおける値が近く、これらにおいてはｔ－ｈ－ｂサイトよりも吸着エネルギーが大きい。よって、Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒について、白金原子がｆｃｃ構造における（１１１）面を形成しているとき、酸素分子は、ｔ－ｂ－ｔサイト及びｔ－ｆ－ｂサイトに吸着する傾向があることが確認される。
そして、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒においては、酸素原子の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が１．０ｅＶ未満であることが好ましく、また酸素分子の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が０．５ｅＶ未満であることが好ましいことがわかる。
（ＩＩ－１－３）酸素分子から酸素原子への解離吸着
触媒表面に吸着した酸素分子は、次プロセスのヒドロキシ基の生成のため、酸素原子へ解離して吸着する。上記のとおり、白金原子がｆｃｃ構造における（１１１）面を形成しているとき、酸素分子は、ｔ－ｂ－ｔサイト及びｔ－ｆ－ｂサイトに吸着する。これらの吸着サイトに吸着した酸素分子は、酸素原子に解離して相互に原子間距離を増大させて再配列する。図７は、ｔ－ｂ－ｔサイト及びｔ－ｆ－ｂサイトに吸着した酸素分子（始状態）と、酸素原子へ解離し再配列した終状態を示すモデルである。そして、この始状態から終状態までの経路と活性化エネルギーについては、ＣＩ－ＮＥＢ（Ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ｉｍａｇｅ－Ｎｕｄｇｅｄ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｂａｎｄ）法を適用したシミュレーションによって算出可能である。ＮＥＢ法は、始状態及び終状態の構造から対象となる反応の遷移経路を解析する方法である。ＮＥＢ法によれば、遷移経路に沿ったエネルギー曲線から反応の活性化エネルギーを求めることができる。
触媒表面に吸着した酸素分子は、次プロセスのヒドロキシ基の生成のため、酸素原子へ解離して吸着する。上記のとおり、白金原子がｆｃｃ構造における（１１１）面を形成しているとき、酸素分子は、ｔ－ｂ－ｔサイト及びｔ－ｆ－ｂサイトに吸着する。これらの吸着サイトに吸着した酸素分子は、酸素原子に解離して相互に原子間距離を増大させて再配列する。図７は、ｔ－ｂ－ｔサイト及びｔ－ｆ－ｂサイトに吸着した酸素分子（始状態）と、酸素原子へ解離し再配列した終状態を示すモデルである。そして、この始状態から終状態までの経路と活性化エネルギーについては、ＣＩ－ＮＥＢ（Ｃｌｉｍｂｉｎｇ Ｉｍａｇｅ－Ｎｕｄｇｅｄ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｂａｎｄ）法を適用したシミュレーションによって算出可能である。ＮＥＢ法は、始状態及び終状態の構造から対象となる反応の遷移経路を解析する方法である。ＮＥＢ法によれば、遷移経路に沿ったエネルギー曲線から反応の活性化エネルギーを求めることができる。
図８は、Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒について、白金原子により形成された（１１１）面に吸着した酸素分子の酸素原子への解離の活性化エネルギーのシミュレーション結果である。本発明者等によるこのシミュレーション結果の解析から、各触媒における酸素原子への解離反応における活性化障壁として下記が算出された。下記表３のとおり、活性化障壁はＰｔ触媒が最も低く、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒がこれに続く。
（２）ＯＨ形成プロセス
例えば、燃料電池のカソードでは、固体電解質を介してアノード側からプロトンがカソードに供給される。上記酸素分子の解離吸着後、プロトン供給を受けてＯＨを生成する。図９は、生成するＯＨの吸着サイトを示す図である。Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒について、白金原子により形成された（１１１）面では、ＯＨはｔｏｐサイト（ｔｏｐ＃１、＃２サイト）、ｂｒｉｄｇｅサイト（ｂｒｉｄｇｅ＃１、＃２サイト）への吸着が優勢となる。
例えば、燃料電池のカソードでは、固体電解質を介してアノード側からプロトンがカソードに供給される。上記酸素分子の解離吸着後、プロトン供給を受けてＯＨを生成する。図９は、生成するＯＨの吸着サイトを示す図である。Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒について、白金原子により形成された（１１１）面では、ＯＨはｔｏｐサイト（ｔｏｐ＃１、＃２サイト）、ｂｒｉｄｇｅサイト（ｂｒｉｄｇｅ＃１、＃２サイト）への吸着が優勢となる。
そして、これらの吸着サイトに対して、ＯＨの吸着エネルギーを求めた。ここで、吸着エネルギーの算出は、ＯＨが触媒表面から無限遠離れた位置に存在する時のエネルギー（Ｅ０）と、ＯＨが触媒表面に吸着しているときのエネルギー（Ｅ）との差（ΔＥ＝Ｅ－Ｅ０）を求めた。この算出結果を表４に示す。表４から、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒においては、ＯＨ基の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が、２．３ｅＶ未満となる。
（３）水分子の生成・脱離プロセス
そして、触媒表面で生成したＯＨはプロトンと反応し、水が生成・脱離する。図１０は、生成する水分子の吸着サイトを示す図である。Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒について、白金原子により形成された（１１１）面では、水分子はｔｏｐサイト（ｔｏｐ＃１、＃２サイト）への吸着が優勢となる。
そして、触媒表面で生成したＯＨはプロトンと反応し、水が生成・脱離する。図１０は、生成する水分子の吸着サイトを示す図である。Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒について、白金原子により形成された（１１１）面では、水分子はｔｏｐサイト（ｔｏｐ＃１、＃２サイト）への吸着が優勢となる。
そして、この吸着サイトに対して、水の吸着エネルギーを求めた。ここで、吸着エネルギーの算出は、水が触媒表面から無限遠離れた位置に存在する時のエネルギー（Ｅ０）と、水が触媒表面に吸着しているときのエネルギー（Ｅ）との差（ΔＥ＝Ｅ－Ｅ０）を求めた。この算出結果を表５に示す。表５から、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒においては、水分子の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が、０．１９ｅＶ未満となる。
（ＩＩＩ）各触媒表面の状態密度
ＯＲＲにおける上記した各反応プロセスのシミュレーションに加えて、本発明者等は、Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒における白金原子が形成した面心立方格子の（１１１）面）における状態密度について、密度汎関数理論に基づいた第１原理計算を用いてシミュレーションを行った。結果を図１１、図１２、図１３に示す。これらの図においては、状態密度が小さい軌道の表示は省略し、着目すべき３つの５ｄ軌道であるｄｘｙ、ｄｙｚ、ｄｚｚが示されている。また、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒に関しては、第２層のＣｏ原子、Ｍｎ原子との位置関係を考慮した２箇所についてシミュレーションを行っている。
ＯＲＲにおける上記した各反応プロセスのシミュレーションに加えて、本発明者等は、Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒における白金原子が形成した面心立方格子の（１１１）面）における状態密度について、密度汎関数理論に基づいた第１原理計算を用いてシミュレーションを行った。結果を図１１、図１２、図１３に示す。これらの図においては、状態密度が小さい軌道の表示は省略し、着目すべき３つの５ｄ軌道であるｄｘｙ、ｄｙｚ、ｄｚｚが示されている。また、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒に関しては、第２層のＣｏ原子、Ｍｎ原子との位置関係を考慮した２箇所についてシミュレーションを行っている。
図１１のＰｔ触媒のシミュレーション結果を参照すると、フェルミ準位（Ｅ－ＥＦ＝０）の近傍で電子密度が高くなっている。Ｐｔ触媒が好適な触媒活性を示すことを表している。
図１２のＰｔ／ＰｔＣｏ触媒及び図１３のＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒に対するシミュレーション結果について、Ｐｔ触媒と対比しつつ検討する。これらの触媒においては、全体的に状態密度のピークが高く、且つフェルミ準位へのピークシフトが見られる。特に、フェルミ準位近傍（Ｅ－ＥＦ＝０～－１．０ｅＶ）でのｄｘｚ軌道のピークは高くシャープである。ｄｘｚ軌道は、Ｏ－Ｐｔ結合に優位に作用することが知られている。これらから、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒は、Ｐｔ触媒に対して触媒活性を示すこと、及び触媒表面における酸素との結合力が高いことが推定される。
（ＩＶ）ＯＲＲの電極電位
上記で説明した（１）酸素分子の吸着（解離吸着）プロセス、（２）ＯＨの生成プロセス、（３）水分子の生成・脱離プロセスを経て酸素還元反応（ＯＲＲ）が完了する。ここで、ＯＲＲにおける各段階の反応式は下記のとおりとなる。
上記で説明した（１）酸素分子の吸着（解離吸着）プロセス、（２）ＯＨの生成プロセス、（３）水分子の生成・脱離プロセスを経て酸素還元反応（ＯＲＲ）が完了する。ここで、ＯＲＲにおける各段階の反応式は下記のとおりとなる。
上記核反応式において、式（１）の酸素吸着は化学反応であり、式（２）のＯＨ生成反応と式（３）の水の生成反応は電気化学的反応（プロトン化）である。密度汎関数理論によれば、このＯＲＲの電極電位のシミュレーションも可能となる。図１４は、Ｐｔ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒における式（１）～式（３）の反応における電極電位のシミュレーション結果である。図１４から、各触媒における電極電位の理論値は下記の通りとなる。
上記より、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒の電極電位は、Ｐｔ触媒よりも高いことが分かる。よって、このシミュレーション結果からもＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒は、Ｐｔ触媒に対して触媒活性を示すことが分かる。
以上説明したＯＲＲに対する、密度汎関数理論に基づく各種のシミュレーション結果から、ＯＲＲの反応プロセスに重要となる各エネルギー（酸素分子の吸着エネルギー、ＯＨの吸着エネルギー、水分子の吸着エネルギー）に関し、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒は、Ｐｔ触媒に対していずれも低いことが分かる。これらがＯＲＲの高活性に関連していると考えられる。更に、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒は、状態密度及びＯＲＲにおける電極電位のシミュレーション結果からも高活性であることが確認された。
本実施形態では、コアとしてＰｔＣｏ合金及びＰｔＣｏＭｎ合金を適用したコアシェル触媒についてのシミュレーションに基づく触媒設計に関するが、Ｃｏ、Ｍｎ以外の他の合金元素を含むコアを有するコアシェル触媒についても、同様の設計方法が適用できる。
以上説明した本発明の実施形態について、具体的な実施例を説明する。この実施例では、所定組成のＰｔＣｏ合金、ＰｔＣｏＭｎ合金をコアとし、白金シェル層を有するコアシェル触媒を製造し、Ｐｔ触媒との活性を対比した。
実施例１（Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒）
本実施例では、まずＰｔ触媒を製造し、ここにコバルトを担持し合金化してコアを形成後、酸化性溶液処理及び白金化合物溶液処理を行いＰｔ／ＰｔＣｏ触媒を製造した。Ｐｔ触媒の製造の先立ち、担体となるとなる炭素微粉末（比表面積８５０ｍ２／ｇ）を用意し、これを担体の親水化のための湿式粉砕処理をした。担体の湿式粉砕は、炭素微粉末担体５０ｇに対して２Ｌの水でホモジナイザ―にて７００ｒｐｍで１０分間粉砕処理した。
本実施例では、まずＰｔ触媒を製造し、ここにコバルトを担持し合金化してコアを形成後、酸化性溶液処理及び白金化合物溶液処理を行いＰｔ／ＰｔＣｏ触媒を製造した。Ｐｔ触媒の製造の先立ち、担体となるとなる炭素微粉末（比表面積８５０ｍ２／ｇ）を用意し、これを担体の親水化のための湿式粉砕処理をした。担体の湿式粉砕は、炭素微粉末担体５０ｇに対して２Ｌの水でホモジナイザ―にて７００ｒｐｍで１０分間粉砕処理した。
親水化処後の炭素微粉末４６ｇと、白金塩溶液として白金濃度４．６質量％のジニトロジアンミン白金硝酸溶液１０００ｇ（白金含有量：４６ｇ）とを製造容器に投入し混合した。その後、還元剤として１００％エタノールを５４０ｍＬ加えて混合した。この混合溶液を約８５℃で４時間還流反応させて白金を還元した。その後、濾過、乾燥、洗浄した。
次に、Ｐｔ触媒にコバルトを担持した。金属塩溶液として塩化コバルト６水和物（ＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）１００ｇを水５００ｍＬに溶解させた金属塩溶液を作成し、ここにＰｔ触媒を浸漬・混合した。そして、この溶液に濃度１質量％の水素化ホウ素ナトリウム溶液１０Ｌを滴下し攪拌して還元処理し、Ｐｔ触媒にコバルトを担持した。その後、ろ過・洗浄・乾燥した。そして、合金化のための熱処理を行った。熱処理は、１００％水素ガス中で熱処理温度を９００℃として０．５時間の熱処理を行った。これにより、炭素微粉末担体上にＰｔＣｏ合金コアが形成され前駆触媒を得た。
上記前駆触媒について、酸化性溶液処理及び白金化合物溶液処理を行った。まず、前駆触媒を０．５ｍｏｌ／Ｌの硫酸水溶液中８０℃にて２時間処理した後、濾過・洗浄・乾燥した。そして、１．０ｍｏｌ／Ｌの硝酸水溶液中７０℃にて２時間処理した後、濾過・洗浄・乾燥した。この硝酸水溶液による処理は２回行った。
そして、酸化性溶液処理後の前駆触媒を白金化合物溶液で処理した。ここでは、白金化合物溶液として、塩化白金酸１１．９ｇ（白金１．７８ｇ）を純水で２．５倍に希釈した溶液を用意した。白金化合物溶液処理では、まず、１Ｍ塩酸水溶液を触媒１０ｇに対して１Ｌ用意し、塩酸水溶液に触媒を分散させてスラリー化した。そして、この前駆触媒のスラリーに、上記の塩化白金酸水溶液を（１０ｍＬ／ｍｉｎ）滴下した。滴下後、２４時間攪拌し、濾過と洗浄とを３回繰り返した。最後に６０℃で２４時間乾燥した。
実施例２（Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒）
上記実施例１で製造したＰｔ触媒にコバルト、マンガンを担持してＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒を製造した。上記Ｐｔ触媒を、塩化コバルト（ＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）と塩化マンガン（ＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏ）をイオン交換水１００ｍＬに溶解させた金属塩溶液に浸漬し攪拌して溶液を含侵させた。この溶液に濃度１質量％の水素化ホウ素ナトリウム溶液５００ｍＬを滴下し攪拌して還元処理した。そして、合金化のための熱処理を行った。熱処理は、１００％水素ガス中で熱処理温度を９００℃として０．５時間の熱処理を行った。これにより、炭素微粉末担体上にＰｔＣｏＭｎ合金コアが形成され前駆触媒を得た。更に、この前駆触媒について、実施例1と同じ条件で酸化性溶液処理及び白金化合物溶液処理を行った。
上記実施例１で製造したＰｔ触媒にコバルト、マンガンを担持してＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒を製造した。上記Ｐｔ触媒を、塩化コバルト（ＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）と塩化マンガン（ＭｎＣｌ２・４Ｈ２Ｏ）をイオン交換水１００ｍＬに溶解させた金属塩溶液に浸漬し攪拌して溶液を含侵させた。この溶液に濃度１質量％の水素化ホウ素ナトリウム溶液５００ｍＬを滴下し攪拌して還元処理した。そして、合金化のための熱処理を行った。熱処理は、１００％水素ガス中で熱処理温度を９００℃として０．５時間の熱処理を行った。これにより、炭素微粉末担体上にＰｔＣｏＭｎ合金コアが形成され前駆触媒を得た。更に、この前駆触媒について、実施例1と同じ条件で酸化性溶液処理及び白金化合物溶液処理を行った。
比較例（Ｐｔ触媒）
実施例１、２の触媒と比較するため、各実施例の触媒の製造のために使用したＰｔ触媒を評価対象として用意した。
実施例１、２の触媒と比較するため、各実施例の触媒の製造のために使用したＰｔ触媒を評価対象として用意した。
［触媒粒の構造解析］
製造した実施例１（Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒）、実施例２（Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒）の触媒粒子の組成及び格子定数の解析を行った。この構造解析では、各触媒について２０個の触媒粒子を任意選択し、組成及び表面及び内部の格子定数を測定した。尚、触媒粒子の内部とは、中心部付近である。
製造した実施例１（Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒）、実施例２（Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒）の触媒粒子の組成及び格子定数の解析を行った。この構造解析では、各触媒について２０個の触媒粒子を任意選択し、組成及び表面及び内部の格子定数を測定した。尚、触媒粒子の内部とは、中心部付近である。
触媒粒子の組成解析には、ＳＴＥＭ－ＥＤＸによる分析を行った。その結果、実施例１のＰｔ／ＰｔＣｏ触媒では、Ｐｔ合金コアの組成がＰｔＣｏ０．３であることが確認された。また、この触媒の触媒粒子においては、表面のＰｔ含有量が内部のＰｔ含有量に対して高くなっており、コアシェル構造を有することが確認された。次に、実施例１のＰｔ／ＰｔＣｏ触媒について、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ法により触媒粒子を分析したところ、触媒粒子の白金シェル層を構成する白金原子は（１１１）面に配列していること及び表面２原子層が白金シェル層であることが確認された。更に、ｃｓ－ＳＴＥＭにより、触媒粒子の断面の分析を行ったところ、触媒粒子の表面における格子定数は、３．９２Å（平均値）であった。各触媒粒子の表面の格子定数は３．７０Å以上４．０５Å以下の範囲内にあることも確認された。一方、触媒粒子の内部における格子定数は、３．７６Å（平均値）であった。各触媒粒子の表面の格子定数は３．５５Å以上３．９５Å以下の範囲内にあることが確認された。
実施例２のＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒についても、実施例１と同様の分析を行った。その結果、実施例２のＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒のＰｔ合金コアの組成をはｍＰｔＣｏ０．２７Ｍｎ０．０６７であることが確認された。そして、実施例１と同様に、触媒粒子の表面のＰｔ含有量が内部のＰｔ含有量に対して高くなっており、コアシェル構造を有することが確認された。更に、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ法の分析から、白金シェル層を構成する白金原子は（１１１）面に配列し、表面２原子層が白金シェル層であることが確認された。そして、ｃｓ－ＳＴＥＭ分析から、触媒粒子の表面における格子定数は、３．９４Å（平均値）であった。各触媒粒子の表面の格子定数は３．８７Å以上４．１０Å以下の範囲内にあることも確認された。一方、触媒粒子の内部における格子定数は、３．８１Å（平均値）であった。各触媒粒子の表面の格子定数は３．７０Å以上４．０５Å以下の範囲内にあることが確認された。
上記実施例１、実施例２の触媒に対し、比較例のＰｔ触媒の触媒粒子のｃｓ－ＳＴＥＭ分析から、触媒粒子の表面における格子定数は、３．９６Å（平均値）であり、触媒粒子の内部における格子定数は、３．９４Å（平均値）であった。比較例のＰｔ触媒においては、触媒粒子の表面と内部において格子定数は、ほぼ同じであることが確認された。
ＯＲＲ活性の比較評価
実施例１、２及び比較例の触媒について、ＯＲＲ活性の比較評価を行った。評価試験は、燃料電池のカソードにおける性能評価のため、単セルを作製して触媒のＭａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを測定することにより行った。単セルの作製では、まず、各触媒により電極面積５ｃｍ×５ｃｍ＝２５ｃｍ2のカソード電極を作成した。そして、これらのカソード電極とアノード電極でプロトン伝導性高分子電解質膜を挟み合わせて膜/電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）を作製した。評価試験に際しては、前処理として、水素流量＝１０００ｍＬ/ｍｉｎ、酸素流量＝１０００ｍＬ/ｍｉｎ、セル温度＝８０℃、アノード加湿温度＝９０℃、カソード加湿温度＝３０℃の条件にて電流/電圧曲線を引いた。その後、本測定として、Ｍａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを測定した。試験方法は０．９Ｖでの電流値（Ａ）を測定し、電極上に塗布したＰｔ重量からＰｔ１ｇあたりの電流値（Ａ/ｇ-Ｐｔ）を求めてＭａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを算出した。そして、Ｐｔ触媒のＭａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを基準としてＰｔ／ＰｔＣｏ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒のＭａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを相対評価した。この活性評価試験の結果を表７に示す。
実施例１、２及び比較例の触媒について、ＯＲＲ活性の比較評価を行った。評価試験は、燃料電池のカソードにおける性能評価のため、単セルを作製して触媒のＭａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを測定することにより行った。単セルの作製では、まず、各触媒により電極面積５ｃｍ×５ｃｍ＝２５ｃｍ2のカソード電極を作成した。そして、これらのカソード電極とアノード電極でプロトン伝導性高分子電解質膜を挟み合わせて膜/電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）を作製した。評価試験に際しては、前処理として、水素流量＝１０００ｍＬ/ｍｉｎ、酸素流量＝１０００ｍＬ/ｍｉｎ、セル温度＝８０℃、アノード加湿温度＝９０℃、カソード加湿温度＝３０℃の条件にて電流/電圧曲線を引いた。その後、本測定として、Ｍａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを測定した。試験方法は０．９Ｖでの電流値（Ａ）を測定し、電極上に塗布したＰｔ重量からＰｔ１ｇあたりの電流値（Ａ/ｇ-Ｐｔ）を求めてＭａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを算出した。そして、Ｐｔ触媒のＭａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを基準としてＰｔ／ＰｔＣｏ触媒、Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒のＭａｓｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙを相対評価した。この活性評価試験の結果を表７に示す。
表７から、Ｐｔ／ＰｔＣｏ触媒（実施例１）及びＰｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒（実施例２）は、Ｐｔ触媒（比較例）に対してＯＲＲ活性に優れていることが確認された。特に、Ｐｔ／ＰｔＣｏＭｎ触媒が高活性であった。
以上の実験的検証から、ＰｔＣｏ合金及びＰｔＣｏＭｎ合金をコアとしてここに白金シェル層を形成したコアシェル触媒は、ＯＲＲに対して高い活性を有することが確認された。そして、この結果は、上述した密度汎関数理論に基づくシミュレーションによる計算結果とも符合しているといえる。例えば、ＯＲＲの電極電位に関するシミュレーション結果（表６）は、表７の評価試験結果と良く符合している。従って、本発明に係る触媒設計方法の妥当性も確認された。
本発明に係るＯＲＲ用の触媒は、好適なＰｔ合金をコアとしたコアシェル触媒であり、酸素還元反応に対して好適な活性を有する。本発明の具体的な用途として特に好適なものとして固体高分子形燃料電池等の燃料電池のカソード電極がある。燃料電池は、自動車用電源や家庭用電源等について次世代の発電システムとして期待され実用化も進んでいる。本発明は、この燃料電池の実用化の流れに資する発明である。また、本発明では、密度汎関数理論に基づくシミュレーションによる触媒設計方法も開示している。この触媒設計方法では、実験的検証に依らずに触媒性能の予測・確認を行うことができることから、好適な触媒を設計・製造する際の効率化に寄与することができる。
Claims (15)
- コアとしてＰｔＣｏ合金を含み、シェル層として白金を含むコアシェル構造の触媒粒子を有する酸素還元反応用の触媒であって、
前記シェル層を構成する複数の白金原子により、面心立方格子の（１１１）面が形成されており、
前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．７０Å以上４．０５Å以下であることを特徴とする触媒。 - 触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が、前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数よりも小さい請求項１記載の触媒。
- 触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．５５Å以上３．９５Å以下である請求項１又は請求項２記載の触媒。
- コアに含まれるＰｔＣｏ合金は、ＰｔＣｏｘ（０．１４≦ｘ≦０．３３）である請求項1～請求項３のいずれかに記載の触媒。
- コアとしてＰｔＣｏＭｎ合金を含み、シェル層として白金を含むコアシェル構造の触媒粒子を有する酸素還元反応用の触媒であって、
前記シェル層を構成する複数の白金原子により、面心立方格子の（１１１）面が形成されており、
前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．８７０Å以上４．１０Å以下であることを特徴とする触媒。 - 触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が、前記触媒粒子表面における面心立方格子の（１１１）面の格子定数よりも小さい請求項５記載の触媒。
- 触媒粒子の内部の白金原子により形成された面心立方格子の（１１１）面の格子定数が３．７０Å以上４．０５Å以下である請求項５又は請求項６記載の触媒。
- コアに含まれるＰｔＣｏＭｎ合金は、ＰｔＣｏｙＭｎｚ（０．０６≦ｙ≦０．３９、０．０４≦ｚ≦０．３３）である請求項５～請求項７のいずれかに記載の触媒。
- 酸素原子の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が、１．０ｅＶ未満である請求項１～請求項８のいずれかに記載の触媒。
- 酸素分子の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が、０．５ｅＶ未満である請求項１～請求項９のいずれかに記載の触媒。
- ＯＨ基の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が、２．３ｅＶ未満である請求項１～請求項１０のいずれかに記載の触媒。
- 水分子の吸着エネルギーが最大である吸着サイトにおける吸着エネルギーの絶対値が、０．１９ｅＶ未満である請求項１～請求項１１のいずれかに記載の触媒。
- 触媒粒子が炭素微粉末担体に担持されてなる請求項１～請求項１２のいずれかに記載の触媒。
- 触媒全体に対する触媒粒子の担持密度は、２０～７０質量％である請求項１～請求項１３のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用の触媒。
- コアとして白金と１種又は２種以上の合金元素とからなる合金を含み、シェル層として白金を含むコアシェル構造の触媒粒子を有する酸素還元反応用の触媒の設計方法であって、
前記シェル層を構成する複数の白金原子の配列として、（１１１）面、（００１）面、（１１０）面の少なくともいずれかの方位面を選択するステップ、
前記選択された白金の方位面に対する、酸素分子の吸着モデル、ＯＨ基の生成モデル、水分子の生成及び脱離モデルを作成するステップ、
密度汎関数理論に基づく第１原理計算により、前記酸素分子の吸着エネルギー、前記ＯＨ基の吸着エネルギー、前記水分子の吸着エネルギーを算出するステップを含み、
前記酸素分子の吸着エネルギー、前記ＯＨ基の吸着エネルギー、前記水分子の吸着エネルギーの算出結果に基づき、合金元素を選択することを特徴とする酸素還元反応用の触媒の設計方法。
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