JP7101119B2 - 触媒 - Google Patents
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Description
(i) 電極触媒層をガス拡散層に塗布し、ガス拡散電極が形成する。ガス拡散電極をイオン伝導性膜の片面に配置し、共に積層化して、5層のMEAを形成する。
(ii) 電極触媒層をイオン伝導性膜の両面に塗布し、触媒コーティングされたイオン伝導性膜を形成する。その後、触媒コーティングされたイオン伝導性膜の片面にガス拡散層を塗布する。
(iii) 片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もう一方の面上のガス拡散電極から、MEAを形成することができる。
(i) 担体材料上に担持された第1の金属を含む触媒材料前駆体を提供する工程;
(ii) 触媒材料前駆体上にシリコン酸化物前駆体及び1種以上の第2の金属前駆体を堆積させる工程;
(iii) 第1の熱処理工程を実施して、シリコン酸化物前駆体をシリコン酸化物に転化させる工程;
(iv) 第2の熱処理工程を実施して、第1の金属と第2の金属とを合金化する工程;及び
(v) シリコン酸化物の少なくとも一部を除去して、触媒材料を形成する工程
を含む。
(i) 担体材料上に担持された第1の金属を含む触媒材料前駆体を提供する工程;
(ii) 触媒材料前駆体上にシリコン酸化物前駆体及び1種以上の第2の金属前駆体を堆積させる工程;
(iii) 第1の熱処理工程を実施して、シリコン酸化物前駆体をシリコン酸化物に転化させる工程;
(iv) 第2の熱処理工程を実施して、第1の金属と第2の金属とを合金化する工程;及び
(v) シリコン酸化物の少なくとも一部を除去して、触媒材料を形成する工程
を含む。
(vi) 合金化されていない第2の金属の一部若しくは全部の除去及び/又は(脱合金化触媒材料を提供するための)触媒材料の表面からの合金化された第2の金属の一部の除去。
第1の金属は、白金族金属であり、白金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、イリジウム及びオスミウムからなる群より選択される1種以上の金属である。好ましくは、第1の金属は、白金である。
1種以上の第2の金属は、遷移金属又はスズである。第2の金属は、第1の金属とは異なる。第2の金属の選択は、触媒の最終用途に依存し、当業者が適切な第2の金属を選択する能力の範囲内である。好適には、第2の金属は、白金以外の貴金属(すなわちルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金、銀)及び卑金属(例えばニッケル、コバルト、クロム、銅、鉄、亜鉛、ニオブ、タンタル、バナジウム、スズ又はチタン)からなる群より選択される。
担体材料は、繊維又は粒子の形態のいずれかである。
粒状担体材料は、炭素粒子、例えば市販のカーボンブラック(Cabot Corporation(Vulcan(登録商標)XC72R)及びAkzoNobel(Ketjen Blackシリーズ)から入手可能なファーネスブラックなど)又はこれらのカーボンブラック若しくは他の市販のカーボンブラックの黒鉛化若しくは改質されたもの、例えばアセチレンブラック(Denka Co.,Ltdから入手可能なものなど)であってもよい。炭素は、国際公開第2013/045894号に記載のもののように、燃料電池における使用のために特別に設計されるものであってもよい。あるいは、微粒子は、金属酸化物(例えばチタニア、ジルコニア、シリカ又は混合酸化物、特に、国際公開第2012/080726号に記載されているような、ニオビアドープチタニア、リンドープ酸化スズ、及び混合白金族金属酸化物又は混合金属酸化物などの導電性混合酸化物)、炭化物(例えば炭化タングステン又は炭化チタン)、窒化物、特に導電性窒化物(例えば窒化チタン又は窒化チタンアルミニウム)であってもよい。
本発明の方法のための出発材料は、担体材料上に担持された第1の金属である。そのような材料の調製は当業者に周知であり、例えば国際公開第2013/045894号に記載されているような、複数の異なる方法で実施することができるであろう。
シリコン酸化物前駆体は、第1の熱処理工程中にシリコン酸化物へ転化され得る任意の化合物である。
1種以上の第2の金属前駆体は好適には、1種以上の第2の金属の硝酸塩、ハロゲン化物、カルボン酸塩、アルコキシド及び硫酸塩からなる群より選択される。好適には、第2の金属前駆体は、第2の金属の硝酸塩、ハロゲン化物、及びカルボン酸塩からなる群より選択される。
第1の熱処理工程は、シリコン酸化物前駆体のシリコン酸化物への転化を可能にする。
第2の熱処理工程は、第1の金属と第2の金属との合金化を可能にする。「合金化」という用語は、第1と第2の金属成分のすべてが合金を形成するために結合されることを示すことが意図されているが、合金化されないまま本発明の最終触媒中に残留している、いくらかの第1及び/又は第2の金属が存在する可能性がある(例えば、第1及び/又は第2の金属の各々の10重量%まで)。
少量のシリコン酸化物は有害ではなく、実際いくつかの操作条件下では、得られたMEAの性能の改善をもたらし得るものの、シリコン酸化物は、最終触媒材料の必須要件ではない。したがって、工程(v)は、担体材料の合金触媒からシリコン酸化物のすべてではないにしても大部分を除去する。シリコン酸化物は、好ましくは、水酸化物溶液、特に水酸化テトラエチルアンモニウムなどの塩基性溶液を用い、フッ素化又は加水分解法により除去される。塩基処理後、最終触媒材料の重量に対して5重量%まで、好適には4重量%まで、より好適には2重量%まで、さらに一層好適には1重量%までのケイ素が、触媒材料中に残存し得る。いくつかの実施態様では、本質的にすべてのシリコン酸化物が除去され、0重量%以上1重量%未満、好適には0.5重量%未満のシリコン酸化物が触媒材料中に残る。
任意選択的なプロセス工程は、触媒材料を酸中で洗浄することを含み、合金化されていない第2の金属を除去する。理論に縛られることを望まないが、本発明者らは、シリコン酸化物前駆体及び/又はシリコン酸化物が、第2金属が担体材料の細孔の深部まで浸透することを防止し、結果として任意の合金化されていない第2の金属の除去をより容易にすると考えている。
粒状カーボンブラック担持ナノ粒子白金(Pt/C)触媒材料前駆体は、国際公開第2013/045894号に記載されている炭素担持白金触媒の一般的な調製方法に類似の方法を用いて調製した。Pt/C触媒を24重量%アンモニア水溶液に分散させ、60℃に加熱した。(3-アミノプロピル)トリエトキシシランを加え、混合物を1時間撹拌した。テトラエチルオルトシリケートを加え、混合物をさらに1時間撹拌した後、室温に冷却した。その後、得られたシロキサンポリマーコーティングされたPt/C触媒をろ過し、脱塩水で洗浄し、乾燥させた。
Pt/C触媒(20.0g、5.6g、0.0287mol Pt)
アンモニア水溶液(1500ml)
(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン(3.60g、0.016mol)
テトラエチルオルトシリケート(15.26g、0.070mol)
水(50ml)中硝酸ニッケル(24.96g、5.02g、0.086mol Ni)
水酸化テトラエチルアンモニウム(800ml;50.66g、0.344mol)
0.5M H2SO4(800ml)
Pt/C触媒(50.0g、14.0g、0.0718mol Pt)
アンモニア水溶液(3000ml)
(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン(9.00g、0.040mol)
テトラエチルオルトシリケート(38.15g、0.175mol)
水(125ml)中硝酸ニッケル(62.40g、13.25g、0.215mol Ni)
実施例2:上で調製したPtNi-シリカ材料の半分を使用
水酸化テトラエチルアンモニウム(1000ml;58.88g、0.400mol)
0.5M H2SO4(1000ml)
実施例3:上で調製したPtNi-シリカ材料の4分の1を使用
水酸化テトラエチルアンモニウム(500ml;22.00g、0.149mol)
0.5M H2SO4 (500ml)
Pt/C触媒(8.0g;2g、0.0115mol Pt)を、国際公開第2013/045894号に記載されている炭素担持白金触媒の一般的な調製方法に類似の方法を用いて調製した。硝酸ニッケル(9.98g;2.00g、0.0345mol Ni)水(20ml)溶液を、乾燥させたPt/C触媒に一定量添加し、混合して均質な分散を確実にした。堆積が完了したら、PtNi触媒を回収し、乾燥させ、5% H2/N2の還元性雰囲気中、900℃で1時間アニールした。PtNi合金触媒を400mlの水酸化テトラエチルアンモニウム(20.26g、0.137mol)水溶液中で洗浄して(代表的触媒について実施したのと同じ合成工程を繰り返す)、その後400mlの0.5M H2SO4中で室温で24時間、Niの少なくとも一部を浸出させた。
比較例2は、PtNi-シリカ触媒材料を水酸化テトラエチルアンモニウム中で洗浄しなかったことを除いて、上記の実施例1~3について記載されたものと類似の手順に従って調製した。
Pt/C触媒(10.0g;2.8g、0.0143mol Pt)
アンモニア水溶液(25重量%;800ml)
(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン(0.18g、0.0008mol)
テトラエチルオルトシリケート(0.763g、0.0035mol)
水(25ml)中硝酸ニッケル(12.48g、2.51g、0.043mol Ni)
0.5M H2SO4(400ml)
比較例3は、アニール温度が1000℃であり、調製されたPtNi触媒材料の4分の1が、0.5M H2SO4ではなく1M HNO3中で70℃で72時間洗浄されたことを除いて、比較例1について記載されたものと類似の手順を用いて調製された。
Pt/C触媒(200.0g、56.0g、0.287mol Pt)
水(450ml)中硝酸ニッケル(249.6、50.2g、0.86mol Ni)
1M HNO3(1800ml)
Pt/C触媒(40.0g;16.0g、0.0820mol Pt)を、国際公開第2013/045894号に記載されている炭素担持白金触媒の一般的な調製方法と類似の方法を用いて調製した。Pt/C触媒を脱塩水(1000ml)に分散させ、スラリーを60℃に加熱し、三塩化ロジウム水溶液(20.86g、8.44g Rh、0.82mmol)(500ml)を、1M NaOH溶液と共に加え、pHを5.0~7.0の間(最終pH)に維持した。加水分解が完了するまで撹拌を続け、PtRh触媒をろ過によって回収し、ろ床で洗浄した。
Pt/C触媒(100.0g;29.7g、0.152mol Pt)を、国際公開第2013/045894号に記載されている炭素担持白金触媒の一般的な調製方法と類似の方法を用いて調製した。堆積が完了したら、Pt/C触媒を回収し、乾燥させ、5% H2/N2の還元性雰囲気中、1000℃で1時間アニールした。
50cm2の活性面積の触媒コーテイング膜(CCM)を、PTFEシート上にアノード及びカソード触媒層を形成し、150℃~200℃の間の温度で適切な層をPFSA強化膜(厚さ20μm)のいずれかの側に移すことによって調製した。本発明のPt/Ni触媒の実施例及び比較例は、表1に示すように、カソード触媒層を形成するために使用され、各CCM中のアノード触媒層は、0.1mgPt/cm2の充填量の市販のアノード触媒(炭素担体上に公称充填量60重量%Ptを有するHiSPEC(登録商標)9100)を含んでいた。
触媒反応速度論的質量活性を、十分に加湿及び加圧されたアノード及びカソード(100%RH、50kPagauge)条件下、それぞれアノード及びカソード反応物H2/O2である、純粋な水素及び酸素を用いて50cm2 MEAで80℃で測定した。表3に示す触媒質量活性は、0.9Vにおける内部抵抗(iR)補正電流を測定することによって計算し、カソード触媒層中の白金の質量で正規化した。
50cm2 MEAの分極(電流対電圧)性能を、H2/空気中、十分に加湿及び加圧されたカソード(100%RH、100kPagauge)、並びに低加湿カソード(30%RH、50kPagauge)条件下で80℃で測定した。すべての測定において、電池の湿度(RH)及び圧力を、アノード入口及びカソード入口で制御した。1.6A/cm2(十分に加湿された条件)及び1.0A/cm2(低RH条件)でのセル電圧性能結果を表3に要約する。
Claims (25)
- 燃料電池又は水電解セルにおけるカソード又はアノードのための触媒材料を調製するための方法であって、
触媒材料が、担体材料、第1の金属、及び1種以上の第2の金属を含み、
第1の金属と第2の金属は合金化され、第1の金属は白金族金属であり、
第2の金属が第1の金属と異なり、
第2の金属が遷移金属及びスズの群より選択され、以下の工程:
(i) 担体材料上に担持された第1の金属を含む触媒材料前駆体を提供する工程;
(ii) 触媒材料前駆体上にシリコン酸化物前駆体及び1種以上の第2の金属前駆体を堆積させる工程;
(iii) 第1の熱処理工程を実施して、シリコン酸化物前駆体をシリコン酸化物に転化させる工程;
(iv) 第2の熱処理工程を実施して、第1の金属と第2の金属とを合金化する工程;及び
(v) シリコン酸化物の少なくとも一部を除去して、触媒材料を得る工程であって、工程(v)の後に触媒材料の重量に対して5重量%までのケイ素が残る、工程
を含む、方法。 - 工程(ii)において、シリコン酸化物前駆体が第2の金属前駆体より先に堆積される、請求項1に記載の方法。
- 工程(ii)において、第2の金属前駆体がシリコン酸化物前駆体より先に堆積される、請求項1に記載の方法。
- 触媒材料が2種以上の第2の金属を含み、工程(ii)において、各第2の金属前駆体が、シリコン酸化物前駆体の前又は後のいずれかに別々に堆積される、請求項1に記載の方法。
- 以下の工程(vi):
(vi)合金化されていない第2の金属の一部若しくは全部の除去及び/又は触媒材料の表面からの合金化された第2の金属の一部の除去
をさらに含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。 - 第1の熱処理工程が250℃~500℃の範囲の温度で実施される、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
- 第2の熱処理工程が350℃~1000℃の範囲の温度で実施される、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
- 第1及び第2の熱処理工程が単一の連続的なプロセスとして実施され、第2の熱処理工程が第1の熱処理工程の続きである、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
- 第1の金属が白金である、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 第2の金属が、卑金属及び白金以外の貴金属からなる群より選択される1種以上の金属である、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。
- 第2の金属が、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金、銀、ニッケル、コバルト、クロム、銅、鉄、亜鉛、ニオブ、タンタル、バナジウム、スズ又はチタンからなる群より選択される、請求項10に記載の方法。
- 第2の金属が、ニッケル、コバルト、クロム、パラジウム、イリジウム、銅、鉄、亜鉛、オスミウム、ルテニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、スズ、チタン、及びロジウムからなる群より選択される、請求項11に記載の方法。
- 第2の金属が、ニッケル、コバルト、クロム、パラジウム、イリジウム、銅、鉄又は亜鉛からなる群より選択される、請求項12に記載の方法。
- 第2の金属が、オスミウム、ルテニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、イリジウム、スズ、チタン又はロジウムからなる群より選択される、請求項12に記載の方法。
- 担体材料が繊維状又は粒状である、請求項1~14のいずれか一項に記載の方法。
- 担体材料、第1の金属、及び1種以上の第2の金属を含み、
第1の金属と第2の金属が合金化され、
第1の金属が白金族金属であり、
第2の金属が、ニッケル、コバルト、クロム、パラジウム、イリジウム、銅、鉄又は亜鉛からなる群より選択され、第1の金属と第2の金属が同じではないカソード触媒材料であって、
第1の金属の全第2の金属に対する原子比率が1以上であることと、
触媒材料のCO金属面積が、気相一酸化炭素(CO)化学吸着により測定した場合、少なくとも56m2/gの白金族金属成分であることと、
カソード触媒材料が、触媒材料の重量に対して最大5重量%のケイ素を含むこととを特徴とするカソード触媒材料。 - 第1の金属が、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム又はイリジウムである、請求項16に記載のカソード触媒材料。
- 第1の金属が白金である、請求項17に記載のカソード触媒材料。
- 第2の金属が、ニッケル、コバルト、クロム、イリジウム、銅、鉄又は亜鉛からなる群から選択される、請求項16から18のいずれか一項に記載のカソード触媒材料。
- 第2の金属がニッケルである、請求項19に記載のカソード触媒材料。
- 担体材料、第1の金属、及び1種以上の第2の金属を含み、
第1の金属と第2の金属が合金化され、
第1の金属が白金族金属であり、
第2の金属が、オスミウム、ルテニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、イリジウム、スズ、チタン又はロジウムからなる群より選択され、第1の金属と第2の金属が同じではないアノード触媒材料であって、
第1の金属の全第2の金属に対する原子比率が0.5以上であることと、
触媒材料のCO金属面積が、気相一酸化炭素(CO)化学吸着により測定した場合、少なくとも18m2/gの白金族金属成分であることと、
アノード触媒材料が、触媒材料の重量に対して最大5重量%のケイ素を含むこととを特徴とするアノード触媒材料。 - 第1の金属が、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム又はイリジウムである、請求項21に記載のアノード触媒材料。
- 第1の金属が白金である、請求項22に記載のアノード触媒材料。
- 第2の金属がロジウムである、請求項21から23のいずれか一項に記載のアノード触媒材料。
- 請求項16~24のいずれか一項に記載の触媒材料を含む触媒層。
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