JP7139567B2 - Oxidation catalyst for fuel cell, method for producing the same, and fuel cell - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池用酸化触媒及びその製造方法並びに燃料電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to an oxidation catalyst for a fuel cell, a method for producing the same, and a fuel cell.

近年、ノートパソコンや携帯電話などの携帯機器の普及が加速している。携帯機器の発展に伴い、高機能化が進められ、消費電力量はますます増加する傾向にある。また、現在これらの携帯機器の電源には主にリチウムイオン電池などの二次電池が使用されているが、この電池の理論的なエネルギー密度は現状よりも飛躍的に増大させることは困難であることは知られている。そのため、エネルギー密度がより大きく、小型化及び軽量化が可能な新しい小型電源の開発が必要とされている。 In recent years, the spread of mobile devices such as notebook computers and mobile phones has been accelerating. Along with the development of mobile devices, their functions are becoming more sophisticated, and their power consumption tends to increase more and more. At present, secondary batteries such as lithium ion batteries are mainly used as power sources for these portable devices, but it is difficult to dramatically increase the theoretical energy density of these batteries. It is known. Therefore, it is necessary to develop a new compact power supply that has a higher energy density and that can be made smaller and lighter.

従来の二次電池に替わる新しいエネルギーデバイスの一つとして、メタノールを燃料とした直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol fuel cell :DMFC)が注目されている。
直接メタノール型燃料電池は、液体の燃料を使用するため理論的なエネルギー密度が大きく、小型化が容易になると考えられ、広く研究されている。
A direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is attracting attention as one of the new energy devices to replace conventional secondary batteries.
Direct methanol fuel cells have been extensively researched because they use a liquid fuel and therefore have a large theoretical energy density, which is thought to facilitate miniaturization.

例えば、固体高分子電解質膜の両側に夫々触媒層を介して、アノード層、カソード層を形成した固体高分子電解質型燃料電池セルにおいて、該触媒層の少なくとも一方は、溶剤を用いずに形成したものであることを特徴とする固体高分子型燃料電池セルが開示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、例えば、固体高分子電解質膜と、電極と、前記固体高分子電解質と電極間に設けられた触媒層を有する固体高分子型燃料電池の触媒層であって、樹枝状構造の触媒を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の触媒層とこの触媒層を有する固体高分子型燃料電池が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell in which an anode layer and a cathode layer are formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane with catalyst layers interposed therebetween, at least one of the catalyst layers is formed without using a solvent. A polymer electrolyte fuel cell is disclosed (see, for example, Patent Document 1).
Further, for example, a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane, an electrode, and a catalyst layer provided between the solid polymer electrolyte and the electrode, the catalyst layer having a dendritic structure. and a polymer electrolyte fuel cell having the catalyst layer are disclosed (see, for example, Patent Document 2).

特開2002-289206号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-289206 特開2006-049278号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-049278

特許文献1及び2に記載された電子ビーム蒸着により触媒層を用いた場合、DMFCのさらなる発展のためには、更なる出力の改善のためにもアルコール酸化活性の向上の改善が求められている。また、DMFCでは、アノード触媒に使用される貴金属のコストが高いことも懸念されている。DMFCのアノード触媒においては、貴金属の使用量を抑えて、かつ、アルコール酸化活性を向上させることが求められている。 In the case of using a catalyst layer by electron beam evaporation described in Patent Documents 1 and 2, for further development of DMFC, improvement of alcohol oxidation activity is required for further improvement of output. . Moreover, in DMFC, there is also concern about the high cost of precious metals used in anode catalysts. In DMFC anode catalysts, it is required to reduce the amount of noble metal used and to improve the alcohol oxidation activity.

本発明者らは鋭意検討した結果、特定量のイオンビームの照射により、面間隔が広がった酸化セリウムを含む担体を用いた燃料電池用酸化触媒では、燃料に対する酸化活性に優れることを見出した。 As a result of intensive studies, the inventors of the present invention have found that fuel cell oxidation catalysts using a carrier containing cerium oxide with a widened interplanar spacing due to irradiation with a specific amount of ion beams exhibit excellent fuel oxidation activity.

本開示は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料に対する酸化活性に優れた燃料電池用酸化触媒及びその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池を提供することを課題とする。 The present disclosure has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present disclosure is to provide a fuel cell oxidation catalyst having excellent fuel oxidation activity, a method for producing the same, and a fuel cell using the same. do.

即ち、前記課題を解決するための手段には、以下の実施態様が含まれる。
<1> X線回折法により求められる111面の面間隔が0.3129nm~0.3160nmである酸化セリウム、及び、X線回折法により求められる110面の面間隔が0.3195nm~0.3244nmである酸化チタンからなる群より選ばれる少なくとも1つの酸化物を含む担体と、
前記担体に担持された触媒金属と、
を有する、燃料電池用酸化触媒。
<2> 前記担体は、カーボン材料を更に含む、<1>に記載の燃料電池用酸化触媒。
<3> 前記酸化セリウムは、粒子状の前記酸化セリウムを含み、前記粒子状の酸化セリウムの結晶子径は1nm~1μmである、上記<1>又は<2>に記載の燃料電池用酸化触媒。
<4> 前記酸化チタンは、粒子状の酸化チタンを含み、前記粒子状の酸化チタンの結晶子径が、1nm~1μmである、上記<1>~<3>のいずれか1つに記載の燃料電池用酸化触媒。
<5> 直接メタノール型燃料電池の燃料としてアルコール又はエーテルを用いた燃料電池に用いられる、<1>~<4>のいずれか1つに記載の燃料電池用酸化触媒。
<6> 高分子電解質膜と、
電極と、
前記高分子電解質膜と前記電極との間に設けられた、<1>~<5>のいずれか1つに記載の燃料電池用酸化触媒を有する触媒層と、
を備える、燃料電池。
<7> 遷移金属酸化物を含む担体に、イオンビームを1.0×1010ions/cm~8.0×1012ions/cmの照射量で照射する照射工程と、
上記照射工程で得られた前記遷移金属酸化物を含む担体に触媒金属を担持する工程と、
を有する、燃料電池用酸化触媒の製造方法。
<8> 前記担体は、カーボン材料を更に含む、<7>に記載の燃料電池用酸化触媒の製造方法。
<9> 前記遷移金属酸化物は、酸化セリウム、酸化チタン、酸化モリブデン、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化マンガン、酸化スズ及び酸化ジルコニウムからなる群より選択される少なくとも1つを含む、上記<7>又は<8>に記載の燃料電池用酸化触媒の製造方法。
<10> 前記照射工程で得られた前記遷移金属酸化物は、面間隔の変化率の絶対値が、0.15%~0.65%である、<7>~<9>のいずれか1つに記載の燃料電池用酸化触媒の製造方法。
That is, the means for solving the above problems includes the following embodiments.
<1> Cerium oxide having a 111 plane spacing of 0.3129 nm to 0.3160 nm as determined by X-ray diffraction, and a cerium oxide having a 110 plane spacing of 0.3195 nm to 0.3244 nm as determined by X-ray diffraction a carrier containing at least one oxide selected from the group consisting of titanium oxide;
a catalyst metal supported on the carrier;
An oxidation catalyst for fuel cells.
<2> The fuel cell oxidation catalyst according to <1>, wherein the carrier further contains a carbon material.
<3> The fuel cell oxidation catalyst according to <1> or <2> above, wherein the cerium oxide contains the particulate cerium oxide, and the particulate cerium oxide has a crystallite size of 1 nm to 1 μm. .
<4> The titanium oxide according to any one of <1> to <3>, wherein the titanium oxide contains particulate titanium oxide, and the particulate titanium oxide has a crystallite size of 1 nm to 1 μm. Oxidation catalyst for fuel cells.
<5> The fuel cell oxidation catalyst according to any one of <1> to <4>, which is used in a fuel cell using alcohol or ether as a fuel for a direct methanol fuel cell.
<6> a polymer electrolyte membrane;
an electrode;
a catalyst layer having the fuel cell oxidation catalyst according to any one of <1> to <5> provided between the polymer electrolyte membrane and the electrode;
A fuel cell.
<7> an irradiation step of irradiating a carrier containing a transition metal oxide with an ion beam at a dose of 1.0×10 10 ions/cm 2 to 8.0×10 12 ions/cm 2 ;
A step of supporting a catalyst metal on the support containing the transition metal oxide obtained in the irradiation step;
A method for producing an oxidation catalyst for a fuel cell, comprising:
<8> The method for producing a fuel cell oxidation catalyst according to <7>, wherein the support further contains a carbon material.
<9> The transition metal oxide is selected from the group consisting of cerium oxide, titanium oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, tungsten oxide, iron oxide, cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, manganese oxide, tin oxide and zirconium oxide. The method for producing an oxidation catalyst for a fuel cell according to <7> or <8> above, including at least one of
<10> Any one of <7> to <9>, wherein the transition metal oxide obtained in the irradiation step has an absolute value of a rate of change in interplanar spacing of 0.15% to 0.65%. 2. The method for producing the oxidation catalyst for fuel cells according to 1.

本開示によれば、燃料に対する酸化活性に優れた燃料電池用酸化触媒及びその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池を提供とすることができる。また、触媒金属の使用量を抑えても高出力となる燃料電池を提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present disclosure, it is possible to provide a fuel cell oxidation catalyst having excellent fuel oxidation activity, a method for producing the same, and a fuel cell using the same. In addition, it is possible to provide a fuel cell with high output even when the amount of catalyst metal used is suppressed.

図1は、静電紡糸法による酸化セリウムを含む担体の製造方法の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a method for producing a carrier containing cerium oxide by an electrostatic spinning method. 図2は、酸化セリウム(111)面のピークの拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of the peak of the cerium oxide (111) plane. 図3は、イオンビーム照射量と触媒の質量活性との関係を表した図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the ion beam dose and the mass activity of the catalyst. 図4は、酸化セリウム(111)面の面間隔値d[Å]と触媒の質量活性との関係を表した図であるFIG. 4 is a diagram showing the relationship between the interplanar spacing value d [Å] of the cerium oxide (111) plane and the mass activity of the catalyst. 図5は、燃料電池膜電極接合体の構成を一例を表す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of a fuel cell membrane electrode assembly.

以下、本開示の実施形態に係る燃料電池用酸化触媒について説明する。
本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、1つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本明細書において、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
Hereinafter, an oxidation catalyst for a fuel cell according to embodiments of the present disclosure will be described.
In this specification, a numerical range represented by "to" means a range including the numerical values before and after "to" as lower and upper limits.
In the numerical ranges described step by step in the present disclosure, the upper limit value or lower limit value described in one numerical range may be replaced with the upper limit value or lower limit value of another numerical range described step by step. . Moreover, in the numerical ranges described in the present disclosure, the upper or lower limits of the numerical ranges may be replaced with the values shown in the examples.
In this specification, the term "process" is not only an independent process, but also includes the term if the intended purpose of the process is achieved even if it cannot be clearly distinguished from other processes. be

《燃料電池用酸化触媒》
本開示に係る燃料電池用酸化触媒は、面間隔(即ち、結晶の格子間隔)が調整された遷移金属酸化物の微粒子を含む担体と、前記担体に担持された触媒金属と、を有する。本開示の一実施形態としては、X線回折法により求められる111面の面間隔が0.3129nm~0.3160nmである酸化セリウム、及び、X線回折法により求められる110面の面間隔が0.3195nm~0.3244nmである酸化チタンからなる群より選ばれる少なくとも1つの酸化物を含む担体と、上記担体に担持された触媒金属と、を有する。
なお、遷移金属酸化物としては、後述の燃料電池用酸化触媒の製造方法に用いられる遷移金属酸化物と同義であり、好ましい態様も同様である。
X線回折法により求められる111面の面間隔が0.3129nm~0.3160nmである酸化セリウムを含む担体に担持された触媒金属、及び、X線回折法により求められる110面の面間隔が0.3195nm~0.3244nmである酸化チタンからなる群より選択される少なくとも1つの酸化物を含む担体に担持された触媒金属を有する燃料電池用酸化触媒では、燃料に対する酸化活性に優れ、また、面間隔が調整された遷移金属酸化物(具体的には、酸化セリウム及び/又は酸化チタン)を含む担体では、触媒金属の量を低減することができる。
このような効果が得られる作用は明らかではないが、以下のように推測される。
《Oxidation catalyst for fuel cells》
An oxidation catalyst for a fuel cell according to the present disclosure includes a carrier containing fine particles of a transition metal oxide with adjusted interplanar spacing (that is, lattice spacing of crystals), and a catalyst metal supported on the carrier. As an embodiment of the present disclosure, cerium oxide having a 111 plane spacing of 0.3129 nm to 0.3160 nm determined by X-ray diffraction, and a 110 plane spacing of 0 determined by X-ray diffraction A carrier containing at least one oxide selected from the group consisting of titanium oxide having a diameter of 0.3195 nm to 0.3244 nm, and a catalyst metal supported on the carrier.
The transition metal oxide has the same meaning as the transition metal oxide used in the method for producing an oxidation catalyst for fuel cells, which will be described later, and preferred embodiments are also the same.
A catalyst metal supported on a carrier containing cerium oxide with a 111 plane spacing of 0.3129 nm to 0.3160 nm as determined by X-ray diffraction, and a 110 plane spacing of 0 as determined by X-ray diffraction. A fuel cell oxidation catalyst having a catalyst metal supported on a carrier containing at least one oxide selected from the group consisting of titanium oxide having a diameter of 0.3195 nm to 0.3244 nm has excellent oxidation activity for fuel, Supports containing transition metal oxides with controlled spacing (specifically cerium oxide and/or titanium oxide) can reduce the amount of catalytic metal.
Although the effect of obtaining such an effect is not clear, it is presumed as follows.

例えば、直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol fuel cell :DMFC)では、メタノールが完全酸化した場合、以下の電極反応式を示す
Anode reaction : CH3OH + H2O → CO2 + 6H++ 6e (1.1)
Cathode reaction : O2 + 4H+ + 4e → 2H2O (1.2)
Total reaction : CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O (1.3)
メタノールが完全酸化された場合、アノード層に供給されたメタノールと水が式(1.1)のように反応する。カソードでは供給された酸素と、アノード層で生成した電子とプロトンが式(1.2)のように反応する。この時、固体高分子電解質膜の性質により電子は膜を通らず外部回路を通ってカソードに移動し、この仕組みによって発電されるようになっている。また、全体の反応式は式(1.3)のようになっている。
For example, in a direct methanol fuel cell (DMFC), when methanol is completely oxidized, the following electrode reaction formula is shown
Anode reaction: CH3OH + H2OCO2 + 6H + + 6e (1.1)
Cathode reaction : O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (1.2)
Total reaction : CH3OH + 3/ 2O2CO2 + 2H2O (1.3)
When methanol is completely oxidized, methanol and water supplied to the anode layer react as shown in formula (1.1). At the cathode, the supplied oxygen reacts with the electrons and protons generated in the anode layer as shown in formula (1.2). At this time, due to the properties of the solid polymer electrolyte membrane, the electrons do not pass through the membrane but pass through an external circuit to the cathode, and this mechanism generates electricity. The overall reaction formula is shown in formula (1.3).

一般に、直接メタノール型燃料電池では、アノード(陽極)層の電極反応速度が遅いことが知られている。その原因としては、アノード層中に含まれるPtへの反応中間体(CO等)の被毒である。PtがCO種に被毒を受けることにより反応サイトが減少し、反応速度が低下してしまう。そのため、例えば、PtにRu等を添加し、合金化することによりCO被毒を軽減されることで、メタノール酸化反応(MOR)活性が向上したが、その活性は必ずしも十分ではなく、更に高い活性が求められている。 Generally, in direct methanol fuel cells, it is known that the electrode reaction rate of the anode (anode) layer is slow. The reason for this is poisoning of reaction intermediates (such as CO) to Pt contained in the anode layer. When Pt is poisoned by CO species, the number of reaction sites decreases and the reaction rate decreases. Therefore, for example, by adding Ru or the like to Pt and alloying it, the CO poisoning is reduced, and the methanol oxidation reaction (MOR) activity is improved, but the activity is not necessarily sufficient, and the activity is even higher. is required.

適切な条件のイオンビーム照射処理された酸化セリウム及び酸化チタンは、酸化セリウムでは、X線回折法により求められる酸化セリウムの111面の面間隔が0.3129nm~0.3160nmとなり、酸化チタンでは、X線回折法により求められる酸化チタンの110面の面間隔が0.3195nm~0.3244nmとなる。
このように酸化セリウム又は酸化チタンにイオンビームの照射がされると、照射前の酸化セリウム又は酸化チタンの面間隔に比べて、面間隔が拡張又は減少すると推察される。すなわち、特定の面間隔値を示す酸化セリウム又は酸化チタンでは、酸素原子空孔が形成されていると推察されるため、この酸化セリウムを含む担体又は酸化チタンを含む担体を有する燃料電池用酸化触媒では、酸化セリウム又は酸化チタンから触媒金属表面への酸素種供給(以下、「OH基供給能」とも称する場合がある。)が促進されるので、触媒金属の表面でのメタノール等の燃料の酸化反応が活性化されると共に、酸化セリウム又は酸化チタンの導電性が向上すると推察される。
このことから、本開示に係る燃料電池用酸化触媒では、触媒金属の使用量を低減しても燃料に対して高い酸化活性が得られやすい。
以下、燃料電池用酸化触媒を構成する各成分の詳細について説明する。
Cerium oxide and titanium oxide that have been subjected to ion beam irradiation under appropriate conditions have a cerium oxide 111 plane spacing of 0.3129 nm to 0.3160 nm as determined by an X-ray diffraction method. The interplanar spacing of the 110 plane of titanium oxide obtained by the X-ray diffraction method is 0.3195 nm to 0.3244 nm.
It is presumed that when cerium oxide or titanium oxide is irradiated with an ion beam in this way, the interplanar spacing is expanded or decreased compared to the interplanar spacing of cerium oxide or titanium oxide before irradiation. That is, since it is presumed that oxygen atom vacancies are formed in cerium oxide or titanium oxide exhibiting a specific interplanar spacing value, a fuel cell oxidation catalyst having a support containing this cerium oxide or a support containing titanium oxide In , the supply of oxygen species from cerium oxide or titanium oxide to the surface of the catalyst metal (hereinafter sometimes referred to as "OH group supply ability") is promoted, so the oxidation of fuel such as methanol on the surface of the catalyst metal It is speculated that the conductivity of cerium oxide or titanium oxide improves as the reaction is activated.
Therefore, in the fuel cell oxidation catalyst according to the present disclosure, even if the amount of catalyst metal used is reduced, high oxidation activity for fuel is likely to be obtained.
Details of each component constituting the fuel cell oxidation catalyst will be described below.

<担体>
本開示に係る燃料電池用酸化触媒が有する担体は、X線回折法により求められる111面の面間隔が0.3129nm~0.3160nmである酸化セリウム(以下、「特定酸化セリウム」ともいう。)及びX線回折法により求められる110面の面間隔が0.3195nm~0.3244nmである酸化チタン(以下、「特定酸化チタン」ともいう。)からなる群より選択される少なくとも1つの酸化物を含む。
特定酸化セリウム及び特定酸化チタンは、酸素原子空孔が比較的多く形成されているため、これらの特定の酸化物を含む担体を有する燃料電池用触媒では、OH基供給能が向上され、導電性が向上して、燃料に対する酸化活性を向上させることができ、また、後述する触媒金属量を低減させることが可能となる。
<Carrier>
The carrier possessed by the fuel cell oxidation catalyst according to the present disclosure is cerium oxide (hereinafter also referred to as “specific cerium oxide”) having a 111 plane spacing of 0.3129 nm to 0.3160 nm as determined by X-ray diffraction. and at least one oxide selected from the group consisting of titanium oxide (hereinafter also referred to as “specific titanium oxide”) having a 110-plane spacing of 0.3195 nm to 0.3244 nm as determined by X-ray diffraction. include.
Since the specific cerium oxide and the specific titanium oxide have a relatively large number of oxygen atom vacancies, a fuel cell catalyst having a carrier containing these specific oxides has an improved OH group supplying ability and conductivity. is improved, the oxidation activity for fuel can be improved, and the amount of catalyst metal, which will be described later, can be reduced.

酸化セリウム及び酸化チタンにおける酸素原子空孔の生成の度合いは、例えば、XRD測定(X-Ray Diffraction;X線回折)によって確認することができる。例えば、酸化セリウムの場合、XRD測定において、一般に最大ピーク強度を示す111面のピークの位置のずれにより、酸素原子空孔の生成度合いを確認することができる。
また、酸化チタンの場合、同様に110面のピーク位置のずれによって、酸素原子空孔の生成度合いを確認することができる。
The degree of generation of oxygen atom vacancies in cerium oxide and titanium oxide can be confirmed by, for example, XRD measurement (X-Ray Diffraction). For example, in the case of cerium oxide, in XRD measurement, the degree of generation of oxygen atom vacancies can be confirmed by the deviation of the peak position of the 111 plane, which generally exhibits the maximum peak intensity.
In the case of titanium oxide, the degree of generation of oxygen atom vacancies can be similarly confirmed by the deviation of the peak position of the 110 plane.

(特定酸化セリウム)
特定酸化セリウムは、X線回折法により求められる111面の面間隔は0.3129nm~0.3160nmであり、燃料に対する酸化活性に優れる観点から、X線回折法により求められる酸化セリウムの111面の面間隔としては、0.3130nm~0.3150nmがより好ましく、0.3140nm~0.3145nmであることが更に好ましい。
(specific cerium oxide)
The specific cerium oxide has a 111 plane spacing of 0.3129 nm to 0.3160 nm as determined by X-ray diffraction. The interplanar spacing is more preferably 0.3130 nm to 0.3150 nm, even more preferably 0.3140 nm to 0.3145 nm.

特定酸化セリウムの111面の面間隔は、例えば、以下の方法で求められる。
CuKαを用いた粉末X線回折装置(製品名;Rint2100、(株)リガク製)を用いて、V=32kV、I=20mAの条件で、燃料電池用触媒担体に照射し、このときの回折線をゴニオメーター(製品名;Rinto2000縦型ゴニオメーター、(株)リガク製)を用いて、スキャン速度1.0°/分で2θ=5°~90°付近に現れる回折ピーク位置(即ち、面間隔値)を測定する。このピーク位置の回折角2θ[Degree]から特定酸化セリウムの111面の面間隔の値d[nm]を下記の式より求めることができる。
d[nm]=λ/(2・sinθ)
上記式中、λ(=0.154056nm)はX線波長を示す。
The interplanar spacing of the 111 plane of the specific cerium oxide is obtained by, for example, the following method.
Using a powder X-ray diffractometer using CuKα (product name: Rint2100, manufactured by Rigaku Co., Ltd.), the fuel cell catalyst carrier was irradiated under the conditions of V = 32 kV and I = 20 mA, and the diffraction line at this time Using a goniometer (product name: Rinto 2000 vertical goniometer, manufactured by Rigaku Co., Ltd.), the diffraction peak position (that is, the interplanar spacing value). From the diffraction angle 2θ [Degree] of this peak position, the interplanar spacing d [nm] of the 111 plane of the specific cerium oxide can be obtained from the following formula.
d [nm] = λ/(2·sin θ)
In the above formula, λ (=0.154056 nm) represents the X-ray wavelength.

担体は、粒子状の酸化セリウムを含み、上記粒子状の酸化セリウムの結晶子径は1nm~1μmであることが好ましい。結晶子径が上記範囲内であると、後述の白金等の触媒金属と酸化セリウムとの間の強い相互作用が得られやすい。
上記観点から、粒子状の酸化セリウムの結晶子径としては、1nm~1μmであることが好ましく、より好ましくは5nm~500nmであり、更に好ましくは5nm~100nmであり、特に好ましくは10nm~20nmである。
本明細書において結晶子径とは、結晶を構成する最小結晶単位の大きさ(最大径)であり、一般に、X線回折(XRD)装置を用いて測定することができる。
The carrier preferably contains particulate cerium oxide, and the particulate cerium oxide preferably has a crystallite size of 1 nm to 1 μm. When the crystallite diameter is within the above range, a strong interaction between the catalyst metal such as platinum described later and the cerium oxide is likely to be obtained.
From the above viewpoint, the crystallite size of the particulate cerium oxide is preferably 1 nm to 1 μm, more preferably 5 nm to 500 nm, still more preferably 5 nm to 100 nm, and particularly preferably 10 nm to 20 nm. be.
As used herein, the crystallite size is the size (maximum size) of the smallest crystal unit that constitutes a crystal, and can generally be measured using an X-ray diffraction (XRD) apparatus.

本開示において、結晶子径は以下の測定法及び算出法により求められる。
先ず、CuKαを用いた粉末X線回折を用いて、サンプルを測定し、2θ=5°~90°付近の範囲において、最大強度を示すピーク、又は、近接するピークと分離可能な大きな強度を示すピークの半値幅を測定し、下記のシェラー(Scherrer)の式を用いて結晶子径を求める。

D=K・λ/(β・cosθ)

D;結晶子径[nm]
K;Scherrer定数
λ;測定X線波長[nm]
θ;回折線のブラッグ角(回折角2θの半分)[rad(ラジアン)]
β;結晶格子の回折線の半値幅[rad(ラジアン)]
In the present disclosure, the crystallite size is obtained by the following measurement method and calculation method.
First, the sample is measured using powder X-ray diffraction using CuKα, and in the range of 2θ = 5 ° to 90 °, the peak showing the maximum intensity, or a large intensity that can be separated from adjacent peaks. The half width of the peak is measured, and the crystallite size is determined using the Scherrer formula below.

D=K·λ/(β·cos θ)

D; crystallite diameter [nm]
K; Scherrer constant λ; measured X-ray wavelength [nm]
θ; Bragg angle of diffraction line (half of diffraction angle 2θ) [rad (radian)]
β; half width of diffraction line of crystal lattice [rad (radian)]

特定酸化セリウムは、イオンビームを1.0×1010ions/cm~8.0×1012ions/cmの照射量で酸化セリウムを含む担体に照射して得られることが好ましく、得られる燃料電池用酸化触媒の燃料に対する酸化活性がより優れる観点から、酸化セリウムに対するイオンビームの照射量としては、1.0×1011ions/cm~5.0×1012ons/cmの照射量であることがより好ましく、1.0×1011ions/cm~4.0×1012ons/cmの照射量であることが更に好ましい。 The specific cerium oxide is preferably obtained by irradiating a carrier containing cerium oxide with an ion beam at a dose of 1.0×10 10 ions/cm 2 to 8.0×10 12 ions/cm 2 . From the viewpoint of better oxidation activity of the fuel cell oxidation catalyst for fuel, the ion beam irradiation dose for cerium oxide is 1.0×10 11 ions/cm 2 to 5.0×10 12 ions/cm 2 . A dose of 1.0×10 11 ions/cm 2 to 4.0×10 12 ions/cm 2 is even more preferred.

イオンビームの照射に用いる酸化セリウムは、特に制限はなく、市販品でもあってもよく、セリウムを熱処理(酸化処理)した化合物であってもよい。 The cerium oxide used for ion beam irradiation is not particularly limited, and may be a commercially available product or a compound obtained by heat-treating (oxidizing) cerium.

イオンビームの照射に用いるイオン種としては、特に制限はないが、Ar、Kr等の希ガス、Br、I等のハロゲン原子、水素、窒素、酸素等が挙げられる。 Ion species used for ion beam irradiation are not particularly limited, but examples include rare gases such as Ar and Kr, halogen atoms such as Br and I, hydrogen, nitrogen, and oxygen.

イオン種を加速する加速器及び照射量は、イオン種によって適宜選択することができる。
例えば、イオン種としてAr又はHを用いる場合には静電加速器を、Ar9+及びKr20+を用いる場合には、サイクロトン加速器を用いて、照射することが好ましい。
The accelerator for accelerating the ion species and the irradiation dose can be appropriately selected depending on the ion species.
For example, it is preferable to irradiate with an electrostatic accelerator when Ar + or H + is used as the ion species, and with a cycloton accelerator when Ar 9+ and Kr 20+ are used.

担体における特定酸化セリウムの含有量としては、酸化セリウムを含有する後述のカーボンナノファイバー担体の全質量に対して、10質量%~60質量%であることが好ましく、20質量%~40質量%であることがより好ましい。 The content of the specific cerium oxide in the carrier is preferably 10% by mass to 60% by mass, preferably 20% by mass to 40% by mass, with respect to the total mass of the carbon nanofiber carrier described later containing cerium oxide. It is more preferable to have

(特定酸化チタン)
特定酸化チタンは、X線回折法により求められる110面の面間隔が0.3190nm~0.3250nmであり、燃料に対する酸化活性に優れる観点から、X線回折法により求められる酸化チタンの110面の面間隔としては、0.3195nm~0.3244nmであることが好ましい。
特定酸化チタンの110面の面間隔の求め方は、既述の酸化セリウムと同様の方法で求めることができる。
(specific titanium oxide)
The specific titanium oxide has an interplanar spacing of 0.3190 nm to 0.3250 nm between the 110 planes determined by the X-ray diffraction method. The interplanar spacing is preferably 0.3195 nm to 0.3244 nm.
The interplanar spacing of the 110 plane of the specific titanium oxide can be obtained by the same method as that for the cerium oxide described above.

特定酸化チタンの結晶構造としては、ルチル型、アナタース型、ブルッカイト型等が挙げられるが、燃料に対する酸化活性に優れる観点から、ルチル型であることが好ましい。
担体中にルチル型の特定酸化チタンが含まれていることは、粉末X線回折装置を用いる方法で確認することができる。
The crystal structure of the specific titanium oxide includes rutile type, anatase type, brookite type, and the like, but the rutile type is preferable from the viewpoint of excellent oxidation activity for fuel.
The presence of the rutile-type specific titanium oxide in the carrier can be confirmed by a method using a powder X-ray diffractometer.

特定酸化チタンの結晶子径としては、燃料に対する酸化活性に優れる観点から、1nm~1μmであることが好ましく、より好ましくは10nm~500nmであり、更に好ましくは10nm~100nmであり、特に好ましくは、15nm~40nmである。
なお、特定酸化チタンの粒子径は、既述の特定酸化セリウムと同様の方法により求めることができる。
The crystallite size of the specific titanium oxide is preferably 1 nm to 1 μm, more preferably 10 nm to 500 nm, still more preferably 10 nm to 100 nm, and particularly preferably, from the viewpoint of excellent fuel oxidation activity. 15 nm to 40 nm.
The particle size of the specific titanium oxide can be obtained by the same method as that for the specific cerium oxide.

特定酸化チタンは、イオンビームを1.0×1010ions/cm~8.0×1012ions/cmの照射量で酸化チタンを含む担体に照射して得られることが好ましく、得られる燃料電池用酸化触媒の燃料に対する酸化活性の観点から、酸化チタンに対するイオンビームの照射量としては、1.0×1011ions/cm~5.0×1012ons/cmの照射量であることがより好ましく、1.0×1011ions/cm~4.0×1012ons/cmの照射量であることが更に好ましい。
イオンビームの照射に用いる酸化チタンは、特に制限はなく、市販品でもあってもよく、チタンを熱処理(酸化処理)した化合物であってもよい。
また、酸化チタンに照射するイオンビームのイオン種、イオン種を加速する加速器は、既述の酸化セリウムに用いるイオンビームのイオン種、加速器と同様である。
The specific titanium oxide is preferably obtained by irradiating a carrier containing titanium oxide with an ion beam at a dose of 1.0×10 10 ions/cm 2 to 8.0×10 12 ions/cm 2 . From the viewpoint of the oxidation activity of the fuel cell oxidation catalyst for fuel, the ion beam irradiation dose for titanium oxide is 1.0×10 11 ions/cm 2 to 5.0×10 12 ions/cm 2 . more preferably 1.0×10 11 ions/cm 2 to 4.0×10 12 ions/cm 2 .
Titanium oxide used for ion beam irradiation is not particularly limited, and may be a commercially available product or a compound obtained by heat-treating (oxidizing) titanium.
Also, the ion species of the ion beam irradiated to titanium oxide and the accelerator for accelerating the ion species are the same as the ion species of the ion beam and the accelerator used for the cerium oxide described above.

担体における特定酸化チタンの含有量としては、特定酸化チタンを含有する後述のカーボンナノファイバー担体の全質量に対して、40質量%~70質量%であることが好ましい。 The content of the specific titanium oxide in the carrier is preferably 40% by mass to 70% by mass with respect to the total mass of the later-described carbon nanofiber carrier containing the specific titanium oxide.

本開示に係る燃料電池用酸化触媒が有する担体は、特定酸化セリウム、及び、特定酸化チタン以外の他の遷移金属酸化物、すなわち、面間隔が調整されていない遷移金属酸化物を含有してもよいが、触媒活性の観点から、面間隔が調整されていない遷移金属酸化物を含有しないことが好ましい。 The carrier of the fuel cell oxidation catalyst according to the present disclosure may contain transition metal oxides other than specific cerium oxide and specific titanium oxide, that is, transition metal oxides whose interplanar spacing is not adjusted. However, from the viewpoint of catalytic activity, it is preferable not to contain a transition metal oxide whose interplanar spacing is not adjusted.

(カーボン材料)
担体は、カーボン材料を更に含むことが好ましい。担体がカーボン材料を含むことで、導電性を更に向上することができる。
カーボン材料としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー(CNF)、フラーレン等が挙げられる。
なお、カーボン材料とは、例えば、炭素元素をカーボン材料に含まれる全元素に対して90個数%以上を含むものを指す。
(carbon material)
Preferably, the carrier further contains a carbon material. Conductivity can be further improved by including a carbon material in the carrier.
Examples of carbon materials include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers (CNF), fullerenes, and the like.
Note that the carbon material refers to, for example, a material containing 90% or more by number of carbon elements with respect to all elements contained in the carbon material.

カーボンブラックとしては、例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、ランプブラック等の公知のカーボンブラックが挙げられる。
カーボン材料がカーボンブラックである場合、カーボンブラックの平均一次粒子径としては、例えば1nm~100nmが挙げられ、20nm~80nmの範囲であることが好ましい。
Examples of carbon black include known carbon blacks such as channel black, furnace black, thermal black and lamp black.
When the carbon material is carbon black, the average primary particle size of the carbon black is, for example, 1 nm to 100 nm, preferably 20 nm to 80 nm.

表面積が広く、表面に結晶構造的欠陥をより形成し易く、カーボン材料と遷移金属酸化物との相互作用が得られやすい観点から、カーボン材料としては、シート状のカーボン材料であることが好ましく、カーボンナノファイバー(CNF)であることがより好ましい。 The carbon material is preferably a sheet-like carbon material from the viewpoints of having a large surface area, more easily forming crystal structural defects on the surface, and easily obtaining an interaction between the carbon material and the transition metal oxide. Carbon nanofibers (CNF) are more preferred.

カーボン材料がカーボンナノファイバーである場合、その径としては、例えば50nm以上500nm以下の範囲が挙げられ、200nm~300nmの範囲が好ましい。 When the carbon material is carbon nanofibers, the diameter thereof is, for example, in the range of 50 nm or more and 500 nm or less, preferably 200 nm to 300 nm.

カーボン材料としてカーボンナノファイバー(CNF)を用いる場合、カーボンナノファイバーの製造方法としては、代表的なものとして例えば静電紡糸法が挙げられるが、これに限られるものではない。 When carbon nanofibers (CNF) are used as the carbon material, a representative method for producing the carbon nanofibers is, for example, an electrostatic spinning method, but the method is not limited to this.

静電紡糸法は、原料となる高分子化合物の溶液をノズル等の噴出口から噴出させながら高電圧を印加する静電紡糸操作を行い、繊維状のカーボンナノファイバーを得る方法である。
原料となる高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリイミド(PI)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ピッチ、フェノール樹脂等が挙げられる。高分子化合物の溶液に用いる溶媒は、原料となる高分子化合物を溶解させるものであれば特に限定されないが、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、塩化亜鉛水溶液、チオシアン酸ナトリウム水溶液等が挙げられ、溶解性および粘度、導電性などの静電紡糸特性の観点からN,N-ジメチルホルムアミドを用いることが好ましい。
The electrostatic spinning method is a method of obtaining fibrous carbon nanofibers by performing an electrostatic spinning operation in which a high voltage is applied while ejecting a solution of a polymer compound as a raw material from an ejection port such as a nozzle.
Examples of polymer compounds used as raw materials include polyacrylonitrile (PAN), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyimide (PI), polyvinylidene fluoride (PVDF), pitch, and phenolic resins. . The solvent used for the solution of the polymer compound is not particularly limited as long as it dissolves the polymer compound as a raw material. , sodium thiocyanate aqueous solution, etc., and N,N-dimethylformamide is preferably used from the viewpoint of electrostatic spinning properties such as solubility, viscosity and conductivity.

なお、静電紡糸操作の後に、例えば恒温槽で高温の空気雰囲気下において安定化処理を行ってもよく、高温の窒素雰囲気下において炭化処理を行ってもよく、また炭化後に高温で水蒸気雰囲気や二酸化炭素雰囲気下において賦活処理を行ってもよく、さらに炭化後に高温でアンモニア雰囲気において窒素ドープ処理を行ってもよく、安定化処理、炭化処理、賦活処理、窒素ドープ処理のいずれかまたはそれらの組み合わせを行ってもよい。 After the electrospinning operation, for example, a stabilization treatment may be performed in a constant temperature bath in a high-temperature air atmosphere, a carbonization treatment may be performed in a high-temperature nitrogen atmosphere, and after carbonization, a high-temperature steam atmosphere or a carbonization treatment may be performed. Activation treatment may be performed in a carbon dioxide atmosphere, and after carbonization, nitrogen doping treatment may be performed in an ammonia atmosphere at a high temperature, and any one or combination of stabilization treatment, carbonization treatment, activation treatment, nitrogen doping treatment may be performed. may be performed.

酸化セリウム、酸化チタン等の遷移金属酸化物、及び、カーボンナノファイバーを含有する担体を製造する場合、例えば、溶媒と、炭素源として上記高分子化合物及び上記遷移金属酸化物と、を混合した混合液を用いて、静電紡糸法により、上記遷移金属酸化物と、カーボンナノファイバーと、を含有する担体を調製してもよい。 When producing a carrier containing transition metal oxides such as cerium oxide and titanium oxide, and carbon nanofibers, for example, a solvent is mixed with the polymer compound and the transition metal oxide as a carbon source. A support containing the transition metal oxide and carbon nanofibers may be prepared by electrostatic spinning using the liquid.

燃料電池用酸化触媒が有する担体がカーボン材料を含有する場合、燃料に対する酸化活性を向上させる観点から、カーボン材料と遷移金属酸化物との含有比(カーボン材料:遷移金属酸化物)としては、体積基準で、10:1~1:1が好ましく、5:1~1:1であることが好ましい。
燃料電池用酸化触媒が有する担体がカーボン材料を含有する場合、燃料に対する酸化活性を向上させる観点から、カーボン材料と酸化セリウムとの含有比(カーボン材料:酸化セリウム)としては、体積基準で、10:1~1:1が好ましく、5:1~1:1であることが好ましい。
When the carrier of the fuel cell oxidation catalyst contains a carbon material, the content ratio of the carbon material to the transition metal oxide (carbon material: transition metal oxide) is The ratio is preferably 10:1 to 1:1, preferably 5:1 to 1:1, on a standard basis.
When the carrier of the fuel cell oxidation catalyst contains a carbon material, the content ratio of the carbon material and cerium oxide (carbon material: cerium oxide) is 10 on a volume basis from the viewpoint of improving the oxidation activity for the fuel. :1 to 1:1, preferably 5:1 to 1:1.

また、同様の観点から、燃料電池用酸化触媒が有する担体がカーボン材料を含有する場合、カーボン材料と酸化チタンとの含有比(カーボン材料:酸化チタン)としては、体積基準で、10:1~1:1が好ましく、5:1~1:1であることが好ましい。 From the same point of view, when the carrier of the fuel cell oxidation catalyst contains a carbon material, the content ratio of the carbon material and titanium oxide (carbon material: titanium oxide) is from 10:1 on a volume basis. 1:1 is preferred, preferably 5:1 to 1:1.

<触媒金属>
本開示に係る燃料電池用触媒は、担体に担持された触媒金属を有する。
触媒金属としては、特に制限はなく、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ニッケル(Ni)、又は銅(Cu)が好適に挙げられ、触媒金属はこれら金属を含む複合体であってもよい。
上記複合体としては、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ニッケル及び銅からなる金属群より選ばれる少なくとも一つと、前記金属群の金属と異なる他の金属と、からなる複合体が挙げられる。他の金属としては、亜鉛(Zn)、マンガン(Mn)等が含まれ、好ましくは、亜鉛もしくはマンガン、又は亜鉛及びマンガンを含む。
<Catalyst metal>
A fuel cell catalyst according to the present disclosure has a catalyst metal supported on a support.
The catalyst metal is not particularly limited, and preferably includes platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), nickel (Ni), or copper (Cu), and the catalyst metal is a composite containing these metals. may be
Examples of the composites include composites made of at least one metal selected from the group of metals consisting of platinum, palladium, ruthenium, nickel and copper, and other metals different from the metals of the metal group. Other metals include zinc (Zn), manganese (Mn), etc., preferably zinc or manganese, or zinc and manganese.

触媒金属が複合体である場合、複合体としては、例えば、Ni-Ru(1:1)、Ni-Cu(1:1)、Pt-Ru(1:1)、Cu-Ru(2:1)、Cu-Mn(12:1)等を挙げられる。カッコ内の数値は、元素のモル比を示す。
複合体としては、電子的相互作用を期待できる点で、固溶体が好ましく、少なくとも、白金、ルテニウム及びニッケルの少なくとも一つを含む固溶体であることが好ましい。
When the catalyst metal is a composite, the composite includes, for example, Ni—Ru (1:1), Ni—Cu (1:1), Pt—Ru (1:1), Cu—Ru (2:1 ), Cu—Mn (12:1), and the like. The numbers in parentheses indicate the molar ratios of the elements.
As the composite, a solid solution is preferable, and a solid solution containing at least one of platinum, ruthenium and nickel is preferable in that electronic interaction can be expected.

触媒金属の粒子径は、比表面積を大きくする観点から、1nm~10nmであることが好ましい。なお、触媒金属の粒子径は、既述の結晶子径と同様の方法で求めることができる。
このような範囲の粒子径を有する触媒金属は、例えば、マイクロ波ポリオール法により作製して用いてもよい。
The particle size of the catalyst metal is preferably 1 nm to 10 nm from the viewpoint of increasing the specific surface area. The particle size of the catalyst metal can be obtained by the same method as for the crystallite size described above.
A catalyst metal having a particle size within such a range may be used, for example, by producing it by a microwave polyol method.

本開示に係る燃料電池用酸化触媒における触媒金属の担持量は、触媒金属の種類又は温度等に依存するが、本開示における燃料電池用酸化触媒では、担体に担持された触媒金属の担持量は、0.1mg/cm~100mg/cmであることが好ましい。
また、触媒金属が白金を含む場合、触媒金属の担持量としては、高い酸化活性を維持する観点から0.1mg/cm~50mg/cmであることが好ましく、0.5mg/cm~10mg/cmであることがより好ましい。
The amount of catalyst metal supported on the oxidation catalyst for fuel cells according to the present disclosure depends on the type or temperature of the catalyst metal. , 0.1 mg/cm 2 to 100 mg/cm 2 .
When the catalyst metal contains platinum, the amount of the catalyst metal supported is preferably 0.1 mg/cm 2 to 50 mg/cm 2 from the viewpoint of maintaining high oxidation activity, and more preferably 0.5 mg/cm 2 to 50 mg/cm 2 . More preferably 10 mg/cm 2 .

本開示に係る燃料電池用酸化触媒は、直接メタノール型燃料電池の燃料としては、特に制限はないが、燃料としてアルコール又はエーテルを用いた燃料電池に好適に用いることができる。
燃料に対する酸化活性に優れる観点から、燃料電池用酸化触媒は、直接メタノール型燃料電池の燃料としてアルコールを用いる直接メタノール型燃料電池に用いられることがより好ましい。
The fuel cell oxidation catalyst according to the present disclosure is not particularly limited as a fuel for direct methanol fuel cells, but can be suitably used for fuel cells using alcohol or ether as fuel.
From the viewpoint of excellent fuel oxidation activity, the fuel cell oxidation catalyst is more preferably used in a direct methanol fuel cell using alcohol as the fuel for the direct methanol fuel cell.

《燃料電池用酸化触媒の製造方法》
本開示に係る燃料電池用酸化触媒の製造方法は、遷移金属酸化物を含む担体に、イオンビームを1.0×1010ions/cm~8.0×1012の照射量で照射する照射工程と、
前記照射工程で得られた前記遷移金属酸化物含む担体に触媒金属を担持する工程(以下、「担持工程」ともいう。)と、
を有する。
本開示の製造方法は、上記工程を有するので、本開示に係る製造方法により得られた燃料電池用酸化触媒では、燃料に対する酸化活性に優れる。
以下、本開示に係る燃料電池用酸化触媒の製造方法の各工程について説明するが、既述の燃料電池用酸化触媒に含まれる成分と同様の成分については詳細な説明を省略する。
<<Method for Producing Oxidation Catalyst for Fuel Cell>>
A method for producing an oxidation catalyst for a fuel cell according to the present disclosure includes irradiation in which a carrier containing a transition metal oxide is irradiated with an ion beam at a dose of 1.0×10 10 ions/cm 2 to 8.0×10 12 . process and
a step of supporting a catalyst metal on the support containing the transition metal oxide obtained in the irradiation step (hereinafter also referred to as a "supporting step");
have
Since the production method of the present disclosure includes the above steps, the fuel cell oxidation catalyst obtained by the production method of the present disclosure exhibits excellent fuel oxidation activity.
Hereinafter, each step of the method for producing a fuel cell oxidation catalyst according to the present disclosure will be described, but detailed descriptions of the same components as those contained in the fuel cell oxidation catalyst described above will be omitted.

<照射工程>
照射工程は、遷移金属酸化物を含む担体にイオンビームを1.0×1010ions/cm~8.0×1012ions/cmの照射量で照射する工程であり、好ましくは1.0×1011ions/cm~5.0×1012ons/cmであり、より好ましくは1.0×1011ions/cm~4.0×1012ons/cmの照射量で照射する工程を含む。
照射工程では、イオンビームの照射により面間隔が調整された遷移金属酸化物を含む担体が得られる。図1に示すように、例えば、面間隔が調整された酸化セリウム又は酸化チタンにおいて、これらの中に酸素原子空孔が比較的多く形成されていると考えられ、燃料電池用酸化触媒におけるOH基供給能を向上し、かつ、導電性も向上させることができる。
<Irradiation process>
The irradiation step is a step of irradiating the carrier containing the transition metal oxide with an ion beam at a dose of 1.0×10 10 ions/cm 2 to 8.0×10 12 ions/cm 2 , preferably 1. 0×10 11 ions/cm 2 to 5.0×10 12 ons/cm 2 , more preferably 1.0×10 11 ions/cm 2 to 4.0×10 12 ions/cm 2 . A step of irradiating is included.
In the irradiation step, a carrier containing a transition metal oxide whose interplanar spacing is adjusted by irradiation with an ion beam is obtained. As shown in FIG. 1, for example, in cerium oxide or titanium oxide with an adjusted interplanar spacing, it is thought that relatively many oxygen atom vacancies are formed therein. The supply ability can be improved, and the conductivity can also be improved.

照射工程で用いる担体は、既述の担体と同義であり、好ましい範囲も同一である。
また、イオンビームを照射する条件及びイオンビームの照射に用いる加速器等の説明は、既述の説明と同様の内容であるので省略する。
The carrier used in the irradiation step has the same definition as the carrier described above, and the preferred range is also the same.
Further, the description of the ion beam irradiation conditions, the accelerator used for the ion beam irradiation, and the like are the same as those described above, and are therefore omitted.

照射工程で得られた遷移金属酸化物は、面間隔の変化率の絶対値が、0.15%~0.65%であることが好ましい。
面間隔の変化率の絶対値が上記範囲内に調整されていると、酸素原子空孔が多く形成されて、OH基供給能が向上し、燃料に対する酸化活性が優れる。
より好ましい。
The transition metal oxide obtained in the irradiation step preferably has an absolute value of the rate of change in interplanar spacing of 0.15% to 0.65%.
When the absolute value of the rate of change in interplanar spacing is adjusted within the above range, a large number of oxygen atom vacancies are formed, the OH group supplying ability is improved, and the oxidation activity for fuel is excellent.
more preferred.

面間隔の変化率(%)は、例えば、以下のように求められる。
面間隔の変化率(%)=((イオンビーム照射後の酸化物の面間隔-イオンビーム照射前の酸化物の面間隔)/イオンビーム照射前の酸化物の面間隔)×100(%)
The rate of change (%) of the interplanar spacing is obtained, for example, as follows.
Change rate of interplanar spacing (%) = ((interplanar spacing of oxide after ion beam irradiation - interplanar spacing of oxide before ion beam irradiation) / interplanar spacing of oxide before ion beam irradiation) x 100 (%)

遷移金属酸化物としては、燃料に対する酸化活性がより得られやすい観点から、酸化セリウム、酸化チタン、酸化モリブデン、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化マンガン、酸化スズ及び酸化ジルコニウムからなる群より選択される少なくとも1つを含むことが好ましく、酸化セリウム、酸化チタン、酸化モリブデン、及び、酸化バナジウムからなる群より選択される少なくとも1つを含むことがより好ましい。
なお、遷移金属酸化物は、1種であってもよく、2種以上を併用してもよい。
As transition metal oxides, cerium oxide, titanium oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, tungsten oxide, iron oxide, cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, manganese oxide, oxide It preferably contains at least one selected from the group consisting of tin and zirconium oxide, and more preferably contains at least one selected from the group consisting of cerium oxide, titanium oxide, molybdenum oxide, and vanadium oxide.
The transition metal oxide may be used alone or in combination of two or more.

上記遷移金属酸化物は、粒子状の遷移金属酸化物を含んでいてもよい。
遷移金属酸化物が、粒子状の遷移金属酸化物を含む場合、白金等の触媒金属と遷移金属酸化物との間の強い相互作用が得られやすい観点から、粒子状の遷移金属酸化物の結晶子径は1nm~1μmであることが好ましい。
なお、粒子状の遷移金属酸化物の結晶子径は、既述の結晶子径の測定方法と同様の方法で求められる。
The transition metal oxide may contain a particulate transition metal oxide.
When the transition metal oxide contains a particulate transition metal oxide, crystals of the particulate transition metal oxide are used from the viewpoint of easily obtaining a strong interaction between the catalyst metal such as platinum and the transition metal oxide. The particle diameter is preferably 1 nm to 1 μm.
The crystallite size of the particulate transition metal oxide is obtained by the same method as the method for measuring the crystallite size described above.

本開示に係る燃料電池用酸化触媒の製造方法において、酸化セリウムを含む担体を用いる場合、燃料に対する酸化活性に優れる観点から、照射工程で得られた酸化セリウム(遷移金属酸化物)は、X線回折法により求められる111面の面間隔が0.3129nm~0.3160nmであることが好ましく、0.3140nm~0.3150nmであることがより好ましい。 In the method for producing an oxidation catalyst for a fuel cell according to the present disclosure, when a carrier containing cerium oxide is used, the cerium oxide (transition metal oxide) obtained in the irradiation step can be treated with X-rays from the viewpoint of excellent fuel oxidation activity. The interplanar spacing of the 111 plane determined by the diffraction method is preferably 0.3129 nm to 0.3160 nm, more preferably 0.3140 nm to 0.3150 nm.

本開示に係る燃料電池用酸化触媒の製造方法において、遷移金属酸化物が酸化チタンを含む担体を用いる場合、燃料に対する酸化活性に優れる観点から、照射工程で得られた酸化チタンはX線回折法により求められる110面の面間隔が0.3190nm~0.3250nmであることが好ましく、0.3195nm~0.3244nmがより好ましい。 In the method for producing an oxidation catalyst for a fuel cell according to the present disclosure, when a carrier containing titanium oxide is used as a transition metal oxide, the titanium oxide obtained in the irradiation step is measured by an X-ray diffraction method from the viewpoint of excellent fuel oxidation activity. The interplanar spacing of the 110 plane obtained by the formula is preferably 0.3190 nm to 0.3250 nm, more preferably 0.3195 nm to 0.3244 nm.

<担持工程>
担持工程は、前記照射工程で得られた前記遷移金属酸化物を含む担体に触媒金属を担持する工程である。
担体に触媒金属を担持する方法としては、特に制限はなく、公知の方法を使用することができる。
触媒金属を担持する方法としては、例えば、マイクロ波ポリオール法による触媒金属を担持してもよい。
<Supporting process>
The supporting step is a step of supporting the catalyst metal on the carrier containing the transition metal oxide obtained in the irradiation step.
The method for supporting the catalyst metal on the carrier is not particularly limited, and known methods can be used.
As a method for supporting the catalyst metal, for example, the catalyst metal may be supported by a microwave polyol method.

マイクロ波ポリオール法を用いた触媒金属を担持する一例としては、ポリエチレングリコールに担体を加え、超音波処理を30分間行い混合液を調製し、次いで、触媒金属を加えて、3時間攪拌した後、電子レンジ(600W)で5分間、加熱し1晩攪拌する。この溶液を濾過し、メタノール及び蒸留水を用いて洗浄を行った。得られた沈殿物を真空乾燥器で70℃、24時間乾燥させて調製することができる。 As an example of supporting a catalyst metal using a microwave polyol method, a carrier is added to polyethylene glycol, ultrasonic treatment is performed for 30 minutes to prepare a mixed solution, then a catalyst metal is added, and after stirring for 3 hours, Heat in microwave (600 W) for 5 minutes and stir overnight. This solution was filtered and washed with methanol and distilled water. It can be prepared by drying the obtained precipitate in a vacuum dryer at 70° C. for 24 hours.

本開示に係る燃料電池用酸化触媒の製造方法は、照射工程及び担持工程に加えて、必要に応じてその他の工程を有していてもよい。 The method for producing an oxidation catalyst for a fuel cell according to the present disclosure may have other steps as necessary in addition to the irradiation step and the supporting step.

本開示に係る燃料電池用酸化触媒は、例えば、後述の燃料電池における、アノード及びカソードのいずれの触媒層にも用いることができる。
本開示に係る燃料電池用酸化触媒は、OH基供給能、すなわち、燃料に対する酸化活性に優れるので、カソードの触媒層、特に直接メタノール型燃料電池が備えるカソードの触媒層に用いることが好ましい。
The fuel cell oxidation catalyst according to the present disclosure can be used, for example, in both anode and cathode catalyst layers in fuel cells described later.
Since the oxidation catalyst for fuel cells according to the present disclosure is excellent in OH group supplying ability, that is, oxidation activity for fuel, it is preferably used for a cathode catalyst layer, particularly a cathode catalyst layer of a direct methanol fuel cell.

《燃料電池》
本開示に係る燃料電池は、高分子電解質膜10と、電極20と、前記高分子電解質と前記電極との間に設けられた、上記燃料電池用酸化触媒を有する触媒層31と、を備える。
燃料電池は、触媒層として、既述の燃料電池用酸化触媒を有するので、燃料に対する酸化活性に優れ、また、導電性にも優れる。
以下、燃料電池の各構成について、図5を参照しながら説明するが、燃料電池用酸化触媒についての説明は省略する。
"Fuel cell"
The fuel cell according to the present disclosure includes a polymer electrolyte membrane 10, an electrode 20, and a catalyst layer 31 having the fuel cell oxidation catalyst provided between the polymer electrolyte and the electrode.
Since the fuel cell has the above-mentioned fuel cell oxidation catalyst as a catalyst layer, it is excellent in oxidation activity for fuel and also excellent in electrical conductivity.
Each configuration of the fuel cell will be described below with reference to FIG. 5, but the description of the oxidation catalyst for the fuel cell will be omitted.

(触媒層(電極))
触媒層31は、高分子電解質膜10と前記電極20との間に設けられている。通常、例えば、直接メタノール型燃料電池では、燃料極(アノード)及び空気極(酸化剤極:カソード)が高分子電解質膜を両側から挟みこむ構造を有する。
触媒層31は、既述の燃料電池用酸化触媒及び導電性材料に加えて、通常の燃料電池に用いられる任意成分を含んでいてもよい。
燃料極(アノード)は、触媒層31に加えてガス拡散層32を有していてもよい。ガス拡散層としては、例えば、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛などの炭素材、ステンレススチール、モリブデン、チタンなどの導電性材料が挙げられる。
(Catalyst layer (electrode))
A catalyst layer 31 is provided between the polymer electrolyte membrane 10 and the electrode 20 . For example, a direct methanol fuel cell usually has a structure in which a fuel electrode (anode) and an air electrode (oxidant electrode: cathode) sandwich a polymer electrolyte membrane from both sides.
The catalyst layer 31 may contain optional components used in ordinary fuel cells in addition to the fuel cell oxidation catalyst and conductive material described above.
The fuel electrode (anode) may have a gas diffusion layer 32 in addition to the catalyst layer 31 . Examples of the gas diffusion layer include sintered bodies of polyacrylonitrile, sintered bodies of pitch, carbon materials such as graphite and expanded graphite, and conductive materials such as stainless steel, molybdenum, and titanium.

(高分子電解質膜)
高分子電解質膜10としては、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜であることが好ましく、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸膜、スルホン酸型ポリスチレン-グラフト-エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)膜などのフッ素系固体高分子電解質膜が挙げられる。
(polymer electrolyte membrane)
The polymer electrolyte membrane 10 is preferably a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity, such as polyperfluorosulfonic acid membrane, sulfonic acid type polystyrene-graft-ethylenetetrafluoroethylene copolymer (ETFE). Fluorine-based solid polymer electrolyte membranes such as membranes can be mentioned.

燃料電池は、上記構成の他に、通常燃料電池が備える構成を備えていてもよい。 The fuel cell may have, in addition to the configuration described above, a configuration normally provided for a fuel cell.

本開示に係る燃料電池用酸化触媒は、燃料に対する酸化活性に優れるので、特に燃料としてメタノール、エタノール等のアルコール燃料又は、ジメチルエーテル等のエーテルを用いる燃料電池に好適に使用することができる。 The fuel cell oxidation catalyst according to the present disclosure is excellent in oxidation activity for fuel, and thus can be suitably used particularly in fuel cells using alcohol fuels such as methanol and ethanol or ethers such as dimethyl ether as fuels.

以下に本開示を実施例により説明するが、本開示は、これらの実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、特に断りのない限り「%」はすべて質量基準である。 EXAMPLES The present disclosure will be described below using examples, but the present disclosure is not limited to these examples. In the following description, "%" is based on mass unless otherwise specified.

-製造例1-
[CeO/CNF担体の作製]
溶媒としてジメチルホルムアミド(DMF)(Wako Pure Chemicals Ind. Ltd.)9gと酸化セリウム(CeO)ナノ粒子 (製品名;Nano Tek(登録商標)、シーアイ化成社製、平均一次粒子径14nm)0.3gと、を混合し、30分間超音波処理した。
次いで、ジメチルホルムアミド(DMF)と酸化セリウムとの混合溶液に、炭素源として高分子化合物であるポリアクリロニトリル(PAN)(Sigma-Aldrich, Co. Ltd社製)を1g加え80℃で一晩撹拌し、原料溶液を調製した。
-Production Example 1-
[Preparation of CeO 2 /CNF carrier]
9 g of dimethylformamide (DMF) (Wako Pure Chemicals Ind. Ltd.) and cerium oxide (CeO 2 ) nanoparticles (product name; Nano Tek (registered trademark), manufactured by C.I. Kasei Co., Ltd., average primary particle size 14 nm) as a solvent0. 3 g, and sonicated for 30 minutes.
Next, 1 g of polyacrylonitrile (PAN) (manufactured by Sigma-Aldrich, Co. Ltd.), which is a polymer compound as a carbon source, was added to the mixed solution of dimethylformamide (DMF) and cerium oxide, and the mixture was stirred overnight at 80°C. , to prepare a stock solution.

調製した原料溶液をシリンジ(2mL)の中に充填し、シリンジポンプ(Future Science Co. Ltd.)をシリンジの先から集電板の距離が15cmになるように固定し、シリンジの先と集電板との間に18kVの高電圧を印加して、流量0.025mL/分で図1に示すように静電紡糸を行い、集電板上にカーボンナノファイバーを形成させた。
集電板上のカーボンナノファイバー(CNF)を、大気雰囲気下、250℃、10時間の条件で安定化処理を行い、更に、窒素雰囲気下で900度、1時間の条件下で炭化処理を施し、酸化セリウムを埋め込んだカーボンナノファイバー(CECNF)のシートを得た。
The prepared raw material solution was filled in a syringe (2 mL), and the syringe pump (Future Science Co. Ltd.) was fixed so that the distance from the tip of the syringe to the current collector was 15 cm, and the tip of the syringe and the current collector were fixed. A high voltage of 18 kV was applied between the plate and the electrostatic spinning as shown in FIG. 1 at a flow rate of 0.025 mL/min to form carbon nanofibers on the current collector plate.
The carbon nanofibers (CNF) on the current collector plate were stabilized at 250°C for 10 hours in an air atmosphere, and then carbonized at 900°C for 1 hour in a nitrogen atmosphere. , a sheet of cerium oxide-embedded carbon nanofibers (CECNF) was obtained.

2.5cm×5.0cmの大きさにカットした、酸化セリウムを埋め込んだカーボンナノファイバー(CECNF)のシートを、アルミ板の上に載せた。CECNFシートにポリイミドフィルムを重ね、ポリイミドフィルムの端をイミドテープでアルミ板に固定し、CECNFシートをアルミ板上に固定した。 A cerium oxide-embedded carbon nanofiber (CECNF) sheet cut to a size of 2.5 cm×5.0 cm was placed on an aluminum plate. A polyimide film was placed on the CECNF sheet, the edge of the polyimide film was fixed to an aluminum plate with an imide tape, and the CECNF sheet was fixed on the aluminum plate.

-イオンビームの照射-
AVF(azimuthal varying field)サイクロン加速器を用いて、下記の表1に記載の照射条件で、得られたCECNFにイオンビームを照射して担体1、担体2-1、担体2-2、担体3-1、担体3-2、担体4-1及び担体4-2を作製した。
-Irradiation of ion beam-
Using an AVF (azimuthal varying field) cyclone accelerator, under the irradiation conditions described in Table 1 below, the obtained CECNF was irradiated with an ion beam to obtain carrier 1, carrier 2-1, carrier 2-2, carrier 3- 1, Carrier 3-2, Carrier 4-1 and Carrier 4-2 were prepared.

-製造例2-
[TiO/CNF担体の作製]
製造例1において、酸化セリウム(CeO)に代えて酸化チタン(TiO)ナノ粒子(P25、日本アエロジル社製)を用いた以外は、同様の手順で原料溶液を調製した。 酸化チタンを含んだカーボンナノファイバーは、電気炉で窒素ガス中で850℃に加熱した後、70℃の水蒸気圧を含む窒素の気流下に1時間さらし、水蒸気賦活処理を行って作製した。下記の表1に記載の照射条件で、得られた酸化チタンを含んだカーボンナノファイバーにイオンビームを照射して、担体5-1及び担体5-2を作製した。
-Production Example 2-
[Preparation of TiO 2 /CNF carrier]
A raw material solution was prepared in the same manner as in Production Example 1, except that titanium oxide (TiO 2 ) nanoparticles (P25, manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) were used instead of cerium oxide (CeO 2 ). Carbon nanofibers containing titanium oxide were produced by heating to 850° C. in nitrogen gas in an electric furnace and then exposing them to a nitrogen stream containing steam pressure at 70° C. for 1 hour to perform steam activation treatment. The obtained carbon nanofibers containing titanium oxide were irradiated with an ion beam under the irradiation conditions shown in Table 1 below to prepare carriers 5-1 and 5-2.

Figure 0007139567000001
Figure 0007139567000001

表中、「No ion」とは、イオンビームを照射していない条件を意味する。また、「-」とは、該当するデータがないことを意味する。 In the table, "No ion" means a condition in which no ion beam was irradiated. Also, "-" means that there is no applicable data.

(実施例1)
-マイクロ波ポリオール法による触媒金属の担持-
エチレングリコールに担体2-1を加え、超音波処理を30分間行い、混合液を調製した。次いで、PtとRuとの原子比(Pt:Ru)が1:1になるように、Pt及びRuの前駆体化合物を混合液に加えて、3時間攪拌した。その後、電子レンジ(600W)で5分間、加熱し1晩攪拌した。この溶液を濾過し、メタノール及び蒸留水を用いて洗浄を行った。得られた沈殿物を真空乾燥器で70℃、24時間乾燥させて、CNFにPtRuナノ粒子を担持(PtRu/CECNF)した燃料電池用触媒1を得た。
(Example 1)
-Supporting catalyst metal by microwave polyol method-
Carrier 2-1 was added to ethylene glycol and subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes to prepare a mixed solution. Next, a precursor compound of Pt and Ru was added to the mixed solution so that the atomic ratio of Pt to Ru (Pt:Ru) was 1:1, and the mixture was stirred for 3 hours. Then, the mixture was heated in a microwave oven (600 W) for 5 minutes and stirred overnight. This solution was filtered and washed with methanol and distilled water. The resulting precipitate was dried in a vacuum dryer at 70° C. for 24 hours to obtain fuel cell catalyst 1 in which PtRu nanoparticles were supported on CNF (PtRu/CECNF).

[触媒特性の評価]
CuKαを用いた粉末X線回折装置(製品名;Rint2100、(株)リガク製)を用いて、V=32kV、I=20mAの条件で、燃料電池用触媒1に照射した。このときの回折線をゴニオメーター(製品名;Rinto2000縦型ゴニオメーター、(株)リガク製)を用いて、スキャン速度1.0°/分で2θ=5°~90°付近に現れる回折ピークを調査した。その結果を表2並びに図2に示す。
[Evaluation of catalyst characteristics]
Using a powder X-ray diffractometer (product name: Rint2100, manufactured by Rigaku Corporation) using CuKα, the fuel cell catalyst 1 was irradiated under the conditions of V=32 kV and I=20 mA. Using a goniometer (product name: Rinto 2000 vertical goniometer, manufactured by Rigaku Co., Ltd.), the diffraction peaks appearing near 2θ = 5° to 90° at a scanning speed of 1.0°/min. investigated. The results are shown in Table 2 and FIG.

[メタノール酸化反応における触媒特性]
触媒のメタノール酸化活性の評価試験として回転ディスク電極(RDE;Rotating Disk Electrode、AFMSRCE)による質量活性評価を行った。
作用極(Working Electrode:WE)には、下記の方法により作製したガラス状炭素電極(GCE;Glassy Carbon Electrode、内径;5.0mm、BAS Inc.社製)を用いた。対極(Counter Electrode:CE)には白金メッシュ、参照極(Reference Electrode:RE)にはAg・AgCl電極(BAS Inc社製.)を用いた。
[Catalyst characteristics in methanol oxidation reaction]
As an evaluation test of the methanol oxidation activity of the catalyst, a mass activity evaluation was performed using a rotating disk electrode (RDE; AFMSRCE).
As a working electrode (WE), a glassy carbon electrode (GCE; glassy carbon electrode, inner diameter: 5.0 mm, manufactured by BAS Inc.) produced by the following method was used. A platinum mesh was used as a counter electrode (CE), and an Ag/AgCl electrode (manufactured by BAS Inc.) was used as a reference electrode (RE).

-作用極の作製-
触媒担持量が1.0mg/cmなるように、燃料電池用触媒1と、水と、エタノールと、5質量%のフッ素樹脂共重合体溶液(Nafion(登録商標)、Sigma-Aldrich, Co. Ltd社製)と、ガラス状炭素電極の表面に塗布後、乾燥し、作用極を作製した。
-Preparation of working electrode-
Fuel cell catalyst 1, water, ethanol, and a 5% by mass fluororesin copolymer solution (Nafion (registered trademark), Sigma-Aldrich, Co., Ltd.) were mixed so that the amount of catalyst supported was 1.0 mg/cm 2 . Ltd.) was applied to the surface of a glassy carbon electrode and dried to prepare a working electrode.

-メタノール溶液に対する酸化活性-
0.5モル/LのHSOと0.5モル/Lのメタノールとの混合溶液を直接メタノール型燃料電池の燃料溶液として使用した。
燃料溶液はNを100ml/分、30分間パージしたのち、50ml/分でNを流入、作用極を1600rpm(revolutions per minute)で回転させながら、スキャン速度は0.02V/s、走査範囲は、0V~1.2 V vs 標準水素電極(RHE; reversible hydrogen electrode)の電極電位の範囲で測定を行い、酸化ピークが低下し始めるまで測定を続けた。
なお、酸化活性は、質量活性(作用極上のPtRu1mg当たりの電流値;mA/mg PtRu)に統一して評価した。
測定したサイクリックボルタモグラムから燃料電池用触媒1のメタノール溶液に対する質量活性の結果を表3並びに図3及び図4に示した。
質量活性が高いほど、燃料に対する酸化活性に優れる。
-Oxidation activity for methanol solution-
A mixed solution of 0.5 mol/L H 2 SO 4 and 0.5 mol/L methanol was used as the fuel solution of the direct methanol fuel cell.
After purging the fuel solution with N 2 at 100 ml / min for 30 minutes, N 2 is introduced at 50 ml / min, while the working electrode is rotated at 1600 rpm (revolutions per minute), the scan speed is 0.02 V / s, the scan range made measurements over a range of electrode potentials from 0 V to 1.2 V vs. a reversible hydrogen electrode (RHE) and continued until the oxidation peak began to decline.
The oxidation activity was evaluated in terms of mass activity (current value per 1 mg of PtRu on the working electrode; mA/mg PtRu ).
Table 3 and FIGS. 3 and 4 show the results of the mass activity of the fuel cell catalyst 1 with respect to the methanol solution from the measured cyclic voltammogram.
The higher the mass activity, the better the oxidation activity for fuel.

図2に示すX線回折(XRD)パターンの酸化セリウムの111面のピーク位置の回折角2θ[Degree]を用いて、酸化セリウムの111面の面間隔値d[nm]を下記の式より求めた。 Using the diffraction angle 2θ [Degree] at the peak position of the 111 plane of cerium oxide in the X-ray diffraction (XRD) pattern shown in FIG. rice field.

d[nm]=λ/(2・sinθ)
上記式中、λはX線波長を示す。酸化セリウムの111面の面間隔値d[nm]は、λの値として0.154056[nm]を用いて求めた。
d [nm] = λ/(2·sin θ)
In the above formula, λ indicates the X-ray wavelength. The interplanar spacing value d [nm] of the 111 plane of cerium oxide was obtained using 0.154056 [nm] as the value of λ.

また、上記XRDのピークの半値幅を用いて、酸化セリウムの結晶子径Dを下記のシェラーの式より求めた。

D[nm]=K・λ/(β・cosθ)

上記式中、βは該当成分のXRDのピークの半値幅[rad(ラジアン)]を示す。
D;結晶子径
K;Scherrer定数 0.9
λ;X線波長、0.154056nm
θ;回折線のブラッグ角(回折角2θの半分)[rad(ラジアン)]
β;結晶格子の回折X線の半値幅[rad(ラジアン)]
Using the half width of the XRD peak, the crystallite diameter D of the cerium oxide was obtained from the following Scherrer's formula.

D [nm]=K·λ/(β·cos θ)

In the above formula, β represents the half width [rad (radian)] of the XRD peak of the corresponding component.
D; crystallite diameter K; Scherrer constant 0.9
λ; X-ray wavelength, 0.154056 nm
θ; Bragg angle of diffraction line (half of diffraction angle 2θ) [rad (radian)]
β; half width of diffracted X-ray of crystal lattice [rad (radian)]

その結果を表3に示し、図4に酸化セリウムの111面の面間隔値d[nm]と質量活性との関係を表した。 The results are shown in Table 3, and FIG. 4 shows the relationship between the interplanar spacing value d [nm] of the 111 plane of cerium oxide and the mass activity.

(実施例2~実施例6及び比較例1~3)
実施例1における担体2-1を表2に記載の担体に変更した以外は、実施例1と同様にして、マイクロ波ポリオール法を使用して燃料電池用触媒2~9をそれぞれ作製した。得られた燃料電池用触媒2~9を用いて、各評価を行った。その結果を表2~表4及び図2~図4に示す。
(Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3)
Fuel cell catalysts 2 to 9 were prepared by the microwave polyol method in the same manner as in Example 1, except that the carrier 2-1 in Example 1 was changed to the carrier shown in Table 2. Each evaluation was performed using the obtained fuel cell catalysts 2 to 9. The results are shown in Tables 2 to 4 and FIGS. 2 to 4.

Figure 0007139567000002
Figure 0007139567000002

表中、「N.D」とは、測定されなかったことを意味する。また、「-」とは、該当するデータがないことを意味する。 In the table, "ND" means not measured. Also, "-" means that there is no applicable data.

Figure 0007139567000003
Figure 0007139567000003

Figure 0007139567000004
Figure 0007139567000004

表3及び図2中、2θ値[Deg.]及びd値[nm]は、未処理(Non ion)の酸化セリウムの111面の回折角2θを、文献値(NIMS データベース、J. Am. Ceram. Soc., 1993, 76, 1745-1750, Yamashita M.,Morimoto K., Ishizawa N., Yoshimura M.)28.545[Degree]に合わせる補正を行い、計算し直した補正値である。 In Table 3 and FIG. 2, the 2θ value [Deg.] and d value [nm] are the diffraction angle 2θ of the 111 plane of untreated (Non ion) cerium oxide, which is the literature value (NIMS database, J. Am. Ceram Soc., 1993, 76, 1745-1750, Yamashita M., Morimoto K., Ishizawa N., Yoshimura M.).

表4中、2θ値[Deg.]及びd値[nm]は、未処理(Non ion)の酸化チタンの(110)の回折角2θを、文献値(NIMS データベース、J. Am. Ceram. Soc., 1996, 79, 1095, Kim D.W., Enomoto N., Nakagawa Z., Kawamura K.)27.431[Degree]に合わせる補正を行い、計算し直した補正値である。 In Table 4, the 2θ value [Deg.] and the d value [nm] are the diffraction angle 2θ of (110) of untreated (non-ion) titanium oxide, and the literature value (NIMS database, J. Am. Ceram. Soc ., 1996, 79, 1095, Kim D.W., Enomoto N., Nakagawa Z., Kawamura K.) 27.431 [Degree] and recalculated.

表3及び図4に示すとおり、実施例1~実施例5における酸化セリウムの111面の面間隔、即ち、d値が大きくなるほど質量活性すなわち燃料に対する酸化活性が増大していることが分かる。
一方、酸化セリウムの111面の面間隔d値が0.3129nm~0.3160nmの範囲外である比較例1及び比較例2では、実施例と比較して、質量活性の値が小さく、燃料に対する質量活性すなわち燃料に対する酸化活性に劣っていることが分かる。
As shown in Table 3 and FIG. 4, it can be seen that the mass activity, that is, the fuel oxidation activity increases as the interplanar spacing of the 111 planes of the cerium oxide of Examples 1 to 5, that is, the d value increases.
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, in which the d value of the 111 plane of cerium oxide is outside the range of 0.3129 nm to 0.3160 nm, the mass activity value is smaller than that of the example, and the fuel It can be seen that the mass activity, that is, the oxidation activity for fuel is inferior.

また、表4に示すとおり、実施例6における酸化チタンの110面の面間隔d値は、0.3195nm~0.3244nmであり、110面の面間隔d値が0.3195nm~0.3244nmの範囲外である比較例3における酸化チタンの110面の面間隔と比べて、面間隔が小さくなり、燃料に対する酸化活性が向上したことがわかる。 Further, as shown in Table 4, the d value of the 110 plane spacing of titanium oxide in Example 6 is 0.3195 nm to 0.3244 nm, and the d value of the 110 plane spacing is 0.3195 nm to 0.3244 nm. Compared to the 110 plane spacing of titanium oxide in Comparative Example 3, which is out of the range, the plane spacing is smaller, and it can be seen that the oxidation activity for fuel is improved.

以上より、X線回折法により求められる111面の面間隔が0.3129nm~0.3160nmである酸化セリウム、及びX線回折法により求められる110面の面間隔が0.3195nm~0.3244nmである酸化チタンを含む実施例の燃料電池用酸化触媒は、燃料に対する酸化活性に優れる。 As described above, cerium oxide having a 111 plane spacing of 0.3129 nm to 0.3160 nm obtained by X-ray diffraction and a cerium oxide having a 110 plane spacing of 0.3195 nm to 0.3244 nm obtained by X-ray diffraction The fuel cell oxidation catalysts of Examples containing a certain titanium oxide are excellent in oxidation activity for fuel.

10 高分子電解質膜
20 電極
31 触媒層
32 ガス拡散層
10 polymer electrolyte membrane 20 electrode 31 catalyst layer 32 gas diffusion layer

Claims (9)

X線回折法により求められる111面の面間隔が0.3129nm~0.3160nmである酸化セリウム、及び、X線回折法により求められる110面の面間隔が0.3195nm~0.3244nmである酸化チタンからなる群より選ばれる少なくとも1つの酸化物を含む担体と、
前記担体に担持された触媒金属と、
を有する、直接メタノール型燃料電池用酸化触媒。
Cerium oxide having a 111 plane spacing of 0.3129 nm to 0.3160 nm determined by X-ray diffraction, and oxide having a 110 plane spacing of 0.3195 nm to 0.3244 nm determined by X-ray diffraction a carrier containing at least one oxide selected from the group consisting of titanium;
a catalyst metal supported on the carrier;
and an oxidation catalyst for direct methanol fuel cells.
前記担体は、カーボン材料を更に含む、請求項1に記載の直接メタノール型燃料電池用酸化触媒。 2. The oxidation catalyst for direct methanol fuel cells according to claim 1, wherein said carrier further contains a carbon material. 前記酸化セリウムは、粒子状の前記酸化セリウムを含み、前記粒子状の酸化セリウムの結晶子径は1nm~1μmである、請求項1又は請求項2に記載の直接メタノール型燃料電池用酸化触媒。 3. The oxidation catalyst for a direct methanol fuel cell according to claim 1, wherein said cerium oxide contains said particulate cerium oxide, and said particulate cerium oxide has a crystallite size of 1 nm to 1 μm. 前記酸化チタンは、粒子状の酸化チタンを含み、前記粒子状の酸化チタンの結晶子径が、1nm~1μmである、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の直接メタノール型燃料電池用酸化触媒。 The direct methanol fuel according to any one of claims 1 to 3, wherein the titanium oxide contains particulate titanium oxide, and the particulate titanium oxide has a crystallite size of 1 nm to 1 µm. Oxidation catalyst for batteries. 直接メタノール型燃料電池の燃料としてアルコール又はエーテルを用いた燃料電池に用いられる、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の直接メタノール型燃料電池用酸化触媒。 The oxidation catalyst for a direct methanol fuel cell according to any one of claims 1 to 4, which is used in a fuel cell using alcohol or ether as a fuel for the direct methanol fuel cell. 高分子電解質膜と、
電極と、
前記高分子電解質膜と前記電極との間に設けられた、請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の直接メタノール型燃料電池用酸化触媒を有する触媒層と、
を備える、燃料電池。
a polymer electrolyte membrane;
an electrode;
a catalyst layer having the direct methanol fuel cell oxidation catalyst according to any one of claims 1 to 5, provided between the polymer electrolyte membrane and the electrode;
A fuel cell.
遷移金属酸化物を含む担体に、イオンビームを1.0×1010ions/cm~8.0×1012ions/cmの照射量で照射する照射工程と、
前記照射工程で得られた前記遷移金属酸化物を含む担体に触媒金属を担持する工程と、
を有
前記遷移金属酸化物が酸化セリウム及び酸化チタンからなる群より選択される少なくとも1つであり、
前記イオンビームのイオン種がArイオン、Krイオン、又はXeイオンであり、
前記イオンビームが、エネルギー127MeV及び照射量5.0×10 11 ions cm -2 ~1.0×10 12 ions cm -2 のArイオンビーム、
エネルギー310MeV及び照射量3.0×10 11 ions cm -2 ~3.0×10 12 ions cm -2 のKrイオンビーム、
又は、エネルギー350MeV及び照射量2.0×10 11 ions cm -2 ~2.0×10 12 ions cm -2 のXeイオンビームであり、
前記得られた遷移金属酸化物が、X線回折法により求められる111面の面間隔が0.3129nm~0.3160nmである酸化セリウム、及び、X線回折法により求められる110面の面間隔が0.3195nm~0.3244nmである酸化チタンからなる群より選ばれる少なくとも1つである、
直接メタノール型燃料電池用酸化触媒の製造方法。
an irradiation step of irradiating a carrier containing a transition metal oxide with an ion beam at a dose of 1.0×10 10 ions/cm 2 to 8.0×10 12 ions/cm 2 ;
A step of supporting a catalyst metal on a support containing the transition metal oxide obtained in the irradiation step;
has
The transition metal oxide is at least one selected from the group consisting of cerium oxide and titanium oxide,
the ion species of the ion beam are Ar ions, Kr ions, or Xe ions;
the ion beam is an Ar ion beam having an energy of 127 MeV and a dose of 5.0×10 11 ions cm −2 to 1.0×10 12 ions cm −2 ;
a Kr ion beam with an energy of 310 MeV and a dose of 3.0×10 11 ions cm −2 to 3.0×10 12 ions cm −2 ;
Alternatively, a Xe ion beam with an energy of 350 MeV and a dose of 2.0×10 11 ions cm −2 to 2.0×10 12 ions cm −2 ,
The obtained transition metal oxide is cerium oxide having a 111 plane spacing of 0.3129 nm to 0.3160 nm determined by an X-ray diffraction method, and a 110 plane spacing determined by an X-ray diffraction method. At least one selected from the group consisting of titanium oxide having a diameter of 0.3195 nm to 0.3244 nm,
A method for producing an oxidation catalyst for a direct methanol fuel cell.
前記担体は、カーボン材料を更に含む、請求項7に記載の直接メタノール型燃料電池用酸化触媒の製造方法。 8. The method for producing an oxidation catalyst for a direct methanol fuel cell according to claim 7, wherein said carrier further contains a carbon material. 前記照射工程で得られた前記遷移金属酸化物は、面間隔の変化率の絶対値が、0.15%~0.65%である、請求項7又は請求項8に記載の直接メタノール型燃料電池用酸化触媒の製造方法。 The direct methanol fuel according to claim 7 or claim 8, wherein the transition metal oxide obtained in the irradiation step has an absolute value of a change rate of the interplanar spacing of 0.15% to 0.65%. A method for producing an oxidation catalyst for a battery.
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