JP7475798B2 - 触媒層 - Google Patents
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Description
(a)種々の導電性金属酸化物の中でも、不定比酸化チタン(TiOx)あるいは異元素(Nb、Sb等)をドープした酸化スズが触媒担体として有望であること、及び、
(b)特に、PEFCのカソード用の触媒担体には、強酸性かつ高電位の環境下において安定な酸化スズが有望であること
が記載されている。
同文献には、
(A)担体として、SbをドープしたSnO2粒子を用いると、Sbが貴金属含有触媒を被毒させることがある点、
(B)Sb及びTaがドープされたSnO2粒子からなる担体の表面に、FがドープされたSnO2からなる被覆膜を形成すると、Sbによる貴金属含有触媒の被毒を抑制することができる点
が記載されている。
(a)オクチル酸スズ及びオクチル酸ニオブを含む溶液を化学炎中に供給することにより、ニオブ含有酸化スズからなる一次粒子が部分的に融着結合している担体を作製し、
(b)担体表面に白金及び不定比の白金酸化物を担持させ、
(c)白金及び白金酸化物を担持した担体を水素雰囲気下、150℃で2時間熱処理し、白金の還元及び白金とスズとの合金化を行う
ことにより得られる電極触媒が開示されている。
同文献には、スズと白金とを合金化させると、電極触媒の導電性が一層向上する点が記載されている。
(a)アンモニア共沈法を用いてSnO2粒子を作製し、
(b)コロイド法を用いてSnO2粒子の表面にPt酸化物を担持させ、
(c)Pt酸化物を担持した担体を、5%H2/N2雰囲気下、100℃で2時間還元処理する
ことにより得られる燃料電池用電極材料が開示されている。
同文献には、貴金属コロイドを担持したSnO2担体を還元雰囲気下、80℃以上250℃以下の温度で熱処理すると、貴金属使用量が少なくても優れた電気化学的触媒活性を有する燃料電池電極材料が得られる点が記載されている。
さらに、非特許文献4には、アンチモンドープ酸化スズに担持された白金ナノ粒子は、従来のカーボンに担持された白金ナノ粒子よりも安定な酸素還元触媒となる可能性がある点が記載されている。
一方、非特許文献4は、メソ孔を有する酸化スズ担体が用いられているが、担体構造は連珠状ではない。また、非特許文献4には、多孔質であることは担体比表面積の増大に有効であることが述べられているだけであり、アイオノマ被毒抑制に関する記述はない。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、従来の触媒層に比べて酸素還元反応(ORR)質量活性が高く、かつ、高電位サイクルに対する耐久性が高い触媒層を提供することにある。
(1)前記触媒層は、
電極触媒と、
アイオノマと
を備えている。
(2)前記電極触媒は、
多孔質の一次粒子が数珠状に融着している構造(連珠状構造)を備え、比表面積が30m2/g以上である酸化スズ系粒子と、
前記酸化スズ系粒子の表面に担持されたPt系微粒子と
を備えている。
(a)多孔質の酸化スズ系粒子の表面(特に、メソ孔内)にPt系微粒子が担持されることにより、Pt系微粒子のアイオノマによる被毒が抑制されるため、
(b)酸化スズ系粒子の表面が親水性であるために、低湿度環境下においても酸化スズ系粒子の周囲に水が保持されやすくなるため、及び、
(c)酸化スズ系粒子を担体に用いることにより、触媒層の電子伝導性が相対的に高くなり、かつ、担体の酸化腐食が抑制されるため
と考えられる。
[1. 触媒層]
本発明に係る触媒層は、
電極触媒と、
アイオノマと
を備えている。
電極触媒は、
多孔質の一次粒子が数珠状に融着している構造(連珠状構造)を備え、比表面積が30m2/g以上である酸化スズ系粒子と、
前記酸化スズ系粒子の表面に担持されたPt系微粒子と
を備えている。
[A. 組成]
「酸化スズ系粒子」とは、SnO2からなる粒子、又は、ドーパントを含むSnO2からなる粒子をいう。
本発明において、ドーパントの種類は、特に限定されない。ドーパントとしては、例えば、Nb、Sb、W、Ta、Alなどがある。SnO2には、これらのいずれか1種のドーパントが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
特に、酸化スズ系粒子は、SbがドープされたSnO2が好ましい。SbがドープされたSnO2は、他のドーパントを含むSnO2と比べて導電率が高いので、Pt系微粒子を担持するための触媒担体として好適である。
一方、Sbのドープ量が過剰になると、キャリア濃度が過剰となり、導電性が低下する場合がある。従って、Sbのドープ量は、15.0at%以下が好ましい。Sbのドープ量は、さらに好ましくは、10.0at%以下である。
一般に、酸化スズ系粒子の比表面積が大きくなるほど、Pt系微粒子を高分散に担持することができるので、ORR質量活性が向上する。そのため、酸化スズ系粒子の比表面積は、大きいほど良い。高いORR質量活性を得るためには、酸化スズ系粒子の比表面積は、30m2/g以上である必要がある。比表面積は、好ましくは、50m2/g以上、さらに好ましくは、さらに好ましくは、60m2/g以上、さらに好ましくは、90m2/g以上、さらに好ましくは、100m2/g以上である。
酸化スズ系粒子は、その内部に細孔径が50nm以下である細孔(以下、これを「メソ孔」ともいう)を有しているものが好ましい。
ここで、「メソ孔」とは、一般的には、直径が2nm以上50nm以下の細孔をいうが、本発明において「メソ孔」というときは、特に断らない限り、直径が2nm以上50nm以下の細孔に加えて、直径が2nm未満の細孔(いわゆる「マイクロ孔」)も含まれる。
「細孔径」とは、メソ孔の直径の平均値をいう。
細孔径は、酸化スズ系粒子の窒素吸着等温線の吸着側データをBJH法で解析し、細孔容量が最大となるときの細孔径(最頻出ピーク値、又はモード細孔径)を求めることにより得られる。
特に、酸化スズ系粒子の細孔径を5nm以上8nm以下とすると、これを触媒担体に用いて触媒層を作製したときに、高い触媒活性が得られる。
本発明において、酸化スズ系粒子の形状は、上述した条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。酸化スズ系粒子は、孤立した粒子であっても良く、あるいは、多孔質の一次粒子が融着した連珠状構造を備えた粒子であっても良い。
ここで、「連珠状構造」とは、一次粒子が数珠状に融着している構造をいう。
また、一次粒子は微細な結晶子の集合体からなるため、一次粒子の内部には相対的に微細な空隙(メソ孔)がある。そのため、これを触媒担体として用いると、Pt系微粒子のアイオノマによる被毒を抑制することができる。
このような連珠状構造を備えたメソポーラスシリカを第1鋳型に用いると、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボンが得られる。さらに、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボンを第2鋳型に用いると、連珠状構造を備えた酸化スズ系粒子が得られる。
「一次粒子の平均粒径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により測定された一次粒子の最大寸法の平均値をいう。
酸化スズ系粒子が、多孔質の一次粒子が融着した連珠状構造を備えた粒子である場合、一次粒子の平均粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。
一方、一次粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、触媒層の厚さが厚くなり、触媒層中のイオン抵抗及び電子抵抗が大きくなる。従って、一次粒子の平均粒径は、2μm以下が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、1μm以下、さらに好ましくは、0.5μm以下である。
「圧粉体の導電率」とは、
(a)2枚のステンレス鋼製円盤と、円筒状の穴が開いたプラスチック製治具とを用いて酸化スズ系粒子を成形し、
(b)得られた圧粉体に2.4MPaの圧力をかけた状態で、一定の電流を流しながら電圧を測定することで得た値をいう。
圧粉体(すなわち、酸化スズ系粒子)の導電性は、主として、ドーパントの種類及び量に依存する。酸化スズ系粒子の組成を最適化すると、圧粉体の導電率は、1×10-3S/cm以上となる。製造条件を最適化すると、導電率は、1×10-2S/cm以上となる。
後述する方法を用いると、圧粉体の導電率が10S/cm程度である酸化スズ系粒子であっても、合成することができる。
「細孔容量」とは、一次粒子に含まれるメソ孔の容積をいい、一次粒子間にある空隙の容積は含まれない。
細孔容量は、酸化スズ系粒子の窒素吸着等温線の吸着データをBJH法で解析し、P/P0=0.03~0.99の値で算出することにより得られる。
一方、細孔容量が大きくなりすぎると、酸化スズ系粒子の細孔壁の割合が小さくなり、電子伝導性が低くなる。また、アイオノマ侵入量が多くなり、触媒被毒により活性が低下する場合がある。従って、細孔容量は、1mL/g以下が好ましい。細孔容量は、好ましくは、0.7mL/g以下、さらに好ましくは、0.5mL/g以下である。
「タップ密度」とは、JIS Z 2512に準拠して測定される値をいう。
本発明に係る酸化スズ系粒子をPEFCの触媒層に用いる場合において、酸化スズ系粒子のタップ密度が小さくなりすぎると、得られた触媒層の厚みが厚くなりすぎ、プロトン伝導性が低下する。従って、タップ密度は、0.005g/cm3以上が好ましい。タップ密度は、好ましくは、0.01g/cm3以上、さらに好ましくは、0.05g/cm3以上である。
一方、タップ密度が大きくなりすぎると、これを用いて触媒層を作製した時に、触媒層内にフラッディングを抑制可能な空隙を確保するのが困難となる。従って、タップ密度は、1.0g/cm3以下が好ましい。タップ密度は、好ましくは、0.75g/cm3以下である。
酸化スズ系ナノ粒子は、上述した条件を満たすものの中でも、特に、SbがドープされたSnO2からなり、比表面積が90m2/g以上であり、かつ、細孔径が5nm以上8nm以下であるものが好ましい。このような条件を満たす酸化スズ系ナノ粒子を担体に用いて触媒層を作製すると、高い触媒活性が得られる。
[A. 組成]
「Pt系微粒子」とは、Pt又はPt合金からなる微粒子をいう。Pt系微粒子は、酸化スズ系粒子の表面(すなわち、酸化スズ系粒子の外表面又はメソ孔の内表面)に担持される。
(a)Ptと、1種又は2種以上のPt以外の貴金属元素とを含む合金(例えば、Pt-Pd合金、Pt-Ru合金、Pt-Ir合金など)、
(b)Ptと、1種又は2種以上の卑金属元素(例えば、Fe、Co、Ni、Cr、V、Tiなど)とを含む合金(例えば、Pt-Fe合金、Pt-Co合金、Pt-Ni胸襟、Pt-Cr合金、Pt-V合金、Pt-Ti合金など)、
などがある。
「Pt系微粒子の平均粒径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により測定されたPt系微粒子の最大寸法の平均値をいう。
Pt系微粒子の平均粒径は、質量活性に影響を与える。一般に、Pt系微粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、Pt系微粒子の質量活性が低下する。従って、Pt系微粒子の平均粒径は、5nm以下が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、4nm以下である。
一方、Pt系微粒子の平均粒径が小さくなりすぎると、Ptなどの微粒子を構成する成分が溶出しやすくなる。従って、Pt系微粒子の平均粒径は、1nm以上が好ましい。平均粒径は、さらに好ましくは、2nm以上である。
Pt系微粒子の担持量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な担持量を選択することができる。一般に、Pt系微粒子の担持量が少なくなりすぎると、所定の目付量を得るために必要な触媒層の厚さが厚くなり、触媒層の電子抵抗、プロトン移動抵抗、及び/又は、ガス拡散抵抗が増大する。従って、Pt系微粒子の担持量は、5mass%以上が好ましい。担持量は、さらに好ましくは、10mass%以上、さらに好ましくは、15mass%以上である。
一方、Pt系微粒子の担持量が過剰になると、担体表面においてPt系微粒子が凝集し、かえって電極触媒の活性が低下する。従って、Pt系微粒子の担持量は、60mass%以下が好ましい。担持量は、さらに好ましくは、50mass%以下、さらに好ましくは、40mass%以下である。
本発明に係る触媒層において、アイオノマの材料は、特に限定されない。アイオノマとしては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマ、高酸素透過アイオノマなどがある。アイオノマは、これらのいずれか1種からなるものでも良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
換言すれば、「高酸素透過アイオノマ」とは、酸素透過係数がナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマよりも高いアイオノマをいう。
(a)脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボンユニットと、パーフルオロスルホン酸を側鎖に持つ酸基ユニットとを含む電解質ポリマ、
(b)脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボンユニットと、パーフルオロイミドを側鎖に持つ酸基ユニットとを含む電解質ポリマ、
(c)脂肪族環構造を有するパーフルオロカーボンに直接、パーフルオロスルホン酸が結合したユニットを含む電解質ポリマ、
などがある(参考文献1~4参照)。
[参考文献1]特開2003-036856号公報
[参考文献2]国際公開第2012/088166号
[参考文献3]特開2013-216811号公報
[参考文献4]特開2006-152249号公報
「I/S」とは、触媒層に含まれる酸化スズ系粒子の質量(S)に対するアイオノマの質量(I)の比をいう。
I/Sは、触媒層のプロトロン伝導性及び/又はガス拡散性に影響を与える。一般に、I/Sが小さくなりすぎると、触媒層のプロトン伝導度が低下する。従って、I/Sは、0.13以上が好ましい。I/Sは、さらに好ましくは、0.20以上である。
一方、I/Sが大きくなりすぎると、触媒層内の空隙量が低下し、触媒層のガス拡散性が低下する。従って、I/Sは、0.39以下が好ましい。I/Sは、さらに好ましくは、0.33以下である。
[1.4.1.高湿度条件下における質量活性]
「高湿度条件下における質量活性」とは、 本発明に係る触媒層を空気極に用いた固体高分子形燃料電池セルを作製し、セル温度:60℃、ガス相対湿度(両極):80%、カソードガス中の酸素分圧:21kPa、セル電圧:0.86Vの条件下で発電を行った場合における酸素還元反応の質量活性をいう。
「低湿度条件下における質量活性」とは、 本発明に係る触媒層を空気極に用いた固体高分子形燃料電池セルを作製し、セル温度:82℃、ガス相対湿度(両極):30%、カソードガス中の酸素分圧:21kPa、セル電圧:0.86Vの条件下で発電を行った場合における酸素還元反応の質量活性をいう。
また、酸化スズ系粒子の細孔径を最適化すると、低湿度条件下における質量活性がさらに向上する。これは、細孔径を最適化することによって、Pt系微粒子が細孔内に担持されやすくなり、かつ、細孔内のPt系微粒子がアイオノマにより被毒されにくくなるためと考えられる。酸化スズ系粒子の微構造を最適化すると、低湿度条件下における質量活性は、150A/gPt以上、あるいは、200A/gPt以上となる。
「ECSA低下率」とは、次の式(1)で表される値をいう。
ECSA低下率=(ECSA0-ECSA2000)×100/ECSA0 …(1)
但し、
ECSA0は、本発明に係る触媒層を空気極に用いた固体高分子形燃料電池セルの製造直後のECSA、
ECSA2000は、前記固体高分子形燃料電池セルに対し、高電位サイクル耐久試験(1.0⇔1.5V、2000サイクル)を実施した後のECSA。
酸化スズ系粒子は、種々の方法により製造することができる。これらの内、連珠状構造を備えた酸化スズ系粒子を製造するためには、まず、連珠状構造を備えたメソポーラスシリカ(第1鋳型)を製造する必要がある。このようなメソポーラスシリカは、
(a)シリカ源、界面活性剤及び触媒を含む反応溶液中において、前記シリカ源を縮重合させて前駆体粒子を作製し、
(b)前記反応溶液から前記前駆体粒子を分離し、乾燥させ、
(c)必要に応じて、乾燥させた前駆体粒子に対して拡径処理を行い、
(d)前記前駆体粒子を焼成する
ことにより得られる。
まず、シリカ源、界面活性剤及び触媒を含む反応溶液中において、前記シリカ源を縮重合させ、前駆体粒子を得る(縮重合工程)。
本発明において、シリカ源の種類は、特に限定されない。シリカ源としては、例えば、
(a)テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン、テトラエチレングリコキシシラン等のテトラアルコキシシラン類、
(b)3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-(2-アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン等のトリアルコキシシラン類、
などがある。シリカ源には、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
シリカ源を反応溶液中で縮重合させる場合において、反応溶液に界面活性剤を添加すると、反応溶液中において界面活性剤がミセルを形成する。ミセルの周囲には親水基が集合しているため、ミセルの表面にはシリカ源が吸着する。さらに、シリカ源が吸着しているミセルが反応溶液中において自己組織化し、シリカ源が縮重合する。その結果、一次粒子内部には、ミセルに起因するメソ細孔が形成される。メソ細孔の大きさは、主として、界面活性剤の分子長により制御(1~50nmまで)することができる。
CH3-(CH2)n-N+(R1)(R2)(R3)X- ・・・(a)
(a)式中、Xはハロゲン原子を表す。ハロゲン原子の種類は特に限定されないが、入手の容易さからXは、Cl又はBrが好ましい。
これらの中でも、特に、アルキルトリメチルアンモニウムブロミド又はアルキルトリメチルアンモニウムクロリドが好ましい。
シリカ源を縮重合させる場合、通常、反応溶液中に触媒を加える。粒子状のメソポーラスシリカを合成する場合、触媒には、水酸化ナトリウム、アンモニア水等のアルカリを用いても良く、あるいは、塩酸等の酸を用いても良い。
溶媒には、水、アルコールなどの有機溶媒、水と有機溶媒の混合溶媒などを用いる。
アルコールは、
(1)メタノール、エタノール、プロパノール等の1価のアルコール、
(2)エチレングリコール等の2価のアルコール、
(3)グリセリン等の3価のアルコール、
のいずれでも良い。
水と有機溶媒の混合溶媒を用いる場合、混合溶媒中の有機溶媒の含有量は、目的に応じて任意に選択することができる。一般に、溶媒中に適量の有機溶媒を添加すると、粒径や粒度分布の制御が容易化する。
反応溶液中の組成は、合成されるメソポーラスシリカの外形や細孔構造に影響を与える。特に、反応溶液中の界面活性剤の濃度、及びシリカ源の濃度は、メソポーラスシリカ粒子の平均一次粒子径、細孔径、細孔容量、及びタップ密度に与える影響が大きい。
界面活性剤の濃度が低すぎると、粒子の析出速度が遅くなり、一次粒子が連結している構造体は得られない。従って、界面活性剤の濃度は、0.03mol/L以上である必要がある。界面活性剤の濃度は、好ましくは、0.035mol/L以上、さらに好ましくは、0.04mol/L以上である。
シリカ源の濃度が低すぎると、粒子の析出速度が遅くなり、一次粒子が連結している構造体は得られない。あるいは、界面活性剤が過剰となり、均一なメソ細孔が得られない場合がある。従って、シリカ源の濃度は、0.05mol/L以上である必要がある。シリカ源の濃度は、好ましくは、0.06mol/L以上、さらに好ましくは、0.07mol/L以上である。
本発明において、触媒の濃度は、特に限定されない。一般に、触媒の濃度が低すぎると、粒子の析出速度が遅くなる。一方、触媒の濃度が高すぎると、粒子の析出速度が速くなる。最適な触媒の濃度は、シリカ源の種類、界面活性剤の種類、目標とする物性値などに応じて最適な濃度を選択するのが好ましい。
所定量の界面活性剤を含む溶媒中に、シリカ源を加え、加水分解及び重縮合を行う。これにより、界面活性剤がテンプレートとして機能し、シリカ及び界面活性剤を含む前駆体粒子が得られる。
反応条件は、シリカ源の種類、前駆体粒子の粒径等に応じて、最適な条件を選択する。一般に、反応温度は、-20~100℃が好ましい。反応温度は、さらに好ましくは、0~90℃、さらに好ましくは、10~80℃である。
次に、前記反応溶液から前記前駆体粒子を分離し、乾燥させる(乾燥工程)。
乾燥は、前駆体粒子内に残存している溶媒を除去するために行う。乾燥条件は、溶媒の除去が可能な限りにおいて、特に限定されるものではない。
次に、必要に応じて、乾燥させた前駆体粒子に対して拡径処理を行っても良い(拡径工程)。「拡径処理」とは、一次粒子内のメソ細孔の直径を拡大させる処理をいう。
拡径処理は、具体的には、合成された前駆体粒子(界面活性剤の未除去のもの)を、拡径剤を含む溶液中で水熱処理することにより行う。この処理によって前駆体粒子の細孔径を拡大させることができる。
(a)トリメチルベンゼン、トリエチルベンゼン、ベンゼン、シクロヘキサン、トリイソプロピルベンゼン、ナフタレン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカンなどの炭化水素、
(b)塩酸、硫酸、硝酸などの酸、
などがある。
また、塩酸などの酸共存下で水熱処理することにより細孔径が拡大するのは、一次粒子内部においてシリカの溶解・再析出が進行するためと考えられる。製造条件を最適化すると、シリカ内部に放射状細孔が形成される。これを酸共存下で水熱処理すると、シリカの溶解・再析出が起こり、放射状細孔が連通細孔に変換される。
次に、必要に応じて拡径処理を行った後、前記前駆体粒子を焼成する(焼成工程)。これにより、連珠状構造を備えたメソポーラスシリカ粒子が得られる。
焼成は、OH基が残留している前駆体粒子を脱水・結晶化させるため、及び、メソ細孔内に残存している界面活性剤を熱分解させるために行われる。焼成条件は、脱水・結晶化、及び界面活性剤の熱分解が可能な限りにおいて、特に限定されない。焼成は、通常、大気中において、400℃~700℃で1時間~10時間加熱することにより行われる。
次に、連珠状構造を備えたメソポーラスシリカを鋳型に用いて、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボン(第2鋳型)を製造する。このようなメソポーラスカーボンは、
(a)第1鋳型となるメソポーラスシリカを準備し、
(b)前記メソポーラスシリカのメソ細孔内にカーボンを析出させ、シリカ/カーボン複合体を作製し、
(c)前記複合体からシリカを除去する
ことにより得られる。
また、得られたメソポーラスカーボンの黒鉛化を促進させるために、シリカを除去した後に、メソポーラスカーボンを1500℃より高い温度で熱処理しても良い。
まず、第1鋳型となるメソポーラスシリカを準備する(第1鋳型準備工程)。メソポーラスシリカの製造方法の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
次に、メソポーラスシリカのメソ細孔内にカーボンを析出させ、シリカ/カーボン複合体を作製する(カーボン析出工程)。
メソ細孔内へのカーボンの析出は、具体的には、
(a)メソ細孔内にカーボン前駆体を導入し、
(b)メソ細孔内において、カーボン前駆体を重合及び炭化させる
ことにより行われる。
「カーボン前駆体」とは、熱分解によって炭素を生成可能なものをいう。このようなカーボン前駆体としては、具体的には、
(1) 常温で液体であり、かつ、熱重合性のポリマー前駆体(例えば、フルフリルアルコール、アニリン等)、
(2) 炭水化物の水溶液と酸の混合物(例えば、スクロース(ショ糖)、キシロース(木糖)、グルコース(ブドウ糖)などの単糖類、あるいは、二糖類、多糖類と、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸などの酸との混合物)、
(3) 2液硬化型のポリマー前駆体の混合物(例えば、フェノールとホルマリン等)、
などがある。
これらの中でも、ポリマー前駆体は、溶媒で希釈することなくメソ細孔内に含浸させることができるので、相対的に少数回の含浸回数で、相対的に多量の炭素をメソ細孔内に生成させることができる。また、重合開始剤が不要であり、取り扱いも容易であるという利点がある。
また、カーボン前駆体として炭水化物の水溶液と酸の混合物を用いる場合、酸の量は、有機物を重合させることが可能な最小量とするのが好ましい。
さらに、カーボン前駆体として、2液硬化型のポリマー前駆体の混合物を用いる場合、その比率は、ポリマー前駆体の種類に応じて、最適な比率を選択する。
次に、重合させたカーボン前駆体をメソ細孔内において炭化させる。
カーボン前駆体の炭化は、非酸化雰囲気中(例えば、不活性雰囲気中、真空中など)において、カーボン前駆体を含むメソポーラスシリカを所定温度に加熱することにより行う。加熱温度は、具体的には、500℃以上1200℃以下が好ましい。加熱温度が500℃未満であると、カーボン前駆体の炭化が不十分となる。一方、加熱温度が1200℃を超えると、シリカと炭素が反応するので好ましくない。加熱時間は、加熱温度に応じて、最適な時間を選択する。
また、充填、重合及び炭化の各工程を複数回繰り返す場合、各炭化工程は、相対的に低温で炭化処理を行い、最後の炭化処理が終了した後、さらにこれより高い温度で、再度、炭化処理を行っても良い。最後の炭化処理を、それ以前の炭化処理より高い温度で行うと、複数回に分けて細孔内に導入されたカーボンが一体化しやすくなる。
次に、複合体から第1鋳型であるメソポーラスシリカを除去する(第1鋳型除去工程)。これにより、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボン(第2鋳型)が得られる。
メソポーラスシリカの除去方法としては、具体的には、
(1) 複合体を水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液中で加熱する方法、
(2) 複合体をフッ化水素酸水溶液でエッチングする方法、
などがある。
次に、必要に応じて、メソポーラスカーボンを1500℃より高い温度で熱処理する(黒鉛化工程)。メソポーラスシリカのメソ細孔内において炭素源を炭化させる場合において、シリカと炭素の反応を抑制するためには、熱処理温度を低くせざるを得ない。そのため、炭化処理後のカーボンの黒鉛化度は低い。高い黒鉛化度を得るためには、第1鋳型を除去した後、メソポーラスカーボンを高温で熱処理するのが好ましい。
一方、熱処理温度を必要以上に高くしても、効果に差がなく、実益がない。従って、熱処理温度は、2300℃以下が好ましい。熱処理温度は、好ましくは、2200℃以下である。
連珠状構造を備えた酸化スズ系粒子の製造方法は、
連珠状構造を備えたメソポーラスカーボンを準備する第1工程と、
メソポーラスカーボンのメソ細孔内に酸化スズ又はドーパントを含む酸化スズ(以下、これらを総称して「Sn含有酸化物」ともいう)析出させ、Sn含有酸化物/カーボン複合体を得る第2工程と、
Sn含有酸化物/カーボン複合体からカーボンを除去する第3工程と
を備えている。
まず、連珠状構造を備えたメソポーラスカーボンを準備する(第1工程)。メソポーラスカーボンの製造方法の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
次に、メソポーラスカーボンのメソ細孔内にSn含有酸化物を析出させる(第2工程)。これにより、Sn含有酸化物/カーボン複合体が得られる。
メソ細孔内へのSn含有酸化物の析出は、具体的には、メソ細孔内にSn含有酸化物の前駆体を導入し、前駆体をSn含有酸化物に変換することにより行う。
メソ細孔内においてSn含有酸化物を形成するための前駆体としては、具体的には、
(1)Sn含有酸化物を構成する金属元素を含み、溶媒に可溶であり、かつ溶媒中の溶存酸素により酸化され、析出させることが可能な化合物、
(2)Sn含有酸化物を構成する金属元素を含み、熱分解あるいは加水分解により金属酸化物を形成することが可能な化合物、
などがある。
(1)SnCl2などの2価のSnを含む塩、
(2)NbCl5、SbCl3、WCl6、TaCl5、AlCl3などのNb、Sb、W、Ta、又はAlをを含む塩、
などがある。
(1)SnCl4、SnCl2、NbCl5、SbCl3、WCl6、TaCl5、AlCl3などの塩化物、
(2)タングステンエトキシド(W(OC2H5)6)、Sn(OC2H5)2、Sn(OC(CH3)3)4、Nb(OC2H5)5、Ta(OC2H5)5、Sb(OC2H5)3、Al(OC2H5)3などのアルコキシド、
(3)スズアセチルアセトナート(Sn(CH3COCHCOCH3)2)、Al(CH3COCHCOCH3)3などのアセチルアセトナート塩、
(4)Sn(CH3COO)2、Sb(CH3COO)3などの酢酸塩、
などがある。
前駆体が液体である場合、これをそのままメソポーラスカーボンの細孔内に吸着させても良い。あるいは、前駆体を適当な溶媒に溶解させ、この溶液をメソポーラスカーボンの細孔内に吸着させても良い。前駆体を溶媒に溶解させる場合、溶媒の種類及び前駆体の濃度は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択する。
前駆体を吸着させた後、前駆体をSn含有酸化物に変換する。変換方法は、特に限定されるものではなく、前駆体の種類に応じて最適な方法を選択する。
例えば、前駆体として塩化物を用いる場合、塩化物を溶解させた溶液にメソポーラスカーボンを分散させ、空気中で攪拌する。攪拌を続けると、やがて塩化物がメソポーラスカーボンのメソ細孔内に吸着され、メソ細孔内の塩化物が溶存酸素により次第にSn含有酸化物となる。
なお、1回の前駆体の吸着及びSn含有酸化物への変換により、メソ細孔内に十分な量のSn含有酸化物を形成することができないときは、吸着及び変換を複数回繰り返しても良い。
次に、Sn含有酸化物/カーボン複合体からカーボンを除去する(第3工程)。これにより、本発明に係る酸化スズ系粒子が得られる。
カーボンの除去方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。カーボンの除去方法としては、例えば、
(1)Sn含有酸化物/カーボン複合体を酸化雰囲気下で加熱する方法、
(2)Sn含有酸化物/カーボン複合体を酸素プラズマエッチングする方法、
などがある。
加熱温度、加熱時間などの除去条件は、特に限定されるものではなく、Sn含有酸化物の結晶子を粗大化させることなく、カーボンが完全に除去される条件であれば良い。
本発明に係る触媒層は、Pt系微粒子を担持するための担体として、比表面積が30m2/g以上(好ましくは、60m2/g以上)の連珠状構造を備えた酸化スズ系粒子を用いている。そのため、特に低湿度(30%RH)条件下では、酸化スズ系粒子の細孔径を最適化することにより、本発明に係る触媒層は、従来のPt/Cを電極触媒に用いた触媒層に比べて高いORR質量活性を示す。さらに、本発明に係る触媒層は、従来の触媒層に比べて高電位サイクル耐久性が非常に高い。
[1. 試料の作製]
[1.1. Sb-SnO2担体の作製]
[1.1.1. 連珠状スターバーストシリカの作製]
メタノール(MeOH):4.6g、及びエチレングリコール(EG):4.6gの混合溶媒に、30mass%塩化セチルトリメチルアンモニウム水溶液:56.3gを加え、室温で攪拌した。これに1M NaOH:8.8gを加え、50℃に加温した。以下、これを「第1溶液」という。
次に、MeOH:6.5g、及びEG:6.5gの混合溶媒にテトラエトキシシラン(TEOS):12.3gを溶解させた。以下、これを「第2溶液」という。
PFA製容器にCSS:0.5gを入れ、フルフリルアルコール(FA)をCSSの細孔容量分だけ加えて、CSSの細孔内に浸透させた。これを150℃×24h熱処理することにより、FAを重合させた。さらに、これを窒素雰囲気中で500℃×6h熱処理し、FAの炭化を進めた。これを2回繰り返した後、さらに窒素雰囲気中で900℃×6h熱処理して、CSS/カーボン複合体を得た。
[A. 実施例1、2、4]
濃塩酸(35mass%、富士フイルム和光純薬(株)製):4mLにSbCl3(99.9mass%、富士フイルム和光純薬(株)製):0.12gを溶解し、精製水:36mLを加えて希釈した後、SnCl2(99.9mass%、富士フイルム和光純薬(株)製):5.0gをさらに加えて溶解させた。この溶液にCSC:0.1gを加えて分散させた。この分散液を空気中、室温で2h攪拌した後、精製水:200mLを追加して、さらに空気中で4h攪拌した。続いて、ろ過と精製水への再分散とを2回繰り返した後、45℃で乾燥し、連珠状Sb-SnO2/カーボン複合体を得た。
また、これをさらに空気雰囲気中において、400℃×3h、又は、500℃×3h処理することで、細孔径が5.7nm(実施例2)、又は、11nm(実施例4)である連珠状メソポーラスSb-SnO2を得た。
濃塩酸(35mass%、富士フイルム和光純薬(株)製):4mLにSbCl3(99.9mass%、富士フイルム和光純薬(株)製):0.03gを溶解し、精製水:36mLを加えて希釈した後、SnCl2(99.9mass%、富士フイルム和光純薬(株)製):5.0gをさらに加えて溶解させた。この溶液にCSC:0.1gを加えて分散させた。この分散液を空気中、室温で2h攪拌した後、精製水:200mLを追加して、さらに空気中で4h攪拌した。続いて、ろ過と精製水への再分散とを2回繰り返した後、45℃で乾燥し、連珠状Sb-SnO2/カーボン複合体を得た。
[1.2.1. 実施例1、2、4]
連珠状メソポーラスSb-SnO2(細孔径:4.4nm、5.7nm、又は、11nm)に、コロイド法を用いてPtナノ粒子を担持させた。
はじめに、0.4M NaOH/EG溶液:6mLと、0.04mM H2PtCl6(富士フイルム和光純薬(株)製)/EG溶液:6mLとを混合した。この混合液をマイクロ波合成装置(Monowabe 400, Anton Paar社製)で攪拌しながら160℃で3min加熱することで、Ptナノ粒子コロイド溶液を得た。
連珠状メソポーラスSb-SnO2(細孔径:7.3nm)に、コロイド法を用いてPtナノ粒子を担持させた。
はじめに、0.4M NaOH/EG溶液:6mLと、0.04mM H2PtCl6(富士フイルム和光純薬(株)製)/EG溶液:6mLとを混合した。この混合液をマイクロ波合成装置(Monowabe 400, Anton Paar社製)で攪拌しながら160℃で3min加熱することで、Ptナノ粒子コロイド溶液を得た。
[1.3.1. 実施例1、2、4]
20mass%Pt/Sb-SnO2:60mgをプラスチック製容器に秤量した。これに精製水:100mg、エタノール:100mg、プロピレングリコール:8.4mg、及び、アイオノマ分散液(21.2mass%、D2020):58.9mgを加えた。アイオノマの量は、I/Sが0.26となる量とした。上記混合液に対して、振とう(Digital Disruptor Genie、3000rpm、2min)と、超音波による分散(Bioruptor、5min)とを交互に3回ずつ繰り返し、触媒インクを調製した。
30mass%Pt/Sb-SnO2:70mgをプラスチック製容器に秤量した。これに精製水:100mg、エタノール:100mg、プロピレングリコール:8.4mg、及び、アイオノマ分散液(21.2mass%、D2020):60.4mgを加えた。アイオノマの量は、I/Sが0.26となる量とした。上記混合液に対して、振とう(Digital Disruptor Genie、3000rpm、2min)と、超音波による分散(Bioruptor、5min)とを交互に3回ずつ繰り返し、触媒インクを調製した。
市販の27.5mass%Pt/Vulcan(登録商標)(TEC10V30E、田中貴金属工業(株)製):32mgをプラスチック製容器に秤量し、これに精製水:140mg、エタノール:210mg、及び、アイオノマ分散液(21.2mass%、D2020):107.3mgを加えた。アイオノマの量は、カーボン担体の質量に対するアイオノマの質量の比(I/C)が1.0となる量とした。上記混合液に対して、振とう(Digital Disruptor Genie、3000rpm、2min)と、超音波による分散(Bioruptor、5min)とを交互に3回ずつ繰り返し、触媒インクを調製した。
電極触媒として、30mass%Pt/ケッチェン(登録商標)を用いた以外は、比較例1と同様にして、アノード触媒層シートを作製した。白金目付量は、0.05mgPt/cm2、I/C=1.0とした。カソード触媒層シート及びアノード触媒層シートを、それぞれ、1cm角に切り出し、切り出された触媒層をナフィオン(登録商標)膜(NR211)にホットプレスにより転写することで、MEAを作製した。ホットプレス条件は、120℃、0.89kN/cm2、5minとした。
作製したMEAを、1cm2用角セルを用いて評価した。拡散層には、マイクロポーラス層付きカーボンペーパーを用いた。
以下の条件でサイクリックボルタモグラム(CV)を測定し、3サイクル目のデータを採用した。
セル温度/相対湿度(両極):60℃/80%RH、又は、82℃/30%RH
空気極ガス:N2、1000mL/min、背圧14.4kPa-G
燃料極ガス:10%H2、500mL/min、背圧14.4kPa-G
電位掃引:0.1VRHEから1.0VRHEまでを50mV/sで3サイクル掃引
以下の条件で電位掃引によりIV曲線を測定し、3サイクル目の正方向掃引(anodic scan)をIV曲線データとして採用した。
セル温度/相対湿度(両極):60℃/80%RH、又は、82℃/30%RH
空気極ガス:Air、1000mL/min、背圧14.4kPa-G
燃料極ガス:H2、500mL/min、背圧14.4kPa-G
電圧掃引:開回路電圧から0.1Vまでを20mV/sで3サイクル掃引
以下の条件でCOストリッピングボルタンメトリーを行った。得られたCOストリッピングボルタモグラムのCO酸化ピークの電荷量から、換算係数420μC/cm2 Ptを用いて、Ptの電気化学表面積(ECSA)を算出した。
セル温度/相対湿度(両極):60℃/80%RH、又は、82℃/30%RH
空気極ガス:N2、1000mL/min、背圧14.4kPa-G(CO吸着時は、5%CO、400mL/min)
燃料極ガス:10%H2、500mL/min、背圧14.4kPa-G
電位:CO吸着時は0.3VRHEに保持、その後、0.1VRHEから1.0VRHEまで20mV/sで2サイクル掃引(1.0VRHEで2min保持)
以下の条件で電位サイクル試験を行った。
セル温度/相対湿度(両極):80℃/100%RH
空気極ガス:N2、1000mL/min
燃料極ガス:10%H2、500mL/min
電位掃引:1.0VRHEから1.5VRHEまで0.5V/sで合計2000サイクル掃引
セル温度/相対湿度(両極):80℃/100%RH
空気極ガス:Air、1000mL/min、背圧46.1kPa-G
燃料極ガス:H2、500mL/min、背圧46.1kPa-G
電圧掃引:開回路電圧から0.1Vまでを0.02V/sで3サイクル掃引
[3.1. 初期性能]
表1に、実施例1~4及び比較例1の触媒層の諸元をまとめて示す。これらの触媒層をカソードに用いたMEAの初期性能評価を行い、比較した。
図1(A)に、Pt/Sb-SnO2(実施例1~4)及びPt/Vulcan(登録商標)(比較例1)の60℃、80%RHにおけるサイクリックボルタモグラムを示す。図1(B)に、Pt/Sb-SnO2(実施例1~4)及びPt/Vulcan(登録商標)(比較例1)の82℃、30%RHにおけるサイクリックボルタモグラムを示す。図2に、COストリッピング測定から求めたPt/Sb-SnO2(実施例1~4)及びPt/Vulcan(登録商標)(比較例1)のECSAを示す。
80%RHにおけるPt/Sb-SnO2のECSAは、30~40m2/gPt程度であり、Pt/Vulcan(登録商標)のそれの約半分であった。
図3(A)に、Pt/Sb-SnO2(実施例1~4)及びPt/Vulcan(登録商標)(比較例1)の60℃、80%RHにおけるIV曲線を示す。図3(B)に、Pt/Sb-SnO2(実施例1)及びPt/Vulcan(登録商標)(比較例1)の82℃、30%RHにおけるIV曲線を示す。
80%RHにおいては、Pt/Vulcan(登録商標)の方がPt/Sb-SnO2よりも発電性能が高くなった(特に、0.5V以上の領域)。他方、30%RHにおいては、すべてのセル電圧において、Pt/Sb-SnO2の方がPt/Vulcan(登録商標)よりも電流密度が大きく、発電性能が高くなった。
図4(A)に、Pt/Sb-SnO2(実施例1~4)及びPt/Vulcan(登録商標)(比較例1)の0.86VにおけるORR質量活性(MA)を示す。図4(B)に、Pt/Sb-SnO2(実施例1~4)及びPt/Vulcan(登録商標)(比較例1)の0.86VにおけるORR面積比活性(SA)を示す。なお、図4のMA及びSAは、いずれも、図3のセル電圧にIR補正を行うことで得たIR補正後の電圧を用いて算出した。
他方、細孔径が小さすぎる場合には、今回のPt担持法では細孔内にPt粒子が入らず、細孔の外に担持される割合が多くなったために、Ptがアイオノマに被覆され、アイオノマによる被毒の抑制効果が薄れたためと考えられる。また、細孔径が大きすぎる場合には、細孔内にアイオノマが入り、Ptの一部がアイオノマに被覆され、アイオノマによる被毒の抑制効果が薄れたためと考えられる。
表2に、実施例5及び比較例2の触媒層の諸元をまとめて示す。これらの触媒層をカソードに用いたMEAの高電位サイクル耐久試験を行い、比較した。
Claims (11)
- 以下の構成を備えた触媒層。
(1)前記触媒層は、
電極触媒と、
アイオノマと
を備えている。
(2)前記電極触媒は、
多孔質の一次粒子が数珠状に融着している構造(連珠状構造)を備え、比表面積が30m2/g以上である酸化スズ系粒子と、
前記酸化スズ系粒子の表面に担持されたPt系微粒子と
を備え、
前記酸化スズ系粒子は、細孔径が1nm以上20nm以下である。 - 前記酸化スズ系粒子は、Sb、Nb、Ta、及び/又は、WがドープされたSnO2からなる請求項1に記載の触媒層。
- 前記酸化スズ系粒子は、SbがドープされたSnO2からなり、
前記Sbのドープ量は、2.5at%以上15.0at%以下である
請求項1又は2に記載の触媒層。 - 前記酸化スズ系粒子は、圧粉体の導電率が1×10-3S/cm以上である請求項1から3までのいずれか1項に記載の触媒層。
- 前記Pt系微粒子の平均粒径は、5nm以下である請求項1から4までのいずれか1項に記載の触媒層。
- 前記酸化スズ系粒子の質量(S)に対する前記アイオノマの質量(I)の比(=I/S)が0.13以上0.39以下である請求項1から5までのいずれか1項に記載の触媒層。
- 前記酸化スズ系粒子の細孔径は、5nm以上8nm以下である請求項1から6までのいずれか1項に記載の触媒層。
- 前記酸化スズ系粒子は、
SbがドープされたSnO2からなり、
比表面積が90m2/g以上であり、
細孔径が5nm以上8nm以下である
請求項1から7までのいずれか1項に記載の触媒層。 - 高湿度条件下における質量活性が90A/gPt以上である請求項1から8までのいずれか1項に記載の触媒層。
但し、「高湿度条件下における質量活性」とは、 前記触媒層を空気極に用いた固体高分子形燃料電池セルを作製し、セル温度:60℃、ガス相対湿度(両極):80%、カソードガス中の酸素分圧:21kPa、セル電圧:0.86Vの条件下で発電を行った場合における酸素還元反応の質量活性をいう。 - 低湿度条件下における質量活性が150A/gPt以上である請求項1から9までのいずれか1項に記載の触媒層。
但し、「低湿度条件下における質量活性」とは、 前記触媒層を空気極に用いた固体高分子形燃料電池セルを作製し、セル温度:82℃、ガス相対湿度(両極):30%、カソードガス中の酸素分圧:21kPa、セル電圧:0.86Vの条件下で発電を行った場合における酸素還元反応の質量活性をいう。 - 次の式(1)で表されるECSA低下率が5%以下である請求項1から10までのいずれか1項に記載の触媒層。
ECSA低下率=(ECSA0-ECSA2000)×100/ECSA0 …(1)
但し、
ECSA0は、前記触媒層を空気極に用いた固体高分子形燃料電池セルの製造直後のECSA、
ECSA2000は、前記固体高分子形燃料電池セルに対し、高電位サイクル耐久試験(1.0⇔1.5V、2000サイクル)を実施した後のECSA。
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