JPH01309262A - 電極触媒及びこれを用いた燃料電池 - Google Patents
電極触媒及びこれを用いた燃料電池Info
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- JPH01309262A JPH01309262A JP63137538A JP13753888A JPH01309262A JP H01309262 A JPH01309262 A JP H01309262A JP 63137538 A JP63137538 A JP 63137538A JP 13753888 A JP13753888 A JP 13753888A JP H01309262 A JPH01309262 A JP H01309262A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
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- H01M4/00—Electrodes
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
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Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野〕
本発明は、多元系金属触媒におt)で異種金属1uの合
金化を促進する方法に係り、特(こ燃II電池月の電極
触媒の性能向上に関する。
金化を促進する方法に係り、特(こ燃II電池月の電極
触媒の性能向上に関する。
従来の多元系金属触媒の調製法は担体粒子存在下で金属
溶液の還元を行うため、単一金属粒子と担体粒子の相互
作用が強くなり、異種金属間の合金化があまり進行して
いなかった。
溶液の還元を行うため、単一金属粒子と担体粒子の相互
作用が強くなり、異種金属間の合金化があまり進行して
いなかった。
多元系触媒において異種金属間の合金化を促進すること
の利点について説明する。例えばメタノール燃料電池の
アノード極上で進行するメタノール酸化反応において、
アノード極触媒として白金触媒を使用した時は、カルボ
ニル基又はアルデヒ、 ド基などの反応残基が活性点
である白金上を吸着被毒するため、メタノール酸化反応
はすみやかに、 進行しない。しかし白金粒子の近傍
にルテニウム粒子が存在すれば、ルテニウムの助触媒効
果により、吸着被毒した反応残基は解随分解し、反応は
すみやかに進行するようになる。そこで白金−ルi
テニウムを合金化すれば、白金原子の近傍にルテ1
ニウム原子が存在すること1ニなり、白金原子はルテニ
ウム原子の助触媒効果を受けやすくなり、メタノール燃
料電池用アノード触媒の比活性は向上すると考えられる
。
の利点について説明する。例えばメタノール燃料電池の
アノード極上で進行するメタノール酸化反応において、
アノード極触媒として白金触媒を使用した時は、カルボ
ニル基又はアルデヒ、 ド基などの反応残基が活性点
である白金上を吸着被毒するため、メタノール酸化反応
はすみやかに、 進行しない。しかし白金粒子の近傍
にルテニウム粒子が存在すれば、ルテニウムの助触媒効
果により、吸着被毒した反応残基は解随分解し、反応は
すみやかに進行するようになる。そこで白金−ルi
テニウムを合金化すれば、白金原子の近傍にルテ1
ニウム原子が存在すること1ニなり、白金原子はルテニ
ウム原子の助触媒効果を受けやすくなり、メタノール燃
料電池用アノード触媒の比活性は向上すると考えられる
。
ところで従来技術においては、多種類の金属塩溶液が担
体粒子存在下で還元されるため、異種金属が互いに溶融
し合金化する過程に担体粒子が介在するので、多種金属
の中には単独で担体粒子上に沈着し、合金化率が低下す
るという問題点があった。
体粒子存在下で還元されるため、異種金属が互いに溶融
し合金化する過程に担体粒子が介在するので、多種金属
の中には単独で担体粒子上に沈着し、合金化率が低下す
るという問題点があった。
本発明の目的は、担体粒子が存在せず、異種金属粒子の
みが存在する系において、効率良く合金化を促進し、更
に異種金属粒子をできるだけ微粒子で析出させ、合金化
を促進させることにある。
みが存在する系において、効率良く合金化を促進し、更
に異種金属粒子をできるだけ微粒子で析出させ、合金化
を促進させることにある。
本発明は多元系金属触媒を調製する際に、異種金属間の
合金化率を増大させることにより、多元系金属触媒の比
活性を向上させるものである。まず異種金属間の合金化
率を増大させるためには、異種金属粒子のみが存在する
系において、効率良く合金化を進行させること、更に触
媒調製時に分散剤を使用することにより、異種金属粒子
をできるだけ微粒子で析出させ、これを衝突、溶融させ
ることにより達成する。
合金化率を増大させることにより、多元系金属触媒の比
活性を向上させるものである。まず異種金属間の合金化
率を増大させるためには、異種金属粒子のみが存在する
系において、効率良く合金化を進行させること、更に触
媒調製時に分散剤を使用することにより、異種金属粒子
をできるだけ微粒子で析出させ、これを衝突、溶融させ
ることにより達成する。
以下に、本発明の実施例について述べるが、本発明は以
下の実施例に限定されるものではない。
下の実施例に限定されるものではない。
実施例1
本実施例は白金−ルテニウム・二元系合金コロイドの調
製法である。母液には還元剤であるホルマリンが20m
mol、中和剤である水酸化す1〜リウムが0.15
mol、分散剤が金属重量に対して2倍〜20倍、3
00m1の水に溶解しである。滴下液には、塩化白金酸
が1.5mmol、塩化ルテニウムが1.5 mmo
l、ホルマリンが20mmol、300m1の水に溶解
しである。
製法である。母液には還元剤であるホルマリンが20m
mol、中和剤である水酸化す1〜リウムが0.15
mol、分散剤が金属重量に対して2倍〜20倍、3
00m1の水に溶解しである。滴下液には、塩化白金酸
が1.5mmol、塩化ルテニウムが1.5 mmo
l、ホルマリンが20mmol、300m1の水に溶解
しである。
母液を温度:30℃〜80℃に保ち1滴下速度:1 m
l / m i n−1m l / m i nで滴
下液を滴下していく。以上のように調製した白金−ルテ
ニウム合金を炭素基板上に塗布し、この様にして作製し
た電極によるメタノール酸化反応の触媒比活性を求めた
結果について説明する。
l / m i n−1m l / m i nで滴
下液を滴下していく。以上のように調製した白金−ルテ
ニウム合金を炭素基板上に塗布し、この様にして作製し
た電極によるメタノール酸化反応の触媒比活性を求めた
結果について説明する。
触媒比活性は電気化学的水素脱着量から求めた表面積に
対する一定電位において取り出し得る電流密度で表わし
た。電気化学的水素脱着量がら求めた表面積は電解液に
接する白金の表面積を測定することに対応しており、サ
イクリック・ポルタムメトリー測定において観測される
0、2 vvs。
対する一定電位において取り出し得る電流密度で表わし
た。電気化学的水素脱着量がら求めた表面積は電解液に
接する白金の表面積を測定することに対応しており、サ
イクリック・ポルタムメトリー測定において観測される
0、2 vvs。
N HE付近に見られるピーク面積より、電気化学的水
素脱着量を計算することにより求めた。
素脱着量を計算することにより求めた。
白金格子定数の変化とは白金と他の金属との間の合金化
率の度合を示すパラメータである。白金格子定数の変化
はX線回折測定結果より算出した。
率の度合を示すパラメータである。白金格子定数の変化
はX線回折測定結果より算出した。
白金−ルテニウム・二元系触媒の白金(111)面のピ
ーク位置は白金のみの場合と比較すると高角度側ヘシフ
トしており、この正確なピーク位置は内部標1■である
a−AQzOaの20 :37.782°に出現するピ
ークを基準として求めた。このピーク位置とブラッグの
式より白金(111)面の格子定数を算出した。この値
とASTMカードより求めた白金(111)面の格子定
数を値との差より、白金(111)面・格子定数の変化
を求めた。白金粒子径はX線回折測定結果より算出した
。2θ:40°付近に見られるピークが白金(111)
面のピークであり、このピークの半値幅とシェラ−の式
から白金粒子径を算出した。
ーク位置は白金のみの場合と比較すると高角度側ヘシフ
トしており、この正確なピーク位置は内部標1■である
a−AQzOaの20 :37.782°に出現するピ
ークを基準として求めた。このピーク位置とブラッグの
式より白金(111)面の格子定数を算出した。この値
とASTMカードより求めた白金(111)面の格子定
数を値との差より、白金(111)面・格子定数の変化
を求めた。白金粒子径はX線回折測定結果より算出した
。2θ:40°付近に見られるピークが白金(111)
面のピークであり、このピークの半値幅とシェラ−の式
から白金粒子径を算出した。
第1図に白金−ルテニウム・二元系触媒の白金格子定数
の変化と触媒比活性の関係を示す。図かられかるように
白金格子定数の変化と触媒比活性の間には若干のばらつ
きはあるものの、直線的相関性がある。以上のことより
白金格子定数の変化が大きい触媒、つまり白金−ルテニ
ウムの合金化率が大きい触媒はど、触媒のメタノール酸
化活性が高いと言える。白金とルテニウムが合金化する
ことは白金原子の近傍にルテニウム原子が存在すること
であり、この結果、白金原子はルテニウム原子の助触媒
効果を受けやすくなり、メタノール酸化反応の活性点で
ある白金原子上に吸着した反応残基の解離が容易になり
、メタノール酸化活性が増大すると考えられる。第1図
において白丸で示すのが本報告で調製した触媒、黒丸で
示すのが従来触媒に寄属するものである。本発明で調製
した触媒で最も触媒比活性が高いものは1.5(mA/
crj / m / g )でこれは従来触媒の2倍
以上に及んでいる。
の変化と触媒比活性の関係を示す。図かられかるように
白金格子定数の変化と触媒比活性の間には若干のばらつ
きはあるものの、直線的相関性がある。以上のことより
白金格子定数の変化が大きい触媒、つまり白金−ルテニ
ウムの合金化率が大きい触媒はど、触媒のメタノール酸
化活性が高いと言える。白金とルテニウムが合金化する
ことは白金原子の近傍にルテニウム原子が存在すること
であり、この結果、白金原子はルテニウム原子の助触媒
効果を受けやすくなり、メタノール酸化反応の活性点で
ある白金原子上に吸着した反応残基の解離が容易になり
、メタノール酸化活性が増大すると考えられる。第1図
において白丸で示すのが本報告で調製した触媒、黒丸で
示すのが従来触媒に寄属するものである。本発明で調製
した触媒で最も触媒比活性が高いものは1.5(mA/
crj / m / g )でこれは従来触媒の2倍
以上に及んでいる。
第2図に白金−ルテニウム・二元系触媒の白金格子定数
の変化と電流密度:60mA/cJ放電時のメタノール
極電位の関係を示す。図に示すように白金単独触媒の白
金格子定数の変化は、0人でこの時の電流密度:60m
A/cJ放電時のメタノール極電位は0.6 Vvs
、NHEと非常に悪い値であるが、白金とルテニウムが
合金化していき、白金格子定数の変化が−0,03程度
度をすぎると、メタノール極電位は急激に低下し、白金
格子定数の変化が−0,03人から−0,1人までの範
囲の間では、メタノール極電位は0.45Vから0.4
0Vの範囲の値である。以上のように白金−ルテニウム
・二元系触媒がルテニウムの助触媒効果により白金単独
触媒より非常に高いメタノール酸化活性を発揮するのは
、白金格子定数の変化が−0,035人から−0,1人
までの範囲にあると推定される。
の変化と電流密度:60mA/cJ放電時のメタノール
極電位の関係を示す。図に示すように白金単独触媒の白
金格子定数の変化は、0人でこの時の電流密度:60m
A/cJ放電時のメタノール極電位は0.6 Vvs
、NHEと非常に悪い値であるが、白金とルテニウムが
合金化していき、白金格子定数の変化が−0,03程度
度をすぎると、メタノール極電位は急激に低下し、白金
格子定数の変化が−0,03人から−0,1人までの範
囲の間では、メタノール極電位は0.45Vから0.4
0Vの範囲の値である。以上のように白金−ルテニウム
・二元系触媒がルテニウムの助触媒効果により白金単独
触媒より非常に高いメタノール酸化活性を発揮するのは
、白金格子定数の変化が−0,035人から−0,1人
までの範囲にあると推定される。
第3図には各調製法による触媒における白金粒子径と白
金格子定数の変化の関係を示す。第3図かられかるよう
に白金格子定数の変化は調製法により−0,02人から
−0,10人まで大きく変化しており、特に微粒子が形
成できる本発明における調製法においては、白金粒子を
15人程度まで微粒子化ができており、白金格子定数の
変化は−0,10人までに達している。以上のことより
、白金粒子が微粒子状態で析出する程、白金格子定数の
変化は大きく、白金とルテニウムの合金化が進行してい
ることがわかる。
金格子定数の変化の関係を示す。第3図かられかるよう
に白金格子定数の変化は調製法により−0,02人から
−0,10人まで大きく変化しており、特に微粒子が形
成できる本発明における調製法においては、白金粒子を
15人程度まで微粒子化ができており、白金格子定数の
変化は−0,10人までに達している。以上のことより
、白金粒子が微粒子状態で析出する程、白金格子定数の
変化は大きく、白金とルテニウムの合金化が進行してい
ることがわかる。
実施例2
本実施例は実施例1で説明した白金−ルテニウム合金コ
ロイドを硝酸添加により担体上に高分散させる方法を示
す。実施例1において調製した白金格子定数の変化が大
きな白金−ルテニウム合金コロイド溶液を2.5gのフ
ァーネス・ブラック系カーボン担体を水: 500m1
に浸し、60°Cに保温したものに対して、滴下速度:
10m1/m i nで滴下する。コロイド溶液:60
0m1を滴下した後、これに硝酸:26mmolを加え
、60℃−1時間熟成すれば、コロイド溶液中の白金−
ルテニウム合金はカーボン担体上に高分散し、沈着する
。この時の白金担持量は10wし%である。
ロイドを硝酸添加により担体上に高分散させる方法を示
す。実施例1において調製した白金格子定数の変化が大
きな白金−ルテニウム合金コロイド溶液を2.5gのフ
ァーネス・ブラック系カーボン担体を水: 500m1
に浸し、60°Cに保温したものに対して、滴下速度:
10m1/m i nで滴下する。コロイド溶液:60
0m1を滴下した後、これに硝酸:26mmolを加え
、60℃−1時間熟成すれば、コロイド溶液中の白金−
ルテニウム合金はカーボン担体上に高分散し、沈着する
。この時の白金担持量は10wし%である。
従来法出合−ルテニウム触媒の調製法は還元剤が含まれ
た担体水溶液に金属溶液を滴下し、担体存在下で合金コ
ロイドを作製し担持する方法である。この触媒調製法に
おいては分散剤を使用していない。本発明によれば合金
化した金属粒子は25Å以下の超微粒子であり、これが
担体上に高分散していた。従来法により調製した触媒に
おいては、金属粒子が担体上に高分散できず、金属粒子
同志が凝集していた。本発明による触媒のサイクリック
ポルタムグラムにより求めた白金比表面積はLoom/
gであり、このように高表面積を発現するのは超微粒子
である合金粒子が担体上に高分散されているためと考え
られる。従来法による触媒の白金比表面積は44 m
/ gであり、合金粒子が凝集しているため本発明に比
べて白金比表面積は半分以下に低下している。本発明に
よる向合−ルテニウム触媒をメタノール燃料電池用アノ
ード触媒として用いた時のメタノール酸化活性は電流密
度:60mA/aJ放常時に0.43Vvs。
た担体水溶液に金属溶液を滴下し、担体存在下で合金コ
ロイドを作製し担持する方法である。この触媒調製法に
おいては分散剤を使用していない。本発明によれば合金
化した金属粒子は25Å以下の超微粒子であり、これが
担体上に高分散していた。従来法により調製した触媒に
おいては、金属粒子が担体上に高分散できず、金属粒子
同志が凝集していた。本発明による触媒のサイクリック
ポルタムグラムにより求めた白金比表面積はLoom/
gであり、このように高表面積を発現するのは超微粒子
である合金粒子が担体上に高分散されているためと考え
られる。従来法による触媒の白金比表面積は44 m
/ gであり、合金粒子が凝集しているため本発明に比
べて白金比表面積は半分以下に低下している。本発明に
よる向合−ルテニウム触媒をメタノール燃料電池用アノ
ード触媒として用いた時のメタノール酸化活性は電流密
度:60mA/aJ放常時に0.43Vvs。
N HE、従来法による触媒のメタノール酸化活性は電
流密度:60mA/cnT放電時にQ、45V−s。
流密度:60mA/cnT放電時にQ、45V−s。
N HEである。このように本発明の触媒においてはメ
タノール酸化活性は従来法触媒に比へ向」二しているこ
とがわかる。以上まとめてみると本発明によるメタノー
ル極触媒中の金属粒子は25Å以下の超微粒子で、かつ
合金化が進行しており、触媒比活性は従来触媒の2倍以
上に及んでいる。このような触媒比活性が高い合金を炭
素担体上に担持したものは分散性が良く、1 rn g
−白金/ adの低白金量で60mA/aK放電時、0
.4−3 Vvs。
タノール酸化活性は従来法触媒に比へ向」二しているこ
とがわかる。以上まとめてみると本発明によるメタノー
ル極触媒中の金属粒子は25Å以下の超微粒子で、かつ
合金化が進行しており、触媒比活性は従来触媒の2倍以
上に及んでいる。このような触媒比活性が高い合金を炭
素担体上に担持したものは分散性が良く、1 rn g
−白金/ adの低白金量で60mA/aK放電時、0
.4−3 Vvs。
N HEのメタノール極電位を示した。
実施例3
本実施例では実施例2と関連した硝酸塩の添加により、
白金−ルテニウム合金コロイドを担体上に高分散させる
方法について説明する。第4図に示すのは硝酸ナトリウ
ムを実施例1で述べた方法で調製したコロイド溶液に0
.15mol/l濃度になるように加えた時の担体に沈
着するコロイド粒子の割合の経時的変化を調べたもので
ある。
白金−ルテニウム合金コロイドを担体上に高分散させる
方法について説明する。第4図に示すのは硝酸ナトリウ
ムを実施例1で述べた方法で調製したコロイド溶液に0
.15mol/l濃度になるように加えた時の担体に沈
着するコロイド粒子の割合の経時的変化を調べたもので
ある。
図に示すように60℃で反応を行なったものは。
時間とともに担体に沈着するコロイド粒子の割合は増加
していき、反応時間二60分でコロイド溶液中の70%
のコロイド粒子が担体に沈着している。これに対して室
温で反応を行なったものは。
していき、反応時間二60分でコロイド溶液中の70%
のコロイド粒子が担体に沈着している。これに対して室
温で反応を行なったものは。
反応時間が60分経過しても、コロイド粒子は担体にほ
とんど沈着していない。以上のことより、硝酸塩を添加
することによりコロイド粒子が担体上に沈着するのは、
硝酸イオンが分離剤を酸化分解し、その結果分散剤の金
属粒子に対する保護能力が適度に弱まり、コロイド粒子
が担体上に沈着すると考えられる。
とんど沈着していない。以上のことより、硝酸塩を添加
することによりコロイド粒子が担体上に沈着するのは、
硝酸イオンが分離剤を酸化分解し、その結果分散剤の金
属粒子に対する保護能力が適度に弱まり、コロイド粒子
が担体上に沈着すると考えられる。
〔発明の効果〕
本発明によれば異種金属間の合金化率を増大することが
でき、その結果、白金−ルテニウム間の相互作用が増大
し、触媒比活性が増大するという効果がある。
でき、その結果、白金−ルテニウム間の相互作用が増大
し、触媒比活性が増大するという効果がある。
第1図は本発明の実施例1で述べた従来法及び保護コロ
イド法により調製した触媒を用い作製した電極のメタノ
ール酸化反応における触媒比活性と白金格子定数の変化
の関係、第2図は白金−ルテニウム・二元系触媒の白金
格子定数の変化と電流密度:60mA/cJ放電時のメ
タノール極電位の関係、第3図は白金−ルテニウム・二
元系触媒の白金粒子径と白金格子定数の変化の関係、第
4図は実施例3で述べた担体に沈着したコロイド粒子の
割合の経時的変化を示す。 1は保護コロイド法により調製した触媒の白金格子定数
の変化とメタノール酸化反応における触媒比活性の関係
、2は従来法により調製した触媒の白金格子定数の変化
とメタノール酸化反応における触媒比活性の関係、3は
保護コロイド法により調製した触媒の白金粒子径と白金
格子定数の変化の関係、4は従来法により調製した触媒
の白金粒子径と白金格子定数の変化の関係、5は反応温
度:60℃時の担体に沈着したコロイド粒子の割合の経
時変化、6は反応温度:25℃時の担体に沈着したコロ
イド粒子の割合の経時変化を、示している。 第1 図 白1L羊6例乎林θ妾イ乙0.) 第30 白塗鴫1H蚤〆ジ
イド法により調製した触媒を用い作製した電極のメタノ
ール酸化反応における触媒比活性と白金格子定数の変化
の関係、第2図は白金−ルテニウム・二元系触媒の白金
格子定数の変化と電流密度:60mA/cJ放電時のメ
タノール極電位の関係、第3図は白金−ルテニウム・二
元系触媒の白金粒子径と白金格子定数の変化の関係、第
4図は実施例3で述べた担体に沈着したコロイド粒子の
割合の経時的変化を示す。 1は保護コロイド法により調製した触媒の白金格子定数
の変化とメタノール酸化反応における触媒比活性の関係
、2は従来法により調製した触媒の白金格子定数の変化
とメタノール酸化反応における触媒比活性の関係、3は
保護コロイド法により調製した触媒の白金粒子径と白金
格子定数の変化の関係、4は従来法により調製した触媒
の白金粒子径と白金格子定数の変化の関係、5は反応温
度:60℃時の担体に沈着したコロイド粒子の割合の経
時変化、6は反応温度:25℃時の担体に沈着したコロ
イド粒子の割合の経時変化を、示している。 第1 図 白1L羊6例乎林θ妾イ乙0.) 第30 白塗鴫1H蚤〆ジ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、白金を主成分とする多元系触媒において、白金単結
晶の格子定数と比較して該触媒の格子定数の値が0.0
35Åから0.1Åの範囲であることを特徴とする電極
触媒。 2、特許請求の範囲第1項において、前記白金を主成分
とする多元系触媒の活性点が超微粒子な合金であること
を特徴とする電極触媒。 3、特許請求の範囲第1項において、白金粒子を超微粒
子状態で析出させたことを特徴とする電極触媒。 4、特許請求の範囲第1項記載の電極触媒を用いた燃料
電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63137538A JPH01309262A (ja) | 1988-06-06 | 1988-06-06 | 電極触媒及びこれを用いた燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63137538A JPH01309262A (ja) | 1988-06-06 | 1988-06-06 | 電極触媒及びこれを用いた燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01309262A true JPH01309262A (ja) | 1989-12-13 |
Family
ID=15201029
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63137538A Pending JPH01309262A (ja) | 1988-06-06 | 1988-06-06 | 電極触媒及びこれを用いた燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01309262A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002222655A (ja) * | 2001-01-24 | 2002-08-09 | Ishifuku Metal Ind Co Ltd | 燃料電池用カソード触媒 |
JP2007180038A (ja) * | 1995-04-05 | 2007-07-12 | Johnson Matthey Plc | 改良された電極 |
-
1988
- 1988-06-06 JP JP63137538A patent/JPH01309262A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007180038A (ja) * | 1995-04-05 | 2007-07-12 | Johnson Matthey Plc | 改良された電極 |
JP2002222655A (ja) * | 2001-01-24 | 2002-08-09 | Ishifuku Metal Ind Co Ltd | 燃料電池用カソード触媒 |
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