JPS63287553A - メタノール系燃料電池用の高活性触媒粉末とこれを用いた高活性電極の製造方法 - Google Patents
メタノール系燃料電池用の高活性触媒粉末とこれを用いた高活性電極の製造方法Info
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
(産業上の利用分野)
本発明は、作製法が極めて簡単な高活性触媒粉末とこれ
を用いて作製した燃料電池用高活性電極に関するもので
ある。 (従来の技術) 従来より、メタノール、ホルムアルデヒド及び蟻酸など
、メタノールとその誘導体を用いるメタノール空気燃料
電池には、電極として、メタノールとその誘導体の酸化
に対する活性が余り高くないことから、主として白金担
持カーボンが用いられている。しかし、高価であるほか
、必ずしもその性能が高いとは云い難いため、安価で高
活性な触媒が求められている。 これに対し、本発明者の1人は、Ni−Ta−白金族元
素を必須成分とするアモルファス合金電極材料を水溶液
電解における酸素ガス発生用電極材料としたものを先に
提案した(特願昭60−123111号)。 また、本発明者らの3人は、Ti、Zr、Nb及びTa
のいずれか1種又は2種以上とNi及び白金族元素を含
む溶液電解の電極用表面活性化アモルファス合金及びそ
の活性化処理方法を先に提案しく特願昭60−1697
64号、同60−169765号及び同60−1697
67号)、同様に溶液電解用の電極用表面活性化過飽和
固溶体合金及びその活性化処理方法も提案した(特願昭
60−169766号)。 更に、本発明者らは、メタノール系燃料電池用表面活性
化アモルファス合金を見い出し、先に提案した(特願昭
61−154570号)。 (発明が解決しようとする問題点) しかし乍ら、これらの材料の場合、液体急冷によって作
製するアモルファス合金は、急冷しなければならないこ
とから厚さが通常数10μ鳳しかなく、表面が如何に高
活性であっても、集電体として働く金属が薄く、電気抵
抗が高くなるため、リボン状金属は燃料電池の電極とし
てはその形状が必ずしも適切ではない。むしろ、厚さが
数100μmはある集電体に高活性な粉末状触媒を被覆
して電極を作製する方が望ましい。 本発明は、かNる要請に応えるべくなされたものであっ
て、例えば、メタノール及びその誘導体を燃料とする燃
料電池の燃料電極及び空気極として用いた場合、極めて
高活性で製造が容易な触媒粉末を提供し、またこれを用
いた高活性電極を提供することを目的とするものである
。 (問題点を解決するための手段) 通常1合金は固体状態では結晶化しているが。 合金組成を限定して溶融状態から超急冷凝固させるなど
、固体形成の過程で原子配列に長周期的規則性を形成さ
せない方法を適用すると、結晶構造を持たず、液体に類
似したアモルファス(非晶質)構造が得られ、このよう
な合金をアモルファス合金と云う、アモルファス合金は
、多くは過飽和固溶体の均一な単相合金であって、従来
の実用金属に比べて著しく高い強度を保有し、且つ組成
に応じて異常に高い耐食性をはじめとする種々の特性を
示す、また、アモルファス合金が得られない組成であっ
ても、超急冷凝固によって作製した合金は、固溶限が拡
大した過飽和固溶体であって、アモルファス合金に準じ
た優れた特性を備えることができる。 一方、メタノールの電解酸化は、アルカリ性環境では電
極が容易に失活するため、硫酸などの強酸の環境で行う
ことが望ましいが、強酸に耐える高耐食性を高触媒活性
と共に合せて持つ触媒が必要とされる。 これに関連して、本発明者らは、水溶液電解において高
い電極触媒活性と高耐食性を備えた金属材料を得ること
を目的として、過飽和固溶体単相合金であるというアモ
ルファス合金の特性を活用し、少量の白金族金属を含む
所定の組成のアモルファス合金或いは過飽和固溶体合金
を作製し、更にこれにアモルファス合金或いは過飽和固
溶体合金が均一性が極めて高いという特性を活用して活
性化処理を施すことにより、高活性、高耐食性の水溶液
電解用電極材料を見い出した。これらは、前述のとおり
、水溶液電解における酸素発生電極材料として提案しく
特願昭60−123111号)。 また塩化ナトリウム水溶液の電解における塩素発生電極
材料として提案した(特願昭60−169764号、同
60−169765号、同60−169766号、同6
0−169767号)。 更に、本発明者らは、アモルファス合金の特性を活用し
てメタノールの電解酸化に有効な電極材料を得る目的で
研究を行った結果、Ni及びCOの少なくとも1種と、
Ti、Zr、Nb及びTaの各バルブメタルとからなる
アモルファス金属−金属合金に少量のptを加え、更に
必要に応じてPtの作用を助けるpt以外の白金族元素
及びTi、 Si1、Ge、Sn、Pb及びBiを添加
したアモルファス合金にフッ化水素酸浸漬処理を施すと
、メタノールの電解酸化に高活性な金属電極が得られる
ことを見い出し、提案した(特願昭61−154570
号)。 しかし乍ら、前述のように、液体急冷によって作製する
アモルファス合金は急冷しなければならないことから厚
さが数10μm程度にしかならず、これでは如何に高活
性であっても集電体として働く金属が薄すぎ、電気抵抗
が高くなる。 したがって、本発明者らは、集電体にはもっと厚い誘電
体を用い、且つこれに高活性触媒粉末を被覆して用いる
ことを目的として、前記アモルファス合金から作られる
活性な表面触媒相を粉末として得ることを試みた。その
結果、表面活性化に用いたフッ化水素酸浸漬処理におい
て、 Ni、 C。 及びバルブメタルの優先溶解に伴う水素の発生が終了す
るまで浸漬処理を継続することにより、活性な触媒相が
粉末として得られることを見い出した。更に、この触媒
粉末を炭素粉末と共に炭素紙上に疎水性フッ素樹脂を用
いて被覆することにより、メタノール−空気燃料電池用
電極として極めて高活性な電極が得られることを見い出
し、ここに本発明をなしたものである。 すなわち、本発明に係る高活性触媒粉末は、Ti、Zr
、Nb及びTaの各バルブメタルのうちの少なくとも1
種と、Ru、Rh、Pd、Ir及びPtの各白金族元素
のうちの少なくとも1種とを含み。 残部が実質的にNi及びCoのうちの少なくとも1種か
らなるアモルファス合金であって、これをフッ素水素酸
に浸漬して該バルブメタル並びにN1及びGoの優先溶
解を水素の発生が終了するまで行うことにより白金族元
素を濃縮せしめた粉末からなることを特徴とするもので
ある。なお、これには、必要に応じて、触媒活性に有効
な元素を少量添加することができる。 また、本発明に係る高活性電極は、上記高活性触媒粉末
と、炭素粉末と、疎水性フッ素樹脂との混合物を導電性
基盤に塗布し、加熱焼成してなることを特徴とするもの
である。 以下に本発明を更に詳細に説明する。 元来、特定の電気化学反応に対する選択的電極触媒活性
とその反応条件に耐える高耐食性を金属電極に付与する
ためには、有効元素を必要量含む合金を作る必要がある
。しかし、通常の方法で作られた結晶質金属の場合には
、多種多量の合金元素を添加すると、しばしば、化学的
性質の異なる多相構造となることが多い。 これに対し、本発明におけるアモルファス合金は、構成
元素が局在することを許さないように迅速に固相を形成
すること(急冷凝固)を作製原理とするため、優れた耐
食性を有している。 このアモルファス合金に活性化処理(フッ素水素酸浸漬
)を施すと、電極活性にあまり有効でない元素が溶解し
て粉末状化し、電極触媒能に富んだ白金族元素が濃縮し
た高活性触媒粉末が得られるのである。この場合、アモ
ルファス合金が均一な固溶体であるため、合金中に均一
に分布した白金族元素がカソードとして働き、白金族元
素上で水素発生が盛んに起こる。この水費発生が電極活
性にあまり有効でない元素(すなわち、バルブメタル及
びNi、 Co)の溶解を保証するため、白金族元素が
均一に固溶した過飽和固溶体のアモルファス合金では、
電極活性にあまり有効でない元素の溶解が均−且つ迅速
に起こり、したがって、電極活性に有効な白金族元素の
濃縮した高活性触媒粉末が均−且つ迅速に得られる。更
にこれを導電体の上に被覆すると高活性電極が得られる
。 次に、上記高活性触媒粉末並びに高活性電極の製造法の
一例を説明する。 まず、出発材料は、前述の成分を必須とするアモルファ
ス合金であって、単ロール法等の周知の急冷凝固方法に
より得られたリボン状のアモルファス合金を用いる。ア
モルファス合金の具体的な組成は、前述の本発明者らが
提案した組成のものがあり、以下に例示する。勿論、こ
れのみに制限されることはない。 (1)特願昭60−123111号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ Taと、Ru、 Rh、 Pd、Ir、Ptの第
1群の内から選ばれた1種又は2種以上の元素と、残部
が実質的にNiとからなり、前記Taが25〜65at
%、前記第1群から選ばれた元素が0.3〜45at%
、及び前記Niが30at%以上の組成を有するアモル
ファス合金。 ■ Taと、Ru、 Rd、Ir、Ptの第1群の内か
ら選ばれた1種又は2種以上の元素と、Ti、Zr、N
bの第1群内から選ばれた1種又は2種以上の元素と、
残部が実質的にNiとからなり、前記Taが20at%
以上であって、これと前記第1群から選ばれた元素が0
.3〜45at%、及び前記Niが30at%以上の組
成を有するアモルファス合金。 (2)特願昭60−169754号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ Nbが25〜65at%と、Ru、 Rh、 Pd
、Ir及びPtの群から選ばれた1種又は2種以上の元
素を0.01〜10at%含み、残部は実質的にNiよ
りなるアモルファス合金。 ■ Ti、Zr及び20at%未満のTaとの3種の金
属の群から選ばれた1種又は2種以上と10at%以上
のNbとの合計で25〜65at%を含み、更に、Ru
、Rh、Pd、Ir及びPtの群から選ばれた1種又は
2種以上の元素を0.01〜10at%含み、残部は実
質的にNiよりなるアモルファス合金。 ■ Nbが25〜65at%と、Ru、 Rh、 Pd
。 Ir及びPtの群から選ばれた1種又は2種以上の元素
が0.01〜1Oat%と、7at%以下のPを含み、
残部は実質的にNiよりなるアモルファス合金。 ■ Ti、Zr及び20at%未満のTaとの3種の金
属の群から選ばれた1種又は2種以上と10at%以上
のNbとの合計で25〜65at%を含み、更にRu、
Rh、 Pd、Ir及びPtの群から選ばれた1種又
は2種以上の元素0.01〜10at%と7at%以下
のPを含み、残部は実質的にNiよりなるアモルファス
合金。 (3)特願昭60−169765号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ 25〜65at%のTaを含み、Ru、 Rh、p
b、Ir及びPtの群から選ばれた1種又は2種以上の
元素が0.01〜10at%と、7at%以下のPを含
み、残部が実質的に20at%以上のNiよりなり、合
計を100at%とするアモルファス合金。 ■ 20at%以上のTaを含み、Ti、 Zr、 N
bの群から選ばれた1種又は2種以上の元素とTaとの
合計が25〜65at%であって、Ru、 Rh、Pd
、Ir及びPtの群から選ばれた1種又は2種以上の元
素0.01〜10at%と7at%以下のPを含み、残
部が実質的に20at%以上のNiからなり、合計を1
ooat%とするアモルファス合金。 (4)特願昭60−169767号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ 5at%以上20at%未満のTaを含み、Ti及
びZrのいずれか1種又は2種とTaとの合計が25〜
65at%であって、Ru、Rh、Pd、Ir及びPt
のいずれか1種又は2種以上の元素を0.01〜10a
t%含み、残部が実質的にNiからなるアモルファス合
金。 ■ 5at%以上20at%未満のTaを含み、Ti及
びZrのいずれか1種又は2種とTaとの合計が25〜
65at%であって、Ru、 Rh、 Pd、Ir及び
Ptのいずれか1種又は2種以上の元素を0.01〜1
0at%と7at%以下のPを含み、残部が実質的に2
0at%以上のNiからなり、合計を100at%とす
るアモルファス合金。 (5)特願昭60−169766号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ Nb及びTaの1種又は2種を20at%以上25
at%未満含み、Ru%Rh、 Pd、工r及びPtの
群から選ばれた1種又は2種以上の元素を0゜01〜1
0at%含み、残部が実質的にNiからなるアモルファ
ス合金。 ■ Nb及びTaの1種又は2種を20at%以上25
at%未満含み、Ru、Rh、 Pd、Ir及びPtの
群から選ばれた1種又は2種以上の元素を0゜01〜1
0at%と7at%以下のPを含み、残部が実質的にN
iからなるアモルファス合金。 ■ Nb及びTaの1種又は2種を5at%以上含み、
Ta及びZrの1種又は2種を、前記Nb及びTaの1
種又は2種との合計が20at%以上25at%未満で
含み、Ru、Rh、Pd、Ir及びPtの群から選ばれ
た1種又は2種以上を0.01〜10at%含み、残部
が実質的にNiからなるアモルファス合金。 ■ Nb及びTaの1種又は2種を5at%以上含み、
Ti及びZrの1種又は2種を、前記Nb及びTaの1
種又は2種の合計が20at%以上25at%未満で含
み、Ru、Rh、Pd、Ir及びPtの群から選ばれた
1種又は2種以上の0.01〜10at%と7at%以
下のPを含み、残部が実質的にNiからなるアモルファ
ス合金骨 (6)特願昭61−154570号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ Pt0 、5〜20at%と、Ti及びZrの1種
又は2種20〜80at%を含み、残部が実質的にNi
及びCoの1種又は2種10at%以上からなるアモル
ファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%と、Ti及びZrの1種又
は2種20〜80at%を含み、 Ru、 Rh、 P
d、Ir、Ti、Si、Ge、Sn、Pb及びBiより
なる群から選ばれる1種又は2種以上を10at%以下
(但し、PtlOat%以下のときは、at%でptと
同量以下)、残部が実質的にNi及びCoの1種又は2
種10at%以上からなるアモルファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%と、Nb及びTaの1種又
は2種20〜70at%を含み、残部が実質的にNi及
びGoの1種又は2種からなるアモルファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%、Nb及びTaの1種又は
2種20〜70at%、Ru、 Rh、 Pt、Ir、
Ti、 Si、Ge、Sn、Pb及びB1よりなる群か
ら選ばれる1種又は2種以上10at%以下(但し、p
t10at%以下のときは、at%でptと同量以下)
、残部が実質的にNi及びCoの1種又は2種10at
%以上からなるアモルファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%、Nb及びTaの1種又は
2種70at%以下とTi及びZrの1種又は2種との
合計量20〜80at%(上記Nb及びTaの1種又は
2種の量を含む、)、残部が実質的にNi及びCoの1
種又は2種10at%以上からなるアモルファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%、Nb及びTaの1種又は
2種70at%以下とTi及びZrの1種又は2種との
合計量20〜80at%(上記Nb及びTaの1種又は
2種の量を含む。)、 Ru、 Rh、 Pd、Ir、
Ti、Si、Ge、Sn、Pb及びBiよりなる群から
選ばれる1種又は2種以上10at%以下(但し、Pt
lOat%以下のときは、at%でptと同量以下)で
、残部が実質的にNi及びCoの1種又は2種10at
%以上からなるアモルファス合金。 かくして得られたリボン状のアモルファス合金は、フッ
化水素酸に浸漬して処理され、粉末化される。その際、
浸漬後、電極活性に有効でないバルクメタル並びにNi
及びCoが優先溶解することにより生じる水素が発生し
終わるまで浸漬処理することが必要である。これにより
、該アモルファス合金は粉末化し、電極活性に有効な白
金族元素が濃縮された均一で高活性な触媒粉末が迅速に
得られる。 得られた高活性触媒粉末は、種々の用途に利用できるが
、高活性電極に利用する場合には、これに炭素粉末と疎
水性フッ素樹脂を混合し、導電性基板上に塗布し、加熱
焼成すれば、高活性電極が得られる。 (実施例) 次に、本発明の一実施例を示す。 大胤旌よ 市販のNi、Nb、Pt、Ruを所定量秤量し、アルゴ
ン雰囲気中で高周波溶解して結晶質合金を作製した0次
いで、この母合金をアルゴン雰囲気中の単ロール法を用
いて再溶融急冷して1幅0.5〜1m臘、厚さ10〜4
0μmのリボン状でNi−40at%Nb−1,Oat
%Ru−2,Oat%Ptの組成のアモルファス合金を
得た。 このリボン状アモルファス合金を市販の46%6%フッ
素酸水溶液に水素の発生が終了するまで浸漬した。その
結果、アモルファス合金リボンは黒色の粉末となった。 得られた粉末を水洗、吸引源化し、真空デシケータ−の
内で乾燥し、高活性触媒粉末を得た。透過電子顕微鏡に
よる観察で高活性触媒粉末の粒径は1〜3n+sであっ
た。 次に、この高活性触媒粉末と炭素粉末の総和の3/10
の割合のPTFEを加え練り合せた。このようにして得
られたペースト状混合物を厚さ0゜5Hの炭素紙に塗布
し、窒素気流中にて300℃で30分間焼成し、高活性
電極を得た。 このようにして作製した高活性電極を用い、30’C(
7)LM CH,OHを含む0.5M H,So4水溶
液中でメタノールの電解酸化を行った。また、比較のた
め、白金黒と炭素粉末から作製した同様の電極を用い、
メタノールの酸化活性を調べた。 その結果1本発明の高活性電極のメタノールの酸化に対
する電極触媒活性は、白金黒電極に比べて、著しく高く
1例えば、0.4v(SCE)におけるメタノール酸化
の電流密度は9.7 X 10”A/m”であって、白
金黒の酸化電流密度の約3倍であった。したがって、本
発明の高活性触媒粉末を用いて作製した高活性電極は、
メタノールの電解酸化に対して著しく高い活性を備えて
いることが確認された。 失胤舅又 第1表に示す組成(原子%)のアモルファス合金から実
施例1と同様にして作製した種々の高活性触媒粉末を用
い、実施例1と同様な方法で高活性電極を作製した。こ
の高活性電極のメタノール酸化の触媒活性を第1表に併
記する。同表より、本発明の高活性電極はいずれもメタ
ノールの電解酸化に対して著しく高い活性を備えている
ことが明らかである。
を用いて作製した燃料電池用高活性電極に関するもので
ある。 (従来の技術) 従来より、メタノール、ホルムアルデヒド及び蟻酸など
、メタノールとその誘導体を用いるメタノール空気燃料
電池には、電極として、メタノールとその誘導体の酸化
に対する活性が余り高くないことから、主として白金担
持カーボンが用いられている。しかし、高価であるほか
、必ずしもその性能が高いとは云い難いため、安価で高
活性な触媒が求められている。 これに対し、本発明者の1人は、Ni−Ta−白金族元
素を必須成分とするアモルファス合金電極材料を水溶液
電解における酸素ガス発生用電極材料としたものを先に
提案した(特願昭60−123111号)。 また、本発明者らの3人は、Ti、Zr、Nb及びTa
のいずれか1種又は2種以上とNi及び白金族元素を含
む溶液電解の電極用表面活性化アモルファス合金及びそ
の活性化処理方法を先に提案しく特願昭60−1697
64号、同60−169765号及び同60−1697
67号)、同様に溶液電解用の電極用表面活性化過飽和
固溶体合金及びその活性化処理方法も提案した(特願昭
60−169766号)。 更に、本発明者らは、メタノール系燃料電池用表面活性
化アモルファス合金を見い出し、先に提案した(特願昭
61−154570号)。 (発明が解決しようとする問題点) しかし乍ら、これらの材料の場合、液体急冷によって作
製するアモルファス合金は、急冷しなければならないこ
とから厚さが通常数10μ鳳しかなく、表面が如何に高
活性であっても、集電体として働く金属が薄く、電気抵
抗が高くなるため、リボン状金属は燃料電池の電極とし
てはその形状が必ずしも適切ではない。むしろ、厚さが
数100μmはある集電体に高活性な粉末状触媒を被覆
して電極を作製する方が望ましい。 本発明は、かNる要請に応えるべくなされたものであっ
て、例えば、メタノール及びその誘導体を燃料とする燃
料電池の燃料電極及び空気極として用いた場合、極めて
高活性で製造が容易な触媒粉末を提供し、またこれを用
いた高活性電極を提供することを目的とするものである
。 (問題点を解決するための手段) 通常1合金は固体状態では結晶化しているが。 合金組成を限定して溶融状態から超急冷凝固させるなど
、固体形成の過程で原子配列に長周期的規則性を形成さ
せない方法を適用すると、結晶構造を持たず、液体に類
似したアモルファス(非晶質)構造が得られ、このよう
な合金をアモルファス合金と云う、アモルファス合金は
、多くは過飽和固溶体の均一な単相合金であって、従来
の実用金属に比べて著しく高い強度を保有し、且つ組成
に応じて異常に高い耐食性をはじめとする種々の特性を
示す、また、アモルファス合金が得られない組成であっ
ても、超急冷凝固によって作製した合金は、固溶限が拡
大した過飽和固溶体であって、アモルファス合金に準じ
た優れた特性を備えることができる。 一方、メタノールの電解酸化は、アルカリ性環境では電
極が容易に失活するため、硫酸などの強酸の環境で行う
ことが望ましいが、強酸に耐える高耐食性を高触媒活性
と共に合せて持つ触媒が必要とされる。 これに関連して、本発明者らは、水溶液電解において高
い電極触媒活性と高耐食性を備えた金属材料を得ること
を目的として、過飽和固溶体単相合金であるというアモ
ルファス合金の特性を活用し、少量の白金族金属を含む
所定の組成のアモルファス合金或いは過飽和固溶体合金
を作製し、更にこれにアモルファス合金或いは過飽和固
溶体合金が均一性が極めて高いという特性を活用して活
性化処理を施すことにより、高活性、高耐食性の水溶液
電解用電極材料を見い出した。これらは、前述のとおり
、水溶液電解における酸素発生電極材料として提案しく
特願昭60−123111号)。 また塩化ナトリウム水溶液の電解における塩素発生電極
材料として提案した(特願昭60−169764号、同
60−169765号、同60−169766号、同6
0−169767号)。 更に、本発明者らは、アモルファス合金の特性を活用し
てメタノールの電解酸化に有効な電極材料を得る目的で
研究を行った結果、Ni及びCOの少なくとも1種と、
Ti、Zr、Nb及びTaの各バルブメタルとからなる
アモルファス金属−金属合金に少量のptを加え、更に
必要に応じてPtの作用を助けるpt以外の白金族元素
及びTi、 Si1、Ge、Sn、Pb及びBiを添加
したアモルファス合金にフッ化水素酸浸漬処理を施すと
、メタノールの電解酸化に高活性な金属電極が得られる
ことを見い出し、提案した(特願昭61−154570
号)。 しかし乍ら、前述のように、液体急冷によって作製する
アモルファス合金は急冷しなければならないことから厚
さが数10μm程度にしかならず、これでは如何に高活
性であっても集電体として働く金属が薄すぎ、電気抵抗
が高くなる。 したがって、本発明者らは、集電体にはもっと厚い誘電
体を用い、且つこれに高活性触媒粉末を被覆して用いる
ことを目的として、前記アモルファス合金から作られる
活性な表面触媒相を粉末として得ることを試みた。その
結果、表面活性化に用いたフッ化水素酸浸漬処理におい
て、 Ni、 C。 及びバルブメタルの優先溶解に伴う水素の発生が終了す
るまで浸漬処理を継続することにより、活性な触媒相が
粉末として得られることを見い出した。更に、この触媒
粉末を炭素粉末と共に炭素紙上に疎水性フッ素樹脂を用
いて被覆することにより、メタノール−空気燃料電池用
電極として極めて高活性な電極が得られることを見い出
し、ここに本発明をなしたものである。 すなわち、本発明に係る高活性触媒粉末は、Ti、Zr
、Nb及びTaの各バルブメタルのうちの少なくとも1
種と、Ru、Rh、Pd、Ir及びPtの各白金族元素
のうちの少なくとも1種とを含み。 残部が実質的にNi及びCoのうちの少なくとも1種か
らなるアモルファス合金であって、これをフッ素水素酸
に浸漬して該バルブメタル並びにN1及びGoの優先溶
解を水素の発生が終了するまで行うことにより白金族元
素を濃縮せしめた粉末からなることを特徴とするもので
ある。なお、これには、必要に応じて、触媒活性に有効
な元素を少量添加することができる。 また、本発明に係る高活性電極は、上記高活性触媒粉末
と、炭素粉末と、疎水性フッ素樹脂との混合物を導電性
基盤に塗布し、加熱焼成してなることを特徴とするもの
である。 以下に本発明を更に詳細に説明する。 元来、特定の電気化学反応に対する選択的電極触媒活性
とその反応条件に耐える高耐食性を金属電極に付与する
ためには、有効元素を必要量含む合金を作る必要がある
。しかし、通常の方法で作られた結晶質金属の場合には
、多種多量の合金元素を添加すると、しばしば、化学的
性質の異なる多相構造となることが多い。 これに対し、本発明におけるアモルファス合金は、構成
元素が局在することを許さないように迅速に固相を形成
すること(急冷凝固)を作製原理とするため、優れた耐
食性を有している。 このアモルファス合金に活性化処理(フッ素水素酸浸漬
)を施すと、電極活性にあまり有効でない元素が溶解し
て粉末状化し、電極触媒能に富んだ白金族元素が濃縮し
た高活性触媒粉末が得られるのである。この場合、アモ
ルファス合金が均一な固溶体であるため、合金中に均一
に分布した白金族元素がカソードとして働き、白金族元
素上で水素発生が盛んに起こる。この水費発生が電極活
性にあまり有効でない元素(すなわち、バルブメタル及
びNi、 Co)の溶解を保証するため、白金族元素が
均一に固溶した過飽和固溶体のアモルファス合金では、
電極活性にあまり有効でない元素の溶解が均−且つ迅速
に起こり、したがって、電極活性に有効な白金族元素の
濃縮した高活性触媒粉末が均−且つ迅速に得られる。更
にこれを導電体の上に被覆すると高活性電極が得られる
。 次に、上記高活性触媒粉末並びに高活性電極の製造法の
一例を説明する。 まず、出発材料は、前述の成分を必須とするアモルファ
ス合金であって、単ロール法等の周知の急冷凝固方法に
より得られたリボン状のアモルファス合金を用いる。ア
モルファス合金の具体的な組成は、前述の本発明者らが
提案した組成のものがあり、以下に例示する。勿論、こ
れのみに制限されることはない。 (1)特願昭60−123111号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ Taと、Ru、 Rh、 Pd、Ir、Ptの第
1群の内から選ばれた1種又は2種以上の元素と、残部
が実質的にNiとからなり、前記Taが25〜65at
%、前記第1群から選ばれた元素が0.3〜45at%
、及び前記Niが30at%以上の組成を有するアモル
ファス合金。 ■ Taと、Ru、 Rd、Ir、Ptの第1群の内か
ら選ばれた1種又は2種以上の元素と、Ti、Zr、N
bの第1群内から選ばれた1種又は2種以上の元素と、
残部が実質的にNiとからなり、前記Taが20at%
以上であって、これと前記第1群から選ばれた元素が0
.3〜45at%、及び前記Niが30at%以上の組
成を有するアモルファス合金。 (2)特願昭60−169754号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ Nbが25〜65at%と、Ru、 Rh、 Pd
、Ir及びPtの群から選ばれた1種又は2種以上の元
素を0.01〜10at%含み、残部は実質的にNiよ
りなるアモルファス合金。 ■ Ti、Zr及び20at%未満のTaとの3種の金
属の群から選ばれた1種又は2種以上と10at%以上
のNbとの合計で25〜65at%を含み、更に、Ru
、Rh、Pd、Ir及びPtの群から選ばれた1種又は
2種以上の元素を0.01〜10at%含み、残部は実
質的にNiよりなるアモルファス合金。 ■ Nbが25〜65at%と、Ru、 Rh、 Pd
。 Ir及びPtの群から選ばれた1種又は2種以上の元素
が0.01〜1Oat%と、7at%以下のPを含み、
残部は実質的にNiよりなるアモルファス合金。 ■ Ti、Zr及び20at%未満のTaとの3種の金
属の群から選ばれた1種又は2種以上と10at%以上
のNbとの合計で25〜65at%を含み、更にRu、
Rh、 Pd、Ir及びPtの群から選ばれた1種又
は2種以上の元素0.01〜10at%と7at%以下
のPを含み、残部は実質的にNiよりなるアモルファス
合金。 (3)特願昭60−169765号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ 25〜65at%のTaを含み、Ru、 Rh、p
b、Ir及びPtの群から選ばれた1種又は2種以上の
元素が0.01〜10at%と、7at%以下のPを含
み、残部が実質的に20at%以上のNiよりなり、合
計を100at%とするアモルファス合金。 ■ 20at%以上のTaを含み、Ti、 Zr、 N
bの群から選ばれた1種又は2種以上の元素とTaとの
合計が25〜65at%であって、Ru、 Rh、Pd
、Ir及びPtの群から選ばれた1種又は2種以上の元
素0.01〜10at%と7at%以下のPを含み、残
部が実質的に20at%以上のNiからなり、合計を1
ooat%とするアモルファス合金。 (4)特願昭60−169767号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ 5at%以上20at%未満のTaを含み、Ti及
びZrのいずれか1種又は2種とTaとの合計が25〜
65at%であって、Ru、Rh、Pd、Ir及びPt
のいずれか1種又は2種以上の元素を0.01〜10a
t%含み、残部が実質的にNiからなるアモルファス合
金。 ■ 5at%以上20at%未満のTaを含み、Ti及
びZrのいずれか1種又は2種とTaとの合計が25〜
65at%であって、Ru、 Rh、 Pd、Ir及び
Ptのいずれか1種又は2種以上の元素を0.01〜1
0at%と7at%以下のPを含み、残部が実質的に2
0at%以上のNiからなり、合計を100at%とす
るアモルファス合金。 (5)特願昭60−169766号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ Nb及びTaの1種又は2種を20at%以上25
at%未満含み、Ru%Rh、 Pd、工r及びPtの
群から選ばれた1種又は2種以上の元素を0゜01〜1
0at%含み、残部が実質的にNiからなるアモルファ
ス合金。 ■ Nb及びTaの1種又は2種を20at%以上25
at%未満含み、Ru、Rh、 Pd、Ir及びPtの
群から選ばれた1種又は2種以上の元素を0゜01〜1
0at%と7at%以下のPを含み、残部が実質的にN
iからなるアモルファス合金。 ■ Nb及びTaの1種又は2種を5at%以上含み、
Ta及びZrの1種又は2種を、前記Nb及びTaの1
種又は2種との合計が20at%以上25at%未満で
含み、Ru、Rh、Pd、Ir及びPtの群から選ばれ
た1種又は2種以上を0.01〜10at%含み、残部
が実質的にNiからなるアモルファス合金。 ■ Nb及びTaの1種又は2種を5at%以上含み、
Ti及びZrの1種又は2種を、前記Nb及びTaの1
種又は2種の合計が20at%以上25at%未満で含
み、Ru、Rh、Pd、Ir及びPtの群から選ばれた
1種又は2種以上の0.01〜10at%と7at%以
下のPを含み、残部が実質的にNiからなるアモルファ
ス合金骨 (6)特願昭61−154570号に係るアモルファス
合金は以下のとおりである。 ■ Pt0 、5〜20at%と、Ti及びZrの1種
又は2種20〜80at%を含み、残部が実質的にNi
及びCoの1種又は2種10at%以上からなるアモル
ファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%と、Ti及びZrの1種又
は2種20〜80at%を含み、 Ru、 Rh、 P
d、Ir、Ti、Si、Ge、Sn、Pb及びBiより
なる群から選ばれる1種又は2種以上を10at%以下
(但し、PtlOat%以下のときは、at%でptと
同量以下)、残部が実質的にNi及びCoの1種又は2
種10at%以上からなるアモルファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%と、Nb及びTaの1種又
は2種20〜70at%を含み、残部が実質的にNi及
びGoの1種又は2種からなるアモルファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%、Nb及びTaの1種又は
2種20〜70at%、Ru、 Rh、 Pt、Ir、
Ti、 Si、Ge、Sn、Pb及びB1よりなる群か
ら選ばれる1種又は2種以上10at%以下(但し、p
t10at%以下のときは、at%でptと同量以下)
、残部が実質的にNi及びCoの1種又は2種10at
%以上からなるアモルファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%、Nb及びTaの1種又は
2種70at%以下とTi及びZrの1種又は2種との
合計量20〜80at%(上記Nb及びTaの1種又は
2種の量を含む、)、残部が実質的にNi及びCoの1
種又は2種10at%以上からなるアモルファス合金。 ■ Pt0.5〜20at%、Nb及びTaの1種又は
2種70at%以下とTi及びZrの1種又は2種との
合計量20〜80at%(上記Nb及びTaの1種又は
2種の量を含む。)、 Ru、 Rh、 Pd、Ir、
Ti、Si、Ge、Sn、Pb及びBiよりなる群から
選ばれる1種又は2種以上10at%以下(但し、Pt
lOat%以下のときは、at%でptと同量以下)で
、残部が実質的にNi及びCoの1種又は2種10at
%以上からなるアモルファス合金。 かくして得られたリボン状のアモルファス合金は、フッ
化水素酸に浸漬して処理され、粉末化される。その際、
浸漬後、電極活性に有効でないバルクメタル並びにNi
及びCoが優先溶解することにより生じる水素が発生し
終わるまで浸漬処理することが必要である。これにより
、該アモルファス合金は粉末化し、電極活性に有効な白
金族元素が濃縮された均一で高活性な触媒粉末が迅速に
得られる。 得られた高活性触媒粉末は、種々の用途に利用できるが
、高活性電極に利用する場合には、これに炭素粉末と疎
水性フッ素樹脂を混合し、導電性基板上に塗布し、加熱
焼成すれば、高活性電極が得られる。 (実施例) 次に、本発明の一実施例を示す。 大胤旌よ 市販のNi、Nb、Pt、Ruを所定量秤量し、アルゴ
ン雰囲気中で高周波溶解して結晶質合金を作製した0次
いで、この母合金をアルゴン雰囲気中の単ロール法を用
いて再溶融急冷して1幅0.5〜1m臘、厚さ10〜4
0μmのリボン状でNi−40at%Nb−1,Oat
%Ru−2,Oat%Ptの組成のアモルファス合金を
得た。 このリボン状アモルファス合金を市販の46%6%フッ
素酸水溶液に水素の発生が終了するまで浸漬した。その
結果、アモルファス合金リボンは黒色の粉末となった。 得られた粉末を水洗、吸引源化し、真空デシケータ−の
内で乾燥し、高活性触媒粉末を得た。透過電子顕微鏡に
よる観察で高活性触媒粉末の粒径は1〜3n+sであっ
た。 次に、この高活性触媒粉末と炭素粉末の総和の3/10
の割合のPTFEを加え練り合せた。このようにして得
られたペースト状混合物を厚さ0゜5Hの炭素紙に塗布
し、窒素気流中にて300℃で30分間焼成し、高活性
電極を得た。 このようにして作製した高活性電極を用い、30’C(
7)LM CH,OHを含む0.5M H,So4水溶
液中でメタノールの電解酸化を行った。また、比較のた
め、白金黒と炭素粉末から作製した同様の電極を用い、
メタノールの酸化活性を調べた。 その結果1本発明の高活性電極のメタノールの酸化に対
する電極触媒活性は、白金黒電極に比べて、著しく高く
1例えば、0.4v(SCE)におけるメタノール酸化
の電流密度は9.7 X 10”A/m”であって、白
金黒の酸化電流密度の約3倍であった。したがって、本
発明の高活性触媒粉末を用いて作製した高活性電極は、
メタノールの電解酸化に対して著しく高い活性を備えて
いることが確認された。 失胤舅又 第1表に示す組成(原子%)のアモルファス合金から実
施例1と同様にして作製した種々の高活性触媒粉末を用
い、実施例1と同様な方法で高活性電極を作製した。こ
の高活性電極のメタノール酸化の触媒活性を第1表に併
記する。同表より、本発明の高活性電極はいずれもメタ
ノールの電解酸化に対して著しく高い活性を備えている
ことが明らかである。
(発明の効果)
以上詳述したように、本発明によれば、出発材料のアモ
ルファス合金における高価な白金族元素が極めて低濃度
であるにもかかわらず、これを用いて作製した触媒粉末
は極めて高い触媒活性を発揮し、しかも粉末状であるの
で、これを用いて作製した高活性電極は特にメチノール
の電解酸化に対して著しく高い電極触媒活性を備えてい
る。 更に、本発明の高活性触媒粉末は、アモルファス合金の
作製で一般に用いられている単ロール法等の液体急冷法
で作られたリボン状のアモルファス合金を出発材料とし
、これをフッ化水素酸に浸漬することにより粉末状化し
て得られるので、予めアモルファス合金粉末を作製する
ような特殊な装置を必要とせず、実用的で且つ経済的で
ある。
ルファス合金における高価な白金族元素が極めて低濃度
であるにもかかわらず、これを用いて作製した触媒粉末
は極めて高い触媒活性を発揮し、しかも粉末状であるの
で、これを用いて作製した高活性電極は特にメチノール
の電解酸化に対して著しく高い電極触媒活性を備えてい
る。 更に、本発明の高活性触媒粉末は、アモルファス合金の
作製で一般に用いられている単ロール法等の液体急冷法
で作られたリボン状のアモルファス合金を出発材料とし
、これをフッ化水素酸に浸漬することにより粉末状化し
て得られるので、予めアモルファス合金粉末を作製する
ような特殊な装置を必要とせず、実用的で且つ経済的で
ある。
Claims (2)
- (1)Ti、Zr、Nb及びTaの各バルブメタルのう
ちの少なくとも1種と、Ru、Rh、Pd、Ir及びP
tの各白金族元素のうちの少なくとも1種とを含み、残
部が実質的にNi及びCoのうちの少なくとも1種から
なるアモルファス合金であって、これをフッ化水素酸に
浸漬して該バルブメタル並びにNi及びCoの優先溶解
を水素の発生が終了するまで行うことにより白金族元素
を濃縮せしめた粉末からなることを特徴とする高活性触
媒粉末。 - (2)Ti、Zr、Nb及びTaの各バルブメタルのう
ちの少なくとも1種と、Ru、Rh、Pd、Ir及びP
tの各白金族元素のうちの少なくとも1種とを含み、残
部が実質的にNi及びCoのうちの少なくとも1種から
なるアモルファス合金であって、これをフッ化水素酸に
浸漬して該バルクメタル並びにNi及びCoの優先溶解
を水素の発生が終了するまで行うことにより白金族元素
を濃縮せしめた粉末からなる高活性触媒粉末と;炭素粉
末と;疎水性フッ素樹脂との混合物を導電性基盤に塗布
し、加熱焼成してなることを特徴とする高活性電極。
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---|---|
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- 1987-05-19 JP JP62122199A patent/JPH0624635B2/ja not_active Expired - Fee Related
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- 1988-05-16 US US07/195,732 patent/US4868073A/en not_active Expired - Fee Related
- 1988-05-18 CA CA000567095A patent/CA1306236C/en not_active Expired - Lifetime
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