JPWO2018051765A1 - 電極触媒の製造方法及び電極触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
前記分散液を加熱して、前記触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる担持工程と、
を有する電極触媒の製造方法を提供するものである。
前記電極触媒をX線回折測定して得られる回折パターンにおいて、白金合金の(200)面のピークの回折角2θが、46.5°以上48.0°以下であり、
X線光電子分光分析法により測定される前記電極触媒の表面及びその近傍の分析領域における、
下記(式1)で定義されるSnの金属化率が5%以下である電極触媒を提供するものである。
(式1)Snの金属化率(%)=RSn−metal/(RSn−metal+RSn−oxide)×100
RSn−metal:X線光電子分光分析法により測定されたSn3d5/2軌道由来のスペクトルにおけるSn金属の占める面積
RSn−oxide:X線光電子分光分析法により測定されたSn3d5/2軌道由来のスペクトルにおけるSn酸化物の占める面積
更に本発明者は鋭意検討し、本発明の製造方法によれば触媒性能に優れた電極触媒を得ることができることを知見した。この理由について、本発明者は、本発明の製造方法では分散液を加熱することで、前記溶媒の還元作用により、一層低温で白金化合物及び遷移金属化合物が還元されるので一層低温で両者の合金を生成でき、白金と触媒担体を構成する金属酸化物の当該金属元素との合金化を抑制できるからであると考えている。
(i)スルホキシド化合物及びアミド化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の溶媒。
(ii)金属酸化物の触媒担体粉。
(iii)白金化合物。
(iv)遷移金属化合物。
電極触媒の触媒性能が向上する理由としては、白金と遷移金属との合金化を促進するためには高温で還元させることが一般的であるものの、本発明の製造方法においては、分散液の加熱温度を160℃未満とすることにより、白金の還元析出速度と遷移金属の還元析出速度との差が減少することにより、白金へ遷移金属が却って取り込まれ易くなり、合金の固溶状態がより一層均一になるためであると考えている。また、分散液の加熱温度を120℃以上とすることにより、白金及び遷移金属の還元が促進されるため、触媒担体への白金合金の担持率を高めることができ、その結果電極触媒の触媒性能が向上すると考えられる。これらの観点から、120℃以上145℃以下とすることが更に好ましい。
この加熱温度を条件として、加熱時間は3時間以上100時間以下であることが好ましく、6時間以上100時間以下であることが更に好ましく、12時間以上72時間以下であることが一層好ましい。
Snの金属化率(%)=RSn−metal/(RSn−metal+RSn−oxide)×100 (1)
式中、RSn−metalは、X線光電子分光分析法により測定されたSn3d5/2軌道由来のスペクトルにおけるSn金属の占める面積を表す。
RSn−oxideはX線光電子分光分析法により測定されたSn3d5/2軌道由来のスペクトルにおけるSn酸化物の占める面積を表す。
ここでいう表面及びその近傍の分析領域とは、電極触媒をX線光電子分光分析法(XPS)による測定に供した際に分析対象となる深さ方向にわたる領域をいう。XPSによる深さ方向の測定距離、すなわち表面及びその近傍の分析領域は一般に、表面から深さ方向に向けた0nm〜5nmの領域である。スズの金属化率(%)は、具体的にはSn3d5/2の全スペクトルの面積のうち、Sn金属に由来するスペクトルの面積の割合として求められる。
(A1)X線源:AlのKα(hν=1486.6eV)
(A2)試料と検出器の角度:θ=45°
(A3)検出器の校正:Cu2pとAu4fを用いて実施
(A4)分析領域:直径0.1mmの円
(A5)分析時のチャンバ圧力:10−7〜10−6Paのオーダー
(1)担体の製造工程
WO2016/098399に記載の実施例1に基づいて一次粒子径が20nmであるフッ素及びタングステン含有酸化スズ粒子を得た。この粒子におけるスズ酸化物は、SnO2を主体とするものであった。このフッ素及びタングステン含有酸化スズ粒子中、前記方法で算出したF(mol)/(Sn(mol)+F(mol)+W(mol))×100で表されるフッ素の含有率は3.8mol%であり、前記方法で算出したW(mol)/(Sn(mol)+F(mol)+W(mol))×100で表されるタングステンの含有率は2.5mol%であった。
容量500mLのメスフラスコに、337mLのN,N−ジメチルホルムアミド(略記:DMF、049−32363、和光純薬工業社製)、9.87×10−3mol/L−DMFのビス(アセチルアセトナト)白金(II)(Pt(acac)2、028−16853、和光純薬工業社製)、7.40×10−3mol/L−DMFのビス(2,4−ペンタンジオナト)ニッケル(II)(Ni(acac)2、283657−25G、シグマアルドリッチ社製)、2.49×10−1mol/L−DMFの安息香酸(204−00985、和光純薬工業社製)を加えるとともに(1)で得られた担体を10g/L−DMFの濃度で加えた。その後、各成分が混合されてなる液を、室温(25℃)で30分間超音波分散器を用いて分散させて分散液となした。なお「mol/L−DMF」又は「g/L−DMF」を単位とする上記の各値は、分散液の液媒であるDMFに対する割合を意味する。
前記分散液が入ったメスフラスコをアルゴンガスでパージした状態を保った状態で、室温のオイル中に沈ませて、オイル昇温速度5℃/分で分散液を120℃へ昇温した。オイルバス中のオイル温度を120℃に制御したまま、48時間加熱還流した。
(4)固液分離工程
その後オイルバスを外して室温まで冷却した後、濾過を行った。次いで、アセトンとエタノールの混合溶媒(体積比で1:1の混合溶媒)で5回、水とエタノールの混合溶媒(体積比で1:1の混合溶媒)で1回洗浄を行った後乾燥して、白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
実施例1において、(3)担持工程でのオイル温度及び/又は保持時間を表1に示した値に変更した以外は実施例1と同様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
実施例1において、(3)担持工程でのオイル温度及び保持時間並びにビス(2,4−ペンタンジオナト)ニッケル(II)の添加濃度を表1に示した値に変更した以外は実施例1と同様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
本比較例は、特許文献1の記載に準じ、白金担持電極触媒を製造した例である。
(1)担体の製造工程
実施例1と同様に行った。
(2)電極触媒の製造工程
5mlのH2PtCl6溶液(Pt1gに相当)と蒸留水295mLとを混合、溶解させ、15.3gのNaHSO3により還元後、1400mLの蒸留水で希釈した。NaOH5%水溶液を加えて、pHを約5に調整しながら35%過酸化水素(120mL)を滴下し白金のコロイドを含む液を得た。このとき、NaOH5%水溶液を適宜加えて液のpHを約5に維持した。前記の手順で調製して得られたコロイド液は1g分の白金を含んでいる。その後、前記(1)で得られた5.67gの担体を添加し、90℃で3時間混合した。その後、液を冷却し、更に固液分離した。固液分離により得られた含水した粉体中から塩化物イオンを除去するために、1500mLの蒸留水で再び希釈し90℃で1時間煮沸を行い、液を冷却し固液分離した。この洗浄作業を4回実施した。最後に、固液分離後、大気下にて60℃で12時間にわたり乾燥させた。これによって、担体の表面に不定比の貴金属酸化物を含む白金を担持させた。次いで、この担体を窒素で希釈した4vol%水素雰囲気下にて80℃で2時間にわたり熱処理した。この様にして白金担持電極触媒を得た。
本比較例は、特許文献1の記載に準じ、白金ニッケル合金担持電極触媒を製造した例である。
(1)担体の製造工程
実施例1と同様に行った。
5mlのH2PtCl6溶液(Pt1gに相当)と蒸留水295mLとを混合、溶解させ、15.3gのNaHSO3により還元後、1400mLの蒸留水で希釈した。NaOH5%水溶液を加えて、pHを約5に調整をしながら35%過酸化水素(120mL)を滴下し白金のコロイドを含む液を得た。このとき、NaOH5%水溶液を適宜加えて液のpHを約5に維持した。前記の手順で調製して得られたコロイド液は1g分の白金を含んでいる。これに硝酸ニッケル・6水和物(Ni(NO3)2・6H2O)を添加した。添加量はPtとNiのモル比であるPt/Niが1となるよう1.49gとした。その後、前記(1)で得られた8.7gの担体を添加し、90℃で3時間混合した。その後、液を冷却し、更に固液分離した。固液分離により得られた含水した粉体中から塩化物イオンを除去するために、1500mLの蒸留水で再び希釈し90℃で1時間煮沸を行い、液を冷却し固液分離した。この洗浄作業を4回実施した。最後に、固液分離後、大気下にて60℃で12時間にわたり乾燥させた。これによって、担体の表面に不定比の酸化物を含む白金及び不定比の酸化物を含むニッケルを担持させた。次いで、この担体を窒素で希釈した4vol%水素雰囲気下にて200℃で2時間にわたり熱処理した。この様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
なお、比較例1及び2のように、白金を含有するコロイドを含む液に担体を分散し、該コロイドを白金含有の微粒子として該担体に担持させる方法のことを、コロイド法という。
<白金又は白金合金の(200)面のピークの回折角2θ>
実施例及び比較例で得られた電極触媒について、粉末X線回折測定(XRD)を行い、白金又は白金合金の(200)面のピークの回折角2θを求めた。回折角2θの値を、表1及び表2に示す。
XRDはリガク社製 RINT-TTR IIIを用い、X線源としてCu Kα(0.15406nm、50kV、300mA)を用いて測定した。
実施例及び比較例で得られた電極触媒について、XPS測定を行い、Snの金属化率を求めた。Snの金属化率の値を、表1及び表2に示す。
XPS測定はアルバック・ファイ社製Versa Probe IIを用い、X線源はAlのKαの単色光(hν=1486.6eV)、Pass Energy 55.0eV、エネルギーステップ0.1eV、試料と検出器の角度は45°、試料の分析領域は直径0.1mmの円で実施した。解析ソフトはMultipakを用いた。
Sn3d5/2軌道由来のスペクトルにおけるメインピーク(スズ酸化物の結合エネルギー)のピークトップ位置を486.7eVとして帯電補正を行った。Snの金属化率は、Sn3d5/2軌道由来のスペクトルを波形分離することで求めた。Sn元素の金属結合状態を示すピークは、結合エネルギーが484.5eVを超えて485.2eV未満であるピークとし、その他をSnの酸化物状態を示すピークとして分離し、それらの面積を計測した。これらを用い、Snの金属化率は、下記の式(1)に従い計算から求めた。
Snの金属化率(%)=RSn−metal/(RSn−metal+RSn−oxide)×100 (1)
実施例及び比較例で得られた電極触媒について、ICP質量分析装置(ICP−MS)によって測定を行い、Pt担持率(質量%)、Ni担持率(質量%)、PtとNiのモル比[Pt/Ni]を求めた。得られた値を表1及び表2に示す。
実施例及び比較例で得られた電極触媒について、回転ディスク電極を用いたサイクリックボルタンメトリー(CV:Cyclic Voltammetry)及び対流ボルタンメトリー(LSV:Linear Sweep Voltammetry)を行い、活性支配電流密度jk(mA/cm2 −Pt)を求めた。具体的には、以下の「電極作製」、「CV測定」及び「ORR活性評価」の順で操作を行った。得られた活性支配電流密度jk(mA/cm2 −Pt)の値を表1及び表2に示す。
直径5mmのグラッシーカーボン(GC)ディスク電極を0.05μmのアルミナペーストを用いて研磨し、その後純水を用いて超音波洗浄を行った。白金ニッケル合金を担持した試料を90vol%エタノール水溶液に加え、超音波ホモジナイザーにて分散させた。これをGCディスク上へ、当該ディスクの面積当たりPt金属量が12μg−Pt/cm2 −GCとなる密度で塗布し、常温で乾燥させた。乾燥後、GCディスク上の触媒に5%Nafion(登録商標)溶液(274704−100ML、シグマアルドリッチ社製)を膜厚が50nmになるように滴下し、常温で乾燥させた。
測定は北斗電工(株)製の電気化学測定システムHZ−7000を用いて実施した。0.1mol/LのHClO4水溶液にN2を1時間以上パージした後、参照極に銀−塩化銀電極(Ag/AgCl)を用い、電位範囲−0.25〜0.742V(VS.Ag/AgCl)、掃引速度0.5V/sで300回クリーニングを実施した。その後、CV測定を電位範囲−0.25〜0.74Vで実施し本測定とした。電気化学的活性表面積(ECSA:Electrochemical Surface Area)の解析は0.4V以下に見られる水素の吸着波を用いて実施した。
CV測定で用いた前記電解液(HClO4水溶液)に酸素ガスを1時間以上パージした後、LSVを行った。温度25℃、電位範囲−0.20〜1.00V(VS.Ag/AgCl)、掃引速度10mV/sで回転数は400rpmから2500rpmまで、計6条件のデータを取得した。得られた結果をKoutecky−Levichプロットを用いて解析し、0.64V(VS.Ag/AgCl)における活性支配電流密度jk(mA/cm2)の値を得た。
Claims (4)
- (i)スルホキシド化合物及びアミド化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種の溶媒と、(ii)金属酸化物の触媒担体粉と、(iii)白金化合物と、(iv)遷移金属化合物と、を混合して分散液を作製する分散液作製工程と、
前記分散液を加熱して、前記触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる担持工程と、
を有する電極触媒の製造方法。 - 前記担持工程の加熱温度が120℃以上160℃未満である請求項1に記載の電極触媒の製造方法。
- 酸化スズの担体に白金と遷移金属との白金合金が担持された電極触媒であって、
前記電極触媒をX線回折測定して得られる回折パターンにおいて、前記白金合金の(200)面のピークの回折角2θが、46.5°以上48.0°以下であり、
X線光電子分光分析法により測定される前記電極触媒の表面及びその近傍の分析領域における、
下記(式1)で定義されるSnの金属化率が5%以下である電極触媒。
(式1)Snの金属化率(%)=RSn−metal/(RSn−metal+RSn−oxide)×100
RSn−metal:X線光電子分光分析法により測定されたSn3d5/2軌道由来のスペクトルにおけるSn金属の占める面積
RSn−oxide:X線光電子分光分析法により測定されたSn3d5/2軌道由来のスペクトルにおけるSn酸化物の占める面積 - 前記白金合金の(200)面のピークの回折角2θが、46.8°以上47.7°以下である請求項3に記載の電極触媒。
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