KR20230006471A - Manufacturing method of platinum cobalt chrome alloy supported carbon catalyst for fuel cell - Google Patents

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가츠히코 야마시타
다카노부 이시다
나오야 아오키
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이시후꾸 긴조꾸 고오교 가부시끼가이샤
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Abstract

(과제) 특히, 사용시의 성능의 안정성 및 내구성이 높은 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매를 제공한다.
(해결 수단) 80 ∼ 100 ℃ 로 가열한 L-아스코르브산 함유 카본 분말의 수현탁액에, 카본 분말 1 g 당 백금 환산으로 0.001 g/분 ∼ 0.03 g/분의 투입 속도로 염화 백금산 수용액을 첨가함으로써, 카본 분말의 표면 상에 나노미터 오더의 크기로 성장한 백금 입자를 방상으로 담지하는 제 1 환원 공정으로서, 상기에서 사용되는 염화 백금산에 대해, 몰비로, 2.33 내지 3.17 배의 아스코르브산이 사용되는, 제 1 환원 공정과, 제 1 환원 공정 후의 80 ∼ 100 ℃ 로 가열된 현탁액에, 당해 환원 공정 후에 잔존하는 염화 백금산의 전부를 환원할 수 있는 양의 L-아스코르브산을 첨가하여 상기 염화 백금산을 환원함으로써, 상기 백금 입자 표면 상에 백금을 석출시키는 제 2 환원 공정을 포함하여 이루어지고, 이렇게 하여 얻어지는 카본 분말의 표면 상에 백금 입자를 석출시키고, 추가로, 당해 백금 입자 상에 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 백금 입자를 방상으로 담지하는 분말을 얻고, 당해 분말을 불활성 가스 또는 질소 분위기 중에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 제조 방법.
(Problem) In particular, to provide a platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst having high performance stability and durability during use.
(Solution) By adding an aqueous solution of chloroplatinic acid to an aqueous suspension of carbon powder containing L-ascorbic acid heated to 80 to 100° C. at a charge rate of 0.001 g/min to 0.03 g/min in terms of platinum per 1 g of carbon powder , As a first reduction step of supporting platinum particles grown to a size of the order of nanometers on the surface of the carbon powder in a spiral shape, ascorbic acid is used in a molar ratio of 2.33 to 3.17 times that of the chloroplatinic acid used above. By adding L-ascorbic acid in an amount capable of reducing all of the chloroplatinic acid remaining after the first reduction step and the suspension heated to 80 to 100° C. after the first reduction step to reduce the chloroplatinic acid, , a second reduction step of depositing platinum on the surface of the platinum particle, depositing platinum particles on the surface of the carbon powder obtained in this way, and further, cobalt hydroxide and chromium hydroxide on the platinum particle A method for producing a platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst for a fuel cell, characterized by obtaining a powder supporting precipitated platinum particles in a form, and heat-treating the powder in an inert gas or nitrogen atmosphere.

Description

연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 제조 방법Manufacturing method of platinum cobalt chrome alloy supported carbon catalyst for fuel cell

본 발명은, 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst for a fuel cell.

종래부터 연료 전지의 전극 촉매로서 카본 담체의 표면 상, 혹은 배기가스 처리 촉매로서 실리카 등의 무기 산화물 담체에 백금 또는 백금 합금을 담지시킨 촉매가 사용되고 있다.Conventionally, catalysts in which platinum or a platinum alloy is supported on the surface of a carbon support as an electrode catalyst for fuel cells or on an inorganic oxide support such as silica as an exhaust gas treatment catalyst have been used.

백금 합금을 담지시킨 촉매의 제조에 있어서, 먼저, 백금을 카본 담체 등에 담지시켜 두고, 다음으로 합금화해야 할 금속을 화합물의 형태로 첨가하여 최종적으로 그들 금속을 합금화하는 수법이 이용되는 경우가 있다.In the production of a platinum alloy-supported catalyst, a method of first supporting platinum on a carbon support or the like, then adding a metal to be alloyed in the form of a compound, and finally alloying these metals may be used.

백금 담지 카본의 제법에 대해, 특허문헌 1 에는, 카본 블랙 등으로 이루어지는 촉매 담체를 산 수용액에 접촉시켜 친수 처리를 실시한 촉매 담체와, 염화 백금산 수용액을 충분히 접촉시킨 후에, 계의 pH 를 알칼리성으로 하고, 환원제가 작용하는 온도까지 계의 온도를 올려, 콜로이드 응집 방지제로서의 과산화수소를 첨가하고, 알데히드기를 갖는 환원제를 서서히 첨가하고, 염화 백금산을 환원·담지하는 방법에 의해, 담지량 약 10.5 %, 백금 입자경 약 30 옹스트롬인 촉매가 얻어지는 것이 기재되어 있다.Regarding the method for producing platinum-supported carbon, Patent Document 1 discloses that a catalyst carrier made of carbon black or the like is brought into contact with an aqueous acid solution to undergo a hydrophilic treatment, and an aqueous solution of chloroplatinic acid is brought into sufficient contact, then the pH of the system is made alkaline. , by raising the temperature of the system to the temperature at which the reducing agent acts, adding hydrogen peroxide as a colloidal aggregation inhibitor, gradually adding a reducing agent having an aldehyde group, and reducing and supporting chloroplatinic acid, the supported amount is about 10.5% and the platinum particle size is about It is described that catalysts that are 30 angstroms are obtained.

또, 특허문헌 2 에는, 디니트로디암민 백금을 질산에 용해시킨 용액에 담체로서의 카본 분말을 첨가하여, 60 분간 교반을 계속하여 충분히 분산시킨 후, L-아스코르브산 수용액을 첨가하고, 교반 혼합 하에서 65 ℃ 의 탕욕 중에서 하룻밤 동안 (16 시간) 가열 유지하고, 방랭 후, 여과·세정·건조시킴으로써, 백금 9 중량% 담지한 카본 분말이 얻어지는 것이 기재되어 있다.Further, in Patent Literature 2, carbon powder as a carrier is added to a solution in which dinitrodiammine platinum is dissolved in nitric acid, stirring is continued for 60 minutes to sufficiently disperse, an aqueous solution of L-ascorbic acid is added, and the mixture is stirred and mixed. It is described that carbon powder carrying 9% by weight of platinum can be obtained by heating and holding overnight (16 hours) in a 65°C hot water bath, and then filtering, washing, and drying after standing to cool.

일본 공개특허공보 소63-49253Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-49253 일본 공개특허공보 평04-298238Japanese Laid-open Patent Publication Hei 04-298238

특허문헌 1, 2 는, 먼저 카본 담체에 백금 화합물을 접촉시키고, 이어서 상기 백금 화합물을 환원제로 환원하고, 수 나노 사이즈의 미세한 백금 입자를 카본 분말 표면에 담지시키는 방법으로, 초기 성능이 높지만, 사용 중에 촉매 입자의 응집이 진행되어, 성능이 변화 (저하) 되어 버리는 문제가 있었다.Patent Literatures 1 and 2 are methods in which a platinum compound is first brought into contact with a carbon support, then the platinum compound is reduced with a reducing agent, and fine platinum particles having a size of several nanometers are supported on the surface of the carbon powder. There was a problem that the aggregation of the catalyst particles progressed during the process, and the performance changed (decreased).

초기부터 사용 종료시까지의 성능의 안정성 및 내구성을 향상시키는 것이 강하게 요망되고 있는 연료 전지용 촉매, 예를 들어, 인산형 연료 전지용 캐소드 촉매는, 보다 큰 사이즈이고, 또한, 크기의 편차가 작은 촉매 입자를 카본 분말에 담지시키는 것이 과제가 되어 있다.Catalysts for fuel cells, for example, cathode catalysts for phosphoric acid type fuel cells, for which it is strongly desired to improve performance stability and durability from the initial stage to the end of use, catalyst particles having a larger size and smaller size variation are used. It has become a subject to make it supported by carbon powder.

본 발명자들은, 백금 코발트크롬 합금 입자를 얻는 전단층의 백금 입자를 형성하는 경우에 있어서, 물에 카본 분말을 현탁시킨 현탁액에, 소정량의 염화 백금산의 70 % ∼ 95 % 를 환원 가능한 양으로 하여, 염화 백금산에 대해 몰비로 2.33 ∼ 3.17 배의 L-아스코르브산을 80 ∼ 100 ℃ 로 가열한 상기 현탁액에 첨가하고, 이어서, 염화 백금산 수용액을 카본 분말 1 g 당 백금 환산으로 0.001 g/분 ∼ 0.03 g/분의 투입 속도로 그 현탁액에 첨가하는 것 (제 1 환원 공정) 에 의해, 카본 분말의 표면 상에 나노미터 오더의 크기로 성장한 백금 입자를 방상 (房狀) 으로 담지시키고, 이어서, 제 1 환원 공정 후의 80 ∼ 100 ℃ 로 가열된 현탁액에, 여전히, 환원되지 않고 잔존할 수 있는 (한정되는 것은 아니지만, 제 1 환원 공정의 초기량의 5 % ∼ 30 % 에 상당한다) 염화 백금산을, 추가로 L-아스코르브산을 사용하여, 당해 잔존하는 염화 백금산의 모두를 환원하는 제 2 환원 공정을 실시하면, 효율적으로, 초기 사용량의 모든 염화 백금산을 카본 분말의 표면 상에 담지시킬 수 있고, 게다가, 그 후의 수산화코발트와 수산화크롬 석출 공정을 거쳐, 비교적 크고 편차가 작은 입경의 백금 코발트크롬 합금 입자를 카본 분말 표면에 담지할 수 있는 것을 알아냈다.The present inventors, in the case of forming platinum particles of a shear layer to obtain platinum cobalt chromium alloy particles, 70% to 95% of a predetermined amount of chloroplatinic acid in a reducible amount to a suspension obtained by suspending carbon powder in water, , L-ascorbic acid in a molar ratio of 2.33 to 3.17 times that of chloroplatinic acid is added to the suspension heated to 80 to 100°C, and then an aqueous solution of chloroplatinic acid is added at a rate of 0.001 g/min to 0.03 in terms of platinum per 1 g of carbon powder. Platinum particles grown to a size on the order of nanometers are supported on the surface of the carbon powder in a form by adding to the suspension at a feed rate of g/min (first reduction step), and then In the suspension heated to 80 to 100 ° C. after the first reduction step, chloroplatinic acid that can still remain without being reduced (corresponding to 5% to 30% of the initial amount in the first reduction step, although not limited thereto), Furthermore, if the second reduction step of reducing all of the remaining chloroplatinic acid is performed using L-ascorbic acid, all of the initial amount of chloroplatinic acid can be efficiently supported on the surface of the carbon powder, and furthermore , through subsequent cobalt hydroxide and chromium hydroxide precipitation steps, it was found that platinum-cobalt-chromium alloy particles having a relatively large and non-variable particle size can be supported on the surface of the carbon powder.

따라서, 상기 과제는, 다음의 특징을 갖거나 또는 양태의 본 발명에 의해 해결된다.Therefore, the above object has the following characteristics or is solved by the present invention of the aspect.

양태 1 : 카본 분말의 수현탁액을 준비하는 공정과,Aspect 1: Step of preparing an aqueous suspension of carbon powder;

염화 백금산의 수용액을 준비하는 공정과,A step of preparing an aqueous solution of chloroplatinic acid;

L-아스코르브산을 80 ∼ 100 ℃ 로 가열한 상기 카본 분말의 수현탁액에 첨가하고, 이어서, 이 가열 온도를 유지하면서, 얻어지는 상기 아스코르브산 함유 카본 분말의 수현탁액에 상기 카본 분말 1 g 당 백금 환산으로 0.001 g/분 ∼ 0.03 g/분의 투입 속도로 상기 염화 백금산 수용액을 첨가함으로써, 상기 카본 분말의 표면 상에 나노미터 오더의 크기로 성장한 백금 입자를 방상으로 담지하는 제 1 환원 공정으로서, 상기에서 사용되는 염화 백금산에 대해, 몰비로, 2.33 내지 3.17 배의 아스코르브산이 사용되는, 제 1 환원 공정과,Adding L-ascorbic acid to an aqueous suspension of the carbon powder heated to 80 to 100°C, and then, while maintaining this heating temperature, to the obtained aqueous suspension of the carbon powder containing ascorbic acid, in terms of platinum per 1 g of the carbon powder As a first reduction step of supporting platinum particles grown to a size of nanometer order on the surface of the carbon powder, A first reduction step in which ascorbic acid is used in a molar ratio of 2.33 to 3.17 times that of chloroplatinic acid used in;

제 1 환원 공정 후의 80 ∼ 100 ℃ 로 가열된 현탁액에, 당해 환원 공정 후에 잔존하는 염화 백금산의 전부를 환원할 수 있는 양의 L-아스코르브산을 첨가하여 상기 염화 백금산을 환원함으로써, 상기 백금 입자 표면 상에 백금을 석출시키는 제 2 환원 공정과,The surface of the platinum particles is reduced by adding L-ascorbic acid in an amount capable of reducing all of the chloroplatinic acid remaining after the reduction step to the suspension heated to 80 to 100° C. after the first reduction step, and reducing the chloroplatinic acid. A second reduction step of depositing platinum on the phase;

제 2 환원 공정에서 얻어지는 백금 입자를 담지하는 카본 입자를 포함하는 현탁액을 여과하여 상기 백금을 담지하는 카본 입자를 포함하는 여과 케이크를 취득하고, 이 여과 케이크를 세정하여, 물에 재현탁한 후의 재현탁액에, 크롬 화합물 수용액 및 코발트 화합물 수용액을 첨가하고, 이어서 암모니아수로 pH 를 9 ∼ 11 로 조정함으로써, 수산화코발트와 수산화크롬을 상기 백금 입자 표면 상에 석출시키는 석출 공정과,A resuspension solution after filtering the suspension containing the carbon particles carrying platinum particles obtained in the second reduction step to obtain a filter cake containing the carbon particles carrying platinum particles, washing the filter cake and resuspending it in water. a precipitation step of precipitating cobalt hydroxide and chromium hydroxide on the surface of the platinum particle by adding an aqueous solution of a chromium compound and an aqueous solution of a cobalt compound to the solution, and then adjusting the pH to 9 to 11 with aqueous ammonia;

상기 석출 공정에서 얻어지는 현탁액을 여과하여, 상기 백금 입자 표면 상에 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 입자를 세정하고, 건조시켜, 상기 카본 분말의 표면 상에 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 백금 입자를 방상으로 담지하는 분말을 얻는 공정과,The suspension obtained in the precipitation step is filtered, the particles in which cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated on the surfaces of the platinum particles are washed and dried, and the platinum particles in which cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated on the surface of the carbon powder are obtained. A step of obtaining powder to be supported in a form;

상기 공정에서 얻어지는 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 백금 입자를 방상으로 담지하는 카본 분말을 불활성 가스 또는 질소 분위기 중에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 제조 방법.Preparation of a platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst for a fuel cell, comprising a heat treatment step of heat-treating the carbon powder carrying the platinum particles on which cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated in the form obtained in the above step in an inert gas or nitrogen atmosphere. Way.

양태 2 : 상기 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매 중의 백금량을, 중량 기준으로, 11 wt% ∼ 15 wt% 로 조정하는 것을 특징으로 하는 양태 1 의 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 제조 방법.Aspect 2: A method for producing a platinum cobalt chromium alloy supported carbon catalyst for a fuel cell according to Aspect 1, wherein the amount of platinum in the platinum cobalt chromium alloy supported carbon catalyst is adjusted to 11 wt% to 15 wt% on a weight basis.

양태 3 : 상기 염화 백금산의 제 1 및 제 2 환원 공정에 있어서, 상기 현탁액의 온도를 92 ℃ ∼ 95 ℃ 로 하고, 백금 코발트크롬 합금 입자의 평균 입자경을 10 ∼ 20 ㎚ 로 조정하는 것을 특징으로 하는 양태 1 또는 2 의 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 제조 방법.Embodiment 3: In the first and second reduction steps of chloroplatinic acid, the temperature of the suspension is set to 92 ° C. to 95 ° C., and the average particle size of the platinum cobalt chrome alloy particles is adjusted to 10 to 20 nm. A method for producing a platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst for a fuel cell of aspect 1 or 2.

본 발명에 따르면, 비교적 큰 입경으로서, 크기의 편차가 작은 백금 코발트크롬 합금 입자를 담지시킨 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매를 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to manufacture a platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst for a fuel cell in which platinum-cobalt-chromium alloy particles having a relatively large particle size and small size variation are supported.

도 1 은, 본 발명의 제조 방법에 있어서의 제 2 환원 공정을 거친 후의 백금 담지 카본의 TEM 이미지의 일례이다.
도 2 는, 본 발명의 제조 방법에 의해 얻어지는 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 TEM 이미지의 일례이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is an example of the TEM image of platinum carrying carbon after passing through the 2nd reduction process in the manufacturing method of this invention.
Fig. 2 is an example of a TEM image of a platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst obtained by the production method of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 용어는, 특별히 기재하지 않는 한, 당해 기술 분야에서 상용되고 있는 의미 내용을 갖는 것으로 이해된다.Terms used in this specification are understood to have meanings commonly used in the art unless otherwise specified.

염화 백금산은, 헥사클로라이드 백금 (IV) 산 (H2PtCl6) 을 의미한다. 또, L-아스코르브산은, 간단히,「아스코르브산」이라고 하기도 한다.By chloroplatinic acid is meant hexachloride platinum (IV) acid (H 2 PtCl 6 ). In addition, L-ascorbic acid is also simply referred to as "ascorbic acid".

양태 1 에서는, 제 1 환원 공정과 제 2 환원 공정이 채용되는 것에 특징이 있다. 이와 같은 특징이 있는 구성의 채용에 추가로, 제 1 환원 공정 및 제 2 환원 공정은, 다음과 같은 특징이 있는 구성을 포함한다. 구체적으로는, 제 1 환원 공정은, L-아스코르브산을 미리 준비한 카본 분말의 수현탁액의 80 ∼ 100 ℃ 의 가열 용액에 첨가하고, 이어서, 이 가열 온도를 유지하면서, 얻어지는 상기 아스코르브산 함유 카본 분말의 수현탁액에 상기 카본 분말 1 g 당 백금 환산으로 0.001 g/분 ∼ 0.03 g/분의 투입 속도로 상기 염화 백금산 수용액을 첨가함으로써, 카본 분말의 표면 상에 나노미터 오더의 크기로 성장한 백금 입자를 방상으로 담지시키는 것인데, 추가로, 상기 처리에서 사용되는 염화 백금산에 대해, 몰비로, 2.33 내지 3.17 배의 상기 아스코르브산이 사용되는 것에도 특징이 있다. 여기에서 말하는, 염화 백금산에 대한 아스코르브산의 몰비는, 전자를 환원하는 데에 필요해지는 화학량론 상의 몰비보다 과잉인 양의 아스코르브산이 사용되고 있다. 이것은, 양태 1 에 있어서의 제 1 환원 공정의 반응 조건 하에서는, 반드시, 화학량론에 따라 사용되는 아스코르브산이 작용하지 않는 것이 확인되었던 것에 기초한다. 한정되는 것은 아니지만, 양태 1 에서는, 상기 서술한「2.33 내지 3.17 배의 상기 아스코르브산이 사용되는」것에 의해, 사용되고 있는 염화 백금산의 약 70 % ∼ 약 95 % 가 환원된다. 이렇게 하여, 제 2 환원 공정이 채용되고, 당해 공정에서는, 제 1 환원 공정 후의 80 ∼ 100 ℃ 로 가열된 현탁액에, 당해 환원 공정 후에 잔존하는 염화 백금산의 전부를 환원할 수 있는 양의 L-아스코르브산이 첨가된다. 그런데, 만일, 제 1 환원 공정에서 사용되고 있는 염화 백금산의 전체량을 환원하기 위해서는, 몰비로, 거의 3.33 배의 아스코르브산을 사용하는 것이 필요하다는 것이 확인되어 있다. 따라서, 제 1 환원 공정 후에 잔존하는 염화 백금산의 전부 (계산 상, 5 % ∼ 30 %) 를 환원할 수 있는 양의 아스코르브산은, 제 1 환원 공정에서 아스코르브산이 첨가한 양이 염화 백금산에 대해 X 배 몰의 몰비인 경우에 있어서, 염화 백금산에 대해 몰비로 (3.33-X) 배 이상의 아스코르브산을, 제 1 환원 공정 후의 가열 현탁액에 첨가하면 된다.Embodiment 1 is characterized in that the first reduction step and the second reduction step are employed. In addition to adopting such a characteristic configuration, the first reduction step and the second reduction step include the following characteristic configuration. Specifically, in the first reduction step, L-ascorbic acid is added to a heated solution at 80 to 100°C of an aqueous suspension of carbon powder prepared in advance, and then, while maintaining this heating temperature, the resulting ascorbic acid-containing carbon powder Platinum particles grown to a size on the order of nanometers on the surface of the carbon powder by adding the aqueous chloroplatinic acid solution to the aqueous suspension at an input rate of 0.001 g/min to 0.03 g/min in terms of platinum per 1 g of the carbon powder. In addition, it is characterized in that the ascorbic acid is used in a molar ratio of 2.33 to 3.17 times the chloroplatinic acid used in the treatment. As used herein, the molar ratio of ascorbic acid to chloroplatinic acid is greater than the stoichiometric molar ratio required for reducing electrons. This is based on the fact that it has been confirmed that ascorbic acid used according to the stoichiometry does not act under the reaction conditions of the first reduction step in Embodiment 1. Although not limited, in Embodiment 1, about 70% to about 95% of the chloroplatinic acid used is reduced by the above-mentioned “2.33 to 3.17 times the ascorbic acid is used”. In this way, the second reduction step is adopted, and in this step, L-ascorb in an amount capable of reducing all of the chloroplatinic acid remaining after the reduction step is added to the suspension heated to 80 to 100 ° C. after the first reduction step acid is added. However, it has been confirmed that in order to reduce the entire amount of chloroplatinic acid used in the first reduction step, it is necessary to use ascorbic acid in a molar ratio of approximately 3.33 times. Therefore, the amount of ascorbic acid capable of reducing all (calculated 5% to 30%) of the chloroplatinic acid remaining after the first reduction step is X times that of chloroplatinic acid in the amount of ascorbic acid added in the first reduction step. In the case of a molar ratio of moles, ascorbic acid at a molar ratio of (3.33-X) times or more to chloroplatinic acid may be added to the heated suspension after the first reduction step.

이것은, 이론에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니지만, 다음과 같이 이해되고 있다.Although the scope of the present invention is not limited by theory, this is understood as follows.

아스코르브산을 포함하는 가열한 현탁액에 염화 백금산 수용액을 첨가하면, 첨가하기 시작한 초기에 있어서는, 즉시 백금의 환원 반응이 진행되어, 나노미터 사이즈의 백금 입자를 형성한다. 한편, 염화 백금산 수용액의 투입 후반부터 투입 종료 시점에 있어서는, L-아스코르브산의 양이 염화 백금산의 70 % ∼ 95 % 를 환원 가능한 양으로 제한되어 있기 때문에, L-아스코르브산은 적은 상태가 되어, 염화 백금산은, 천천히 환원된다. 이 천천히 환원되는 염화 백금산은, 보다 큰 입자가 되어 안정 상태가 되려고 할 때에, 백금 입자끼리를 연결하는 접착제와 같은 역할을 하여, 카본 상에 담지된 백금 입자 상에, 초기에 생성된 백금 입자를 연결하는 작용을 미친다. 이로써, 본 제법에서는 백금 입자는 방상으로 성장하여 카본 담체 상에 담지된다. 이렇게 하여, 양태 1 의 발명에서는, 제 1 환원 공정과 제 2 환원 공정이 채용된다.When an aqueous solution of chloroplatinic acid is added to a heated suspension containing ascorbic acid, a reduction reaction of platinum proceeds immediately at the initial stage of addition, and nanometer-sized platinum particles are formed. On the other hand, from the latter half of the addition of the aqueous chloroplatinic acid solution to the end of the addition, the amount of L-ascorbic acid is limited to an amount capable of reducing 70% to 95% of the chloroplatinic acid. Platinic acid is reduced slowly. When this slowly reduced chloroplatinic acid becomes larger particles and is about to reach a stable state, it acts like an adhesive connecting the platinum particles to each other, and on the platinum particles supported on the carbon, the platinum particles initially formed have a linking effect. Thus, in this production method, the platinum particles grow in a linear fashion and are supported on the carbon carrier. In this way, in the invention of aspect 1, the first reduction step and the second reduction step are employed.

다음으로, 제 2 환원 공정 후의 현탁액은, 여과되어, 백금 입자를 담지하는 카본 입자를 포함하는 여과 케이크가 얻어지고, 이 여과 케이크를 물을 사용하여 세정하고, 물에 재현탁한 재현탁액의 조제에 사용된다. 또한, 이 현탁액은, 크롬 화합물 수용액 및 코발트 화합물 수용액을 첨가하고, 이어서 암모니아수로 pH 를 9 ∼ 11 로 조정함으로써, 수산화코발트와 수산화크롬을 상기 백금 입자 표면 상에 석출시키는 석출 공정에 제공된다. 이 석출 공정에서 얻어지는 현탁액은, 상기 서술한 백금 입자를 담지하는 카본 입자를 포함하는 여과 케이크를 얻는 것과 마찬가지로, 여과, 세정, 건조 처리되어, 카본 분말의 표면 상에 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 백금 입자를 방상으로 담지한 분말을 얻는 공정에 제공된다. 당해 분말은, 추가로, 불활성 가스 또는 질소 분위기 중에서 그 분말을 열처리하는 열처리 공정에 제공되는, 목적하는 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매를 제공할 수 있다.Next, the suspension after the second reduction step is filtered to obtain a filter cake containing carbon particles carrying platinum particles. This filter cake is washed with water and resuspended in water to prepare a resuspended liquid. used Further, this suspension is subjected to a precipitation step in which cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated on the surface of the platinum particles by adding an aqueous solution of a chromium compound and an aqueous solution of a cobalt compound, and then adjusting the pH to 9 to 11 with aqueous ammonia. The suspension obtained in this precipitation step is filtered, washed, and dried in the same way as obtaining the above-mentioned filter cake containing carbon particles supporting platinum particles, and cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated on the surface of the carbon powder. It is provided in the process of obtaining a powder in which platinum particles are supported in a spiral shape. The powder can provide a desired platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst for a fuel cell, which is further subjected to a heat treatment step of heat-treating the powder in an inert gas or nitrogen atmosphere.

이하에, 설명이 중복되는 경우가 있지만, 더욱 본 발명을 구체적으로 설명한다.Although the description may be overlapped below, the present invention will be described more concretely.

양태 1 에서 사용하는 카본 분말로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전극 촉매의 제조에 있어서 백금을 담지시키기 위해 사용되는 것이어도 되고, 예를 들어, 퍼네이스 블랙, 채널 블랙, 아세틸렌 블랙 등의 카본 블랙, 이것들을 흑연화 처리한 흑연화 카본 등을 들 수 있다. 예를 들어, 비표면적이 50 ㎡/g ∼ 300 ㎡/g 인 도전성의 흑연화 카본을, 물에 현탁시켜 현탁액을 얻는다. 현탁액 중의 카본 농도는 10 g/L ∼ 18 g/L 으로 할 수 있다.The carbon powder used in Embodiment 1 is not particularly limited, but may be used to support platinum in the production of the electrode catalyst, and examples include carbon black such as furnace black, channel black, and acetylene black; The graphitized carbon etc. which carried out the graphitization process of these are mentioned. For example, a suspension is obtained by suspending conductive graphitized carbon having a specific surface area of 50 m 2 /g to 300 m 2 /g in water. The carbon concentration in the suspension can be 10 g/L to 18 g/L.

여기서 사용하는 물은, 이온 교환한 순수로 할 수 있다.The water used here can be ion-exchanged pure water.

염화 백금산의 수용액을 준비하는 공정을 포함한다. 농도는 백금 환산으로 130 g/L ∼ 660 g/L 으로 할 수 있다.A step of preparing an aqueous solution of chloroplatinic acid is included. The concentration can be 130 g/L to 660 g/L in terms of platinum.

제 1 환원 공정 및 제 2 환원 공정에서는, L-아스코르브산이 백금의 환원제로서 사용되지만, 아스코르브산은, 각종 환원계에서 다용되는 알데히드류, 히드라진, 에탄올과 비교하여, 안전하게 취급하기 쉬운 환원제이다. 또, 염화 백금산은 백금 화합물 중에서 가장 일반적이고, 비교적 저렴하다.In the first reduction step and the second reduction step, L-ascorbic acid is used as a reducing agent for platinum, but ascorbic acid is a reducing agent that is safe and easy to handle compared to aldehydes, hydrazine, and ethanol, which are frequently used in various reduction systems. In addition, chloroplatinic acid is the most common and relatively inexpensive among platinum compounds.

또, 제 1 환원 공정에서는, 아스코르브산 함유 카본 분말의 80 ∼ 100 ℃ 수현탁액에, 카본 분말 1 g 당 백금 환산으로 0.001 g/분 ∼ 0.03 g/분의 투입 속도로 상기 염화 백금산 수용액이 첨가된다. 여기서, 현탁액의 온도가 80 ℃ 보다 낮으면 염화 백금산의 환원 반응이 진행되기 어려워지고, 100 ℃ 이상에서는, 용매인 물의 증발량이 커져 용매량의 적정화가 어려워지기 때문에, 가열 온도는 80 ∼ 100 ℃ 의 범위로 하는 것이 일반적이다. 또, 제 1 환원 공정 중의 가열 온도가 환원 반응의 속도, 방상의 백금 입자의 성장도에 영향을 주기 때문에, 방상의 백금 입자를 양호한 정밀도로 제어하기 위해서는, 상기 가열 온도는 소정의 ±1.5 ℃ 의 범위에서 제어하는 것이 바람직하다.Further, in the first reduction step, the aqueous chloroplatinic acid solution is added to an aqueous suspension of the ascorbic acid-containing carbon powder at 80 to 100°C at a feeding rate of 0.001 g/min to 0.03 g/min in terms of platinum per 1 g of the carbon powder. . Here, when the temperature of the suspension is lower than 80 ° C., the reduction reaction of chloroplatinic acid hardly proceeds, and at 100 ° C. or higher, the evaporation amount of water as the solvent increases, making it difficult to titrate the solvent amount. Therefore, the heating temperature is 80 to 100 ° C. It is common to have a range. In addition, since the heating temperature in the first reduction step affects the rate of the reduction reaction and the degree of growth of the linear platinum particles, in order to control the linear platinum particles with good precision, the heating temperature is of a predetermined ±1.5°C. It is desirable to control within the range.

다음으로, 염화 백금산 수용액을, 현탁액 중의 카본 분말 1 g 당 백금 환산으로 0.001 g/분 ∼ 0.03 g/분, 바람직하게는, 0.002 g/분 ∼ 0.01 g/분, 보다 바람직하게는, 0.003 g/분 ∼ 0.006 g/분의 투입 속도로, 그 현탁액에 첨가한다.Next, an aqueous solution of chloroplatinic acid is added in an amount of 0.001 g/min to 0.03 g/min, preferably 0.002 g/min to 0.01 g/min, more preferably 0.003 g/min in terms of platinum per 1 g of carbon powder in the suspension. min to 0.006 g/min, and added to the suspension.

도 1 에 본 제조 방법으로 제조한 제 2 환원 공정 후의 백금 담지 카본의 TEM 이미지의 일례를 나타낸다.1 shows an example of a TEM image of platinum-carrying carbon after the second reduction step produced by this production method.

도 1 에 의하면, 백금의 대부분은 제 1 환원 공정에서 환원되어 있고, 제 1 환원 공정 후에는, 백금 입자는 TEM 이미지와 같이 방상으로 카본 담체 상에 담지되어 있는 것으로 생각된다. 이 방상의 백금 입자의 성장도가 합금 입경을 결정하는 최대의 인자가 되는 경우가 있다.According to FIG. 1, most of the platinum is reduced in the first reduction step, and it is considered that after the first reduction step, the platinum particles are supported on the carbon carrier in a linear shape as shown in the TEM image. The degree of growth of these asymmetric platinum particles may be the largest factor in determining the alloy particle size.

염화 백금산 수용액을 카본 분말 1 g 당 백금 환산으로 0.001 g/분 ∼ 0.03 g/분 동안 소정의 투입 속도로 첨가함으로써, 입자의 성장도를 공업적으로 실시 가능한 레벨로 안정적이고 또한 균일하게 제어할 수 있다.By adding an aqueous solution of chloroplatinic acid at a predetermined feed rate for 0.001 g/min to 0.03 g/min in terms of platinum per 1 g of carbon powder, the degree of particle growth can be stably and uniformly controlled to an industrially feasible level. there is.

이 이유는, 당해 단계에 있어서, 염화 백금산을 첨가하는 속도를 컨트롤함으로써, 충분한 혼합, 확산 조건 하에서 환원 반응 속도를 컨트롤할 수 있기 때문인 것으로 생각된다.This reason is considered to be because the reduction reaction rate can be controlled under sufficient mixing and diffusion conditions by controlling the rate at which chloroplatinic acid is added in the step.

이후에 나타내는 표 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 염화 백금산 수용액의 투입 속도에 대해 합금의 평균 입자경이 변화되기 때문에, 이 관계를 이용하여, 합금의 평균 입자경을 8 ∼ 20 ㎚ 중에서 특히 목표로 하는 합금의 평균 입자경으로 조정하는 것이 가능하다. 합금의 평균 입자경을 바람직하게는, 8 ∼ 16 ㎚, 보다 바람직하게는, 10 ∼ 14 ㎚ 로 할 수 있다.As can be seen from Table 1 shown later, since the average particle diameter of the alloy changes with the rate of introduction of the aqueous chloroplatinic acid solution, using this relationship, the average particle diameter of the alloy is particularly targeted among 8 to 20 nm. It is possible to adjust to the average particle diameter of The average particle diameter of the alloy can be preferably 8 to 16 nm, more preferably 10 to 14 nm.

제 2 환원 공정에서는, 상기 서술한 바와 같이, 제 1 환원 공정에서 환원되지 않고 잔존한 염화 백금산의 모두를 환원할 수 있는 양의 아스코르브산이, 제 1 환원 공정 후의 80 ∼ 100 ℃ 로 가열된 현탁액에 첨가되고, 이것에 의해, 제 1 환원 공정에서 카본 분말상으로 석출된 백금 입자 상에 추가적인 백금을 석출시킬 수 있다.In the second reduction step, as described above, ascorbic acid in an amount capable of reducing all of the chloroplatinic acid remaining unreduced in the first reduction step is added to the suspension heated to 80 to 100°C after the first reduction step. In this way, additional platinum can be deposited on the platinum particles precipitated on the carbon powder in the first reduction step.

제 2 환원 공정에서 현탁액에 첨가하는 L-아스코르브산의 양은 제 1 환원 공정에서 남은 염화 백금산의 전부를 환원할 수 있는 양 이상으로 한다. 예를 들어, 제 1 환원 공정에 있어서 염화 백금산에 대해 2.33 배의 몰비의 L-아스코르브산을 첨가한 경우에는, 제 2 환원 공정에 있어서 (3.33 ― 2.33) = 1.00 배 몰 이상의 양의 L-아스코르브산의 양으로 한다.The amount of L-ascorbic acid added to the suspension in the second reduction step is equal to or greater than the amount capable of reducing all of the remaining chloroplatinic acid in the first reduction step. For example, when L-ascorbic acid is added in a molar ratio of 2.33 times that of chloroplatinic acid in the first reduction step, (3.33 - 2.33) = 1.00 times more L-ascorbic acid in the second reduction step. with the amount of acid.

또, 예를 들어, 제 1 환원 공정에 있어서 염화 백금산에 대해 3.17 배 몰의 L-아스코르브산을 첨가한 경우에는, 제 2 환원 공정에 있어서 (3.33 ― 3.17) = 0.16 배 몰 이상의 양의 L-아스코르브산의 양으로 한다.Further, for example, when 3.17 times mole of L-ascorbic acid is added to chloroplatinic acid in the first reduction step, (3.33 - 3.17) = 0.16 times mole or more of L- in the second reduction step. the amount of ascorbic acid.

제 2 환원 공정에서 현탁액에 첨가하는 L-아스코르브산의 양을 상기와 같이 함으로써, 제 1 환원 공정 후에 남은 5 ∼ 30 % 의 미환원의 염화 백금산에 대해서는, 제 2 환원 공정에서, 접착제적 역할을 이루고 있는 염화 백금산을 포함하고, 염화 백금산의 전부를 환원하여, 백금 카본 상에 담지할 수 있다. 이와 같이, 거의 완전히 카본 상에 담지시켜, 백금의 로스로 이어지는 미환원의 백금을 발생시키지 않는 것이 공업적으로 중요한 것은 말할 필요도 없고, 그 때문에, 대과잉 (염화 백금산의 전부를 환원 가능한 양의 3 배 정도) 의 L-아스코르브산을 첨가하여 환원하는 것이 바람직하다. 즉, 제 2 환원 공정에서는, 미소하게 남은 미환원의 염화 백금산을 완전히 환원하기 위해, 대과잉 (염화 백금산의 전부를 환원 가능한 양의 3 배 정도) 의 L-아스코르브산을 첨가할 수 있고, L-아스코르브산을 복수회로 나누어 첨가해도 된다.By adjusting the amount of L-ascorbic acid added to the suspension in the second reduction step as described above, the remaining 5 to 30% of unreduced chloroplatinic acid after the first reduction step plays an adhesive role in the second reduction step. Including the chloroplatinic acid formed, all of the chloroplatinic acid can be reduced and supported on the platinum carbon. Needless to say, it is industrially important to carry almost completely on carbon in this way and not to generate unreduced platinum leading to platinum loss, and for that reason, a large excess (the amount of reducing all of chloroplatinic acid) It is preferable to reduce by adding L-ascorbic acid in an amount of about 3 times). That is, in the second reduction step, a large excess (about 3 times the amount capable of reducing all of the chloroplatinic acid) of L-ascorbic acid can be added in order to completely reduce the remaining unreduced chloroplatinic acid. - You may divide and add ascorbic acid in multiple times.

상기 서술한 바와 같이, 제 2 환원 공정 후의 현탁액은, 여과되어 백금 입자를 담지하는 카본 입자를 포함하는 여과 케이크가 얻어지고, 이 여과 케이크를 물을 사용하여 세정하고, 물에 재현탁한 재현탁액의 조제에 사용된다. 또한, 이 현탁액은, 크롬 화합물 수용액 및 코발트 화합물 수용액을 첨가하고, 이어서 암모니아수로 pH 를 9 ∼ 11 로 조정함으로써, 수산화코발트와 수산화크롬을 상기 백금 입자 표면 상에 석출시키는 석출 공정에 제공된다. 이 석출 공정에서 얻어지는 현탁액은, 상기 서술한 백금 입자를 담지하는 카본 입자를 포함하는 여과 케이크를 얻는 것과 마찬가지로, 여과, 세정, 건조 처리되어, 카본 분말의 표면 상에 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 백금 입자를 방상으로 담지한 분말을 얻는 공정에 제공된다. 당해 분말은, 추가로, 불활성 가스 또는 질소 분위기 중에서 그 분말을 열처리하는 열처리 공정에 제공되는, 목적하는 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매를 제공할 수 있다. 상기의, 수산화코발트와 수산화크롬을 상기 백금 입자 표면 상에 석출시키는 석출 공정은, 일반적으로, 5 ℃ ∼ 50 ℃ 의 온도에서, 0.1 시간 ∼ 3 시간 실시할 수 있다.As described above, the suspension after the second reduction step is filtered to obtain a filter cake containing carbon particles carrying platinum particles. This filter cake is washed with water and resuspended in water. used in preparation Further, this suspension is subjected to a precipitation step in which cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated on the surface of the platinum particles by adding an aqueous solution of a chromium compound and an aqueous solution of a cobalt compound, and then adjusting the pH to 9 to 11 with aqueous ammonia. The suspension obtained in this precipitation step is filtered, washed, and dried in the same way as obtaining the above-mentioned filter cake containing carbon particles supporting platinum particles, and cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated on the surface of the carbon powder. It is provided in the process of obtaining a powder in which platinum particles are supported in a spiral shape. The powder can provide a desired platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst for a fuel cell, which is further subjected to a heat treatment step of heat-treating the powder in an inert gas or nitrogen atmosphere. The above-described precipitation step of depositing cobalt hydroxide and chromium hydroxide on the surface of the platinum particles can generally be performed at a temperature of 5°C to 50°C for 0.1 hour to 3 hours.

상기 서술한 세정의 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니고 여러 가지의 수단에 의해 실시할 수 있다. 여과는, 벨트 필터, 드럼 필터, 원심 분리기, 진공 여과기, 가압 여과기, 필터 프레스 등을 사용하여 실시할 수 있다.The cleaning method described above is not particularly limited and can be performed by various means. Filtration can be performed using a belt filter, a drum filter, a centrifugal separator, a vacuum filter, a pressure filter, a filter press, or the like.

수산화코발트, 수산화크롬의 석출 담지의 방법에 대해서는, 제 2 환원 공정에서 얻어지는 백금을 담지하는 카본 입자를 포함하는 여과 케이크의 물에 대한 재현탁을, 예를 들어, 아세트산크롬 수용액 및 아세트산코발트 수용액과 혼합하고, 이렇게 하여 얻어지는 혼합액을 암모니아수로 pH 를 9 ∼ 11 로 조정함으로써 수산화코발트와 수산화크롬을 백금 입자 표면 상에 석출시킬 수 있다. 코발트 화합물, 크롬 화합물로는, 아세트산크롬, 및 아세트산코발트를 사용할 수 있다. 또, 아세트산염 대신에 질산크롬, 질산코발트 등의 화합물을 사용할 수 있다.Regarding the method of depositing and supporting cobalt hydroxide and chromium hydroxide, the filter cake containing carbon particles supporting platinum obtained in the second reduction step is resuspended in water, for example, with an aqueous solution of chromium acetate and an aqueous solution of cobalt acetate. By mixing and adjusting the pH of the mixture obtained in this way to 9 to 11 with aqueous ammonia, cobalt hydroxide and chromium hydroxide can be deposited on the surface of the platinum particles. As the cobalt compound and the chromium compound, chromium acetate and cobalt acetate can be used. Moreover, compounds, such as chromium nitrate and cobalt nitrate, can be used instead of acetate.

이렇게 하여, 카본 분말의 표면 상에 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 나노미터 오더의 크기의 백금 입자를 방상으로 담지한 분말을 얻을 수 있지만, 이러한 분말은, 불활성 가스 또는 질소 분위기 중에서 열처리된다.In this way, it is possible to obtain a powder in which cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated on the surface of the carbon powder and platinum particles of nanometer order are supported in a linear shape. This powder is heat-treated in an inert gas or nitrogen atmosphere.

백금-수산화코발트-수산화크롬 담지 카본 분말의 현탁액의 여과, 세정은 백금 담지 카본 현탁액의 여과, 세정과 동일한 수단에 의해 실시할 수 있다.The filtration and washing of the suspension of the platinum-cobalt hydroxide-chromium hydroxide-carrying carbon powder can be performed by the same means as the filtration and washing of the platinum-carrying carbon suspension.

이들 공정에서 사용되는 건조 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 다양한 건조기를 사용하여 건조를 실시할 수 있고, 구체적으로는, 열풍 건조기, 진공 건조기, 이너트 오븐 등을 사용하여 50 ℃ ∼ 250 ℃ 의 온도에서, 수 시간 내지 수십 시간 실시하는 방법을 들 수 있다.The drying method used in these steps is not particularly limited, but can be dried using various dryers, specifically, using a hot air dryer, vacuum dryer, inert oven, etc. A method of performing several hours to several tens of hours at a temperature may be mentioned.

건조시킨 백금-수산화코발트-수산화크롬 담지 카본 분말을 불활성 가스 또는 질소 분위기 중, 예를 들어 800 ℃ ∼ 1100 ℃ 에서 열처리한다. 이로써, 백금 코발트크롬의 합금 입자가 생성된다. 이 때, 사용하는 불활성 가스로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 헬륨 가스나 아르곤 가스를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 가스를 유통 하에서 실시할 수 있다.The dried platinum-cobalt hydroxide-chromium hydroxide-supported carbon powder is subjected to heat treatment in an inert gas or nitrogen atmosphere at, for example, 800°C to 1100°C. As a result, alloy particles of platinum cobalt chromium are produced. At this time, the inert gas used is not particularly limited, but helium gas or argon gas can be used. Preferably, gas can be carried out under circulation.

이상에 의해 얻어지는 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 TEM 이미지의 일례를 도 2 에 나타낸다.Fig. 2 shows an example of a TEM image of the platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst obtained as described above.

실시예Example

이하, 본 발명의 실시예를 설명하지만, 본 발명은, 그것들에 한정되는 것은 아니다.Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited thereto.

(실시예 1)(Example 1)

먼저, 비표면적이 약 80 ㎡/g 인 도전성의 흑연화 카본 1877 g 을, 150 L 의 순수 중에 현탁시키고, 상기 현탁액을 교반하면서 97 ∼ 100 ℃ 로 가열 후, L-아스코르브산 594 g 을 첨가하고, 그 5 분 후에 염화 백금산 수용액을 첨가하기 시작하였다. 이 때, 백금 함유량으로 264 g 에 상당하는 염화 백금산을 순수 1100 g 에 용해시킨 것을, 송액 펌프를 사용하여, 일정한 속도로 40 분에 걸쳐 첨가하였다. 따라서, 염화 백금산 수용액의 투입 속도는 카본 분말 1 g 당 백금 환산으로 0.0035 g/분이 된다. 상기 염화 백금산 수용액의 투입 완료 5 분 후에, L-아스코르브산 1306 g 을 첨가하고, 그 10 분 후에 가열을 정지시켰다. 이와 같이 하여, 카본 담체 상에 백금 입자가 방상으로 담지된 분말을 포함하는 현탁액을 얻었다. 이하, 이 현탁액을「SPtC1」이라고 부른다.First, 1877 g of conductive graphitized carbon having a specific surface area of about 80 m 2 /g was suspended in 150 L of pure water, and the suspension was heated at 97 to 100° C. while stirring, and then 594 g of L-ascorbic acid was added, , 5 minutes after that, the addition of the aqueous chloroplatinic acid solution was started. At this time, what was dissolved in 1100 g of pure water of chloroplatinic acid corresponding to 264 g in terms of platinum content was added at a constant rate over 40 minutes using a liquid feed pump. Therefore, the feed rate of the aqueous chloroplatinic acid solution is 0.0035 g/min in terms of platinum per 1 g of carbon powder. Five minutes after completion of the addition of the aqueous chloroplatinic acid solution, 1306 g of L-ascorbic acid was added, and heating was stopped 10 minutes after that. In this way, a suspension containing a powder in which platinum particles were supported on a carbon carrier in a form was obtained. Hereinafter, this suspension is called "SPtC1".

<수산화코발트, 수산화크롬의 석출><Precipitation of cobalt hydroxide and chromium hydroxide>

현탁액 SPtC1 을, 여과하여, 여과 케이크를 얻었다. 이것을 세정한 후, 순수 120 L 중에 현탁시켜, 교반하면서 25 ∼ 30 ℃ 로 가열 후, 아세트산코발트 (II) 사수화물 174 g 과 아세트산크롬 (III) 118 g 을 3 L 의 물에 용해시킨 액을 첨가하고, 30 분 이상 혼합하였다. 그 후, 수산화코발트와 수산화크롬을 석출시키기 위해 25 % 암모니아수 762 g 을 송액 펌프를 사용하여, 일정한 속도로 10 분에 걸쳐 상기 현탁액에 첨가하였다. 이와 같이 하여, 백금 입자 표면 상에, 수산화코발트, 수산화크롬을 석출시킨 방상의 백금 입자가 담지된 카본 분말을 포함하는 현탁액을 얻었다. 이하, 이 현탁액을「SPtCoCrC1」이라고 부른다.The suspension SPtC1 was filtered to obtain a filter cake. After washing this, it was suspended in 120 L of pure water, heated at 25 to 30 ° C. while stirring, and then a solution obtained by dissolving 174 g of cobalt (II) acetate tetrahydrate and 118 g of chromium (III) acetate in 3 L of water was added. and mixed for 30 minutes or longer. Thereafter, 762 g of 25% aqueous ammonia was added to the suspension at a constant rate over 10 minutes to precipitate cobalt hydroxide and chromium hydroxide using a liquid feed pump. In this way, a suspension containing the carbon powder on which the square-shaped platinum particles in which cobalt hydroxide and chromium hydroxide were precipitated on the surfaces of the platinum particles was supported was obtained. Hereinafter, this suspension is called "SPtCoCrC1".

현탁액 SPtCoCrC1 을 여과하여, 여과 케이크를 얻었다. 이것을 세정한 후, 100 ℃ 에서 48 시간에 걸쳐, 진공 건조에 제공하였다. 이와 같이 하여, 백금 입자 표면 상에, 수산화코발트, 수산화크롬을 석출시킨 방상의 백금 입자가 담지된 카본 분말을 얻었다. 이하, 이 분말을「분말 P1」이라고 부른다.The suspension SPtCoCrC1 was filtered to obtain a filter cake. After washing this, it used for vacuum drying at 100 degreeC over 48 hours. In this way, a carbon powder having cobalt hydroxide and chromium hydroxide precipitated on the surfaces of the platinum particles supported with linear platinum particles was obtained. Hereinafter, this powder is referred to as &quot;powder P1&quot;.

이어서, 분말 P1 을, 미세한 분말상으로 분쇄한 후, 질소 분위기 중, 980 ℃ 에서 1.5 시간에 걸쳐 열처리에 제공하였다.Subsequently, after pulverizing the powder P1 into a fine powder, it was subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere at 980°C for 1.5 hours.

이상과 같이 하여, 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매를 제조하였다. 이하, 이것을「실시예 1」이라고 부른다.As described above, a platinum cobalt chromium alloy supported carbon catalyst was prepared. Hereinafter, this is called "Example 1".

(실시예 2)(Example 2)

염화 백금산의 환원 담지시의 온도를 92 ∼ 95 ℃ 로 하는 것과, 염화 백금산의 투입 시간을 35 분으로 한 것을 제외하고는, 실시예 1 과 동일하게 하여, 담지 촉매를 제조하였다. 이하, 이것을「실시예 2」라고 부른다. 이 때, 염화 백금산의 투입 속도는 카본 분말 1 g 당 0.0040 g/분이 된다.A supported catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature at the time of reduction and supporting of chloroplatinic acid was set to 92 to 95 ° C., and the addition time of chloroplatinic acid was set to 35 minutes. Hereinafter, this is called "Example 2". At this time, the feed rate of chloroplatinic acid is 0.0040 g/min per 1 g of carbon powder.

(실시예 3)(Example 3)

염화 백금산의 환원 담지시의 온도를 92 ∼ 95 ℃ 로 한 것과, 염화 백금산의 투입 시간을 31 분으로 한 것을 제외하고는, 실시예 1 과 동일하게 하여, 담지 촉매를 제조하였다. 이하, 이것을「실시예 3」이라고 부른다. 이 때, 염화 백금산의 투입 속도는 카본 분말 1 g 당 0.0045 g/분이 된다.A supported catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature at the time of reduction and supporting of chloroplatinic acid was set to 92 to 95° C. and the addition time of chloroplatinic acid was set to 31 minutes. Hereinafter, this is called "Example 3". At this time, the feed rate of chloroplatinic acid is 0.0045 g/min per 1 g of carbon powder.

(실시예 4)(Example 4)

염화 백금산의 환원 담지시의 온도를 92 ∼ 95 ℃ 로 하는 것과, 염화 백금산의 투입 시간을 29 분으로 한 것을 제외하고는, 실시예 1 과 동일하게 하여, 담지 촉매를 제조하였다. 이하, 이것을「실시예 4」라고 부른다. 이 때, 염화 백금산의 투입 속도는 카본 분말 1 g 당 0.0049 g/분이 된다.A supported catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature at the time of reduction and supporting of chloroplatinic acid was set to 92 to 95 ° C., and the addition time of chloroplatinic acid was set to 29 minutes. Hereinafter, this is called "Example 4". At this time, the feed rate of chloroplatinic acid is 0.0049 g/min per 1 g of carbon powder.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

제 1 환원 공정에서 투입하는 L-아스코르브산의 양을 염화 백금산을 전부 환원 가능한 양인 1900 g 으로 한 것과, 염화 백금산의 투입 시간을 10 초로 한 것과, 제 2 환원 공정을 실시하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1 에 대해 설명한 것과 동일하게 하여, 담지 촉매를 제조하였다. 이하, 이것을「비교예 1」이라고 부른다. 이 때, 염화 백금산의 투입 속도는 카본 분말 1 g 당 0.8443 g/분이 된다.Except that the amount of L-ascorbic acid introduced in the first reduction step was 1900 g, which is an amount capable of reducing all chloroplatinic acid, the addition time of chloroplatinic acid was set to 10 seconds, and the second reduction step was not performed. , In the same manner as described for Example 1, a supported catalyst was prepared. Hereinafter, this is called "Comparative Example 1". At this time, the feed rate of chloroplatinic acid is 0.8443 g/min per 1 g of carbon powder.

하기 표 1 에, 실시예 1 ∼ 4 와 비교예 1 의 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 백금 코발트크롬 합금의 평균 입자경과 표준 편차 σ 를 나타낸다.In Table 1 below, the average particle diameter and standard deviation σ of the platinum cobalt chromium alloy of the platinum cobalt chromium alloy supported carbon catalysts of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 are shown.

Figure pct00001
Figure pct00001

<촉매 입자의 평균 입자경의 측정><Measurement of Average Particle Diameter of Catalyst Particles>

각 시료의 TEM 관찰로부터 구하였다.It was obtained from TEM observation of each sample.

상기 표 1 의 비교예 1 에서는, 합금 입경의 편차가 커서 바람직하지 않은 촉매 물성이었다.In Comparative Example 1 of Table 1, the variation in alloy grain size was large, which was undesirable catalyst property.

한편, 상기 표 1 의 실시예 1 내지 실시예 4 에 관련된 촉매는, 합금 입자의 평균 입경 직경은 8 ∼ 20 ㎚ 의 범위로 되어 있어, 비교적 균일하였다. 또, 온도와 염화 백금산의 적하 시간을 변경함으로써 특히 목표로 하는 합금 입경으로 조정 가능하게 되어 있다. 즉, 이들 결과로부터, 본 제조 방법으로 촉매를 제조함으로써, 백금-코발트-크롬 합금 촉매에 있어서, 합금 촉매 입자경을 8 ∼ 20 ㎚ 의 범위로부터 목표로 하는 촉매 입경으로 공업 스케일로 양호하게 재현되어 제조할 수 있는 것이 시사되었다.On the other hand, in the catalysts related to Examples 1 to 4 in Table 1, the average particle diameter of the alloy particles was in the range of 8 to 20 nm, and was relatively uniform. In addition, by changing the temperature and the dripping time of chloroplatinic acid, it is possible to adjust the particle size of the alloy to be particularly targeted. That is, from these results, by producing a catalyst by this production method, in a platinum-cobalt-chromium alloy catalyst, the target catalyst particle size in the range of 8 to 20 nm is well reproduced and produced on an industrial scale What could be done was suggested.

<전기 화학적 평가><Electrochemical evaluation>

연료 전지용 전극 촉매로서의 성능을 평가하기 위해, 실시예 2 의 촉매에 대해 산소 환원 반응 (ORR) 활성을 비·에이·에스 제조 포텐쇼갈바노스타트를 사용하여 회전 전극법에 의해 평가하였다.To evaluate performance as an electrode catalyst for fuel cells, the oxygen reduction reaction (ORR) activity of the catalyst of Example 2 was evaluated by a rotating electrode method using a potentiogalvanostat manufactured by B.A.S.

실시예 2 의 촉매 및 퍼플루오로술폰산 분산액을 2-프로판올 및 물의 혼합 용매에 분산시켜, 촉매 잉크를 조제하였다. 상기 조제한 촉매 잉크를 유리상 카본 (직경 6 ㎜) 에, 백금량이 18 μg/㎠ 가 되도록 도포하고, 측정용 전극을 제조하였다.A catalyst ink was prepared by dispersing the catalyst of Example 2 and a perfluorosulfonic acid dispersion in a mixed solvent of 2-propanol and water. The prepared catalyst ink was applied to glassy carbon (6 mm in diameter) in such a way that the amount of platinum was 18 μg/cm 2 to prepare a measuring electrode.

제조한 측정용 전극을 질소 가스 포화한 25 ℃, 0.1 mol/L 과염소산에 침지시키고, 참조 전극에 가역 수소 전극 (RHE), 대극에 백금선을 사용하여, 전위 주사 범위를 0.05 V ∼ 1.2 V (vs. RHE), 전위 주사 속도 50 mV/sec 로 CV (사이클릭 전류 전위 곡선) 를 측정하였다. 얻어진 CV 의 수소 탈리파로부터, ECSA (전기 화학적 활성 표면적) 를 산출하였다. 그 후, 셀 내에 산소 가스를 도입하고, 산소 가스 포화 분위기 하에서, 측정용 전극을 1600 rpm 으로 회전시키면서, 전위를 0.05 V ∼ 1.2 V (vs. RHE), 전위 주사 속도 10 mV/sec 로 분극 곡선을 측정하였다. 얻어진 분극 곡선으로부터, 0.9 V 의 산소 환원 전류치 (I) 및 확산 한계 전류치로서 0.4 V 의 산소 환원 전류치 (Id) 로부터, 하기 식으로 산소의 확산 영향을 배제한 활성화 지배 전류치 (Ik) 를 산출하였다.The prepared measurement electrode was immersed in 0.1 mol/L perchloric acid at 25°C saturated with nitrogen gas, and a reversible hydrogen electrode (RHE) was used as the reference electrode and a platinum wire was used as the counter electrode, and the potential scanning range was 0.05 V to 1.2 V (vs RHE), CV (cyclic current potential curve) was measured at a potential scan rate of 50 mV/sec. ECSA (electrochemically active surface area) was calculated from the hydrogen delipah of the obtained CV. Thereafter, oxygen gas was introduced into the cell, and the electrode for measurement was rotated at 1600 rpm under an oxygen gas saturated atmosphere, and a polarization curve was measured at a potential scanning speed of 10 mV/sec at a potential of 0.05 V to 1.2 V (vs. RHE). was measured. From the obtained polarization curve, the oxygen reduction current value (I) of 0.9 V and the oxygen reduction current value (Id) of 0.4 V as the diffusion limit current value, the activation dominant current value (Ik) excluding the diffusion effect of oxygen was calculated by the following formula.

Ik = Id·I (Id·I)Ik = Id I (Id I)

이 활성화 지배 전류치 (Ik) 를 ECSA 로 나눔으로써 비활성을, 상기 유리상 카본 전극 상의 백금 중량으로 나눔으로써 질량 활성을 산출하였다. 실시예 2 의 촉매의 ECSA 는 8.4 ㎡/g 이고, 비활성 및 질량 활성은 각각 5692 μA/㎠, 478 A/g 였다. 촉매 입경을 크게 함으로써, ECSA 는 비교적 작지만, 비활성 및 질량 활성은 높아, 고출력이 얻어지고 있다. 따라서, 본 제조 방법으로 제조한 촉매는, 연료 전지용 전극 촉매로서 사용할 수 있다.The specific activity was calculated by dividing this activation dominant current value (Ik) by ECSA, and the mass activity was calculated by dividing by the weight of platinum on the glassy carbon electrode. The ECSA of the catalyst of Example 2 was 8.4 m 2 /g, and the specific activity and mass activity were 5692 μA/cm 2 and 478 A/g, respectively. By increasing the catalyst particle size, ECSA is relatively small, but specific activity and mass activity are high, and high output is obtained. Therefore, the catalyst produced by this production method can be used as an electrode catalyst for fuel cells.

본 발명의 방법에 의해 얻어지는, 촉매는, 비교적 큰 입경으로서, 크기의 편차가 작은 백금 코발트크롬 합금 입자를 담지시킨 카본 촉매는, 특히, 사용시의 성능의 안정성 및 내구성이 높기 때문에, 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매로서 사용할 수 있다.The catalyst obtained by the method of the present invention has a relatively large particle diameter and a carbon catalyst supported with platinum cobalt chromium alloy particles having a small size variation. In particular, since the performance stability and durability during use are high, platinum cobalt for fuel cells It can be used as a chromium alloy supported carbon catalyst.

Claims (3)

카본 분말의 수현탁액을 준비하는 공정과,
염화 백금산의 수용액을 준비하는 공정과,
L-아스코르브산을 80 ∼ 100 ℃ 로 가열한 상기 카본 분말의 수현탁액에 첨가하고, 이어서, 이 가열 온도를 유지하면서, 얻어진 상기 아스코르브산 함유 카본 분말의 수현탁액에 상기 카본 분말 1 g 당 백금 환산으로 0.001 g/분 ∼ 0.03 g/분의 투입 속도로 상기 염화 백금산 수용액을 첨가함으로써, 상기 카본 분말의 표면 상에 나노미터 오더의 크기로 성장한 백금 입자를 방상으로 담지하는 제 1 환원 공정으로서, 상기에서 사용되는 염화 백금산에 대해, 몰비로, 2.33 내지 3.17 배의 상기 아스코르브산이 사용되는, 제 1 환원 공정과,
제 1 환원 공정 후의 80 ∼ 100 ℃ 로 가열된 현탁액에, 당해 환원 공정 후에 잔존하는 염화 백금산의 전부를 환원할 수 있는 양의 L-아스코르브산을 첨가하여 상기 염화 백금산을 환원함으로써, 상기 백금 입자 표면 상에 백금을 석출시키는 제 2 환원 공정과,
제 2 환원 공정에서 얻어지는 백금 입자를 담지하는 카본 입자를 포함하는 현탁액을 여과하여 상기 백금을 담지하는 카본 입자를 취득하고, 세정하여, 물에 재현탁한 후의 재현탁액에, 크롬 화합물 수용액 및 코발트 화합물 수용액을 첨가하고, 이어서 암모니아수로 pH 를 9 ∼ 11 로 조정함으로써, 수산화코발트와 수산화크롬을 상기 백금 입자 표면 상에 석출시키는 석출 공정과,
상기 석출 공정에서 얻어지는 현탁액을 여과하여, 상기 백금 입자 표면 상에 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 입자를 세정하고, 건조시켜, 상기 카본 분말의 표면 상에 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 백금 입자를 방상으로 담지하는 분말을 얻는 공정과,
상기 공정에서 얻어지는 수산화코발트와 수산화크롬이 석출된 백금 입자를 방상으로 담지하는 카본 분말을 불활성 가스 또는 질소 분위기 중에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 제조 방법.
A step of preparing an aqueous suspension of carbon powder;
A step of preparing an aqueous solution of chloroplatinic acid;
Adding L-ascorbic acid to an aqueous suspension of the carbon powder heated to 80 to 100°C, and then, while maintaining the heating temperature, to the obtained aqueous suspension of the carbon powder containing ascorbic acid, in terms of platinum per 1 g of the carbon powder As a first reduction step of supporting platinum particles grown to a size of nanometer order on the surface of the carbon powder, a first reduction step in which, in a molar ratio, 2.33 to 3.17 times ascorbic acid is used relative to chloroplatinic acid used in;
The surface of the platinum particles is reduced by adding L-ascorbic acid in an amount capable of reducing all of the chloroplatinic acid remaining after the reduction step to the suspension heated to 80 to 100° C. after the first reduction step, and reducing the chloroplatinic acid. A second reduction step of depositing platinum on the phase;
The suspension containing the carbon particles supporting the platinum particles obtained in the second reduction step is filtered to obtain the carbon particles supporting the platinum, washed, and resuspended in water, and then to the resuspended solution, an aqueous solution of a chromium compound and an aqueous solution of a cobalt compound. A precipitation step of precipitating cobalt hydroxide and chromium hydroxide on the surface of the platinum particle by adding and then adjusting the pH to 9 to 11 with aqueous ammonia;
The suspension obtained in the precipitation step is filtered, the particles in which cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated on the surfaces of the platinum particles are washed and dried, and the platinum particles in which cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated on the surface of the carbon powder are obtained. A step of obtaining powder to be supported in a form;
Preparation of a platinum-cobalt-chromium alloy-supported carbon catalyst for a fuel cell, comprising a heat treatment step of heat-treating the carbon powder carrying the platinum particles on which cobalt hydroxide and chromium hydroxide are precipitated in the form obtained in the above step in an inert gas or nitrogen atmosphere. Way.
제 1 항에 있어서,
상기 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매 중의 백금량을, 중량 기준으로, 11 wt% ∼ 15 wt% 로 조정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 제조 방법.
According to claim 1,
A method for producing a platinum cobalt chromium alloy supported carbon catalyst for a fuel cell, characterized in that the amount of platinum in the platinum cobalt chromium alloy supported carbon catalyst is adjusted to 11 wt% to 15 wt% on a weight basis.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 염화 백금산의 제 1 및 제 2 환원 공정에 있어서, 상기 현탁액의 온도를 92 ℃ ∼ 95 ℃ 로 하고, 백금 코발트크롬 합금 입자의 평균 입자경을 10 ∼ 20 ㎚ 로 조정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 백금 코발트크롬 합금 담지 카본 촉매의 제조 방법.
According to claim 1 or 2,
In the first and second reduction steps of chloroplatinic acid, the temperature of the suspension is set to 92 ° C. to 95 ° C., and the average particle diameter of the platinum-cobalt-chromium alloy particles is adjusted to 10 to 20 nm. Platinum for a fuel cell, characterized in that A method for producing a cobalt chromium alloy supported carbon catalyst.
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