TW201942366A - 金屬粉末 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於提供一種可形成低電阻之電極膜的導電性漿料用金屬粉末。本發明之一實施態樣係關於一種金屬粉末，其係含有鉑或鉑合金的導電性漿料用金屬粉末，其中該粉末包含Pt以外的金屬元素作為金屬元素，該Pt以外的金屬元素至少包含Ca，亦可進一步包含Al及Zr，該Pt以外的金屬元素之中，Ca、Al及Zr的總含量為10~900質量ppm。

Description

金屬粉末
本發明係關於一種金屬粉末，特別係關於主要用於電子設備的導電性漿料用金屬粉末。
近年來隨著電子設備的小型化，而要求用於該等設備的電子零件更加小型化。其中，使用陶瓷的感應器、電容器等的功能零件，期望能夠藉由多積層結構來實現小型化並且提升特性。
這種積層零件係藉由以下方式製造：使金屬粉末分散於包含有機黏結劑之有機溶劑中以形成導電性漿料，印刷於陶瓷生坯片材（green sheet）上，經由積層、壓接及切斷的步驟後，進行燒製，再形成外部電極。
用於這種導電性漿料的金屬粉末，以往要求其為高純度且高結晶性。
例如，專利文獻1中記載了藉由包含下述步驟的金屬粉末的製造方法而得到粒度分布範圍較窄、且高純度、高結晶的金屬粉末：製備1種以上之貴金屬化合物與鈣化合物的酸性水溶液的步驟；將該酸性水溶液添加至鹼性水溶液，以生成貴金屬之氧化物、氫氧化物或該等之混合物及氫氧化鈣的步驟；藉由還原劑將該貴金屬之氧化物、氫氧化物或該等之混合物還原的步驟；及將包含貴金屬之還原體的固體成分進行分離並熱處理的步驟。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2017-57480號公報
[發明所欲解決之課題]
然而，藉由專利文獻1所記載的方法製造鉑粉末的情況下，在進行膏狀化以燒製膜電極時，會有存在於粉末空間之氣體以內含的形態下燒結的疑慮。結果，由於所形成之電極膜的緻密性不充分而電阻值變高，目前尚有改良的空間。
鑒於上述以往的課題，本發明之目的在於提供一種含有鉑或鉑合金的導電性漿料用金屬粉末，且可形成低電阻之電極膜的金屬粉末。
[解決課題之手段]
本案發明人等為了解決上述課題而反復深入研究的結果，發現在含有鉑或鉑合金的導電性漿料用金屬粉末中，使用以特定範圍的量含有特定金屬元素的金屬粉末，藉此可提供一種可形成低電阻之電極膜的導電性漿料，進而完成本發明。
亦即，本發明顯示如下。
1.一種金屬粉末，其係含有鉑或鉑合金的導電性漿料用金屬粉末，
該粉末包含Pt以外的金屬元素作為金屬元素，
該Pt以外的金屬元素至少包含Ca，亦可進一步包含Al及Zr，
該Pt以外的金屬元素之中，Ca、Al及Zr的總含量為10~900質量ppm。
2.如該1之金屬粉末，其中，內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為200質量ppm以下。
3.如該1或2之金屬粉末，其中，該鉑合金係選自鉑-金合金、鉑-銠合金及鉑-鈀合金的至少一種鉑合金。
4.如該1至3中任一項之金屬粉末，其中，內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為10質量ppm以上。
5.如該1至3中任一項之金屬粉末，其中，該Pt以外的金屬元素之中，未內含於該鉑或鉑合金中的Ca、Al及Zr的含量為10~900質量ppm。
6.如該1至5中任一項之金屬粉末，其中，至少包含Al及Zr的任一者作為金屬元素。
7.如該1至6中任一項之金屬粉末，其平均粒徑D50為0.1~5.0μm。
8.一種金屬粉末，其係含有鉑或鉑合金的導電性漿料用金屬粉末，
該粉末包含Pt以外的金屬元素作為金屬元素，
該Pt以外的金屬元素至少包含Ca，亦可進一步包含Al及Zr，
該Pt以外的金屬元素之中，Ca、Al及Zr的總含量為30~900質量ppm，且內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為30質量ppm以上，
相對於除了該Ca含量以外的該金屬粉末整體，該金屬粉末中的該鉑或鉑合金的含量為98.0質量%以上。
9.如該8之金屬粉末，其中，內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為30~60質量ppm，且未內含於該鉑或鉑合金中的Ca、Al及Zr的總含量為10~500質量ppm；
或是內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為30~150質量ppm，且該粉末含有未內含於該鉑或鉑合金中的Al及/或Zr。
10.如該8之金屬粉末，其中，內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為200質量ppm以下。
11.如該8至10中任一項之金屬粉末，其中，該鉑合金係選自鉑-金合金、鉑-銠合金及鉑-鈀合金的至少一種鉑合金。
12.如該8至11中任一項之金屬粉末，其中，該Pt以外的金屬元素之中，未內含於該鉑或鉑合金中的、Ca、Al及Zr的總含量為10~800質量ppm。
13.如該8至12中任一項之金屬粉末，其中，至少包含Al及Zr的任一者作為金屬元素。
14.如該8至13中任一項之金屬粉末，其平均粒徑D50為0.1~5.0μm。
[發明之效果]
藉由將本發明之金屬粉末用於導電性漿料，可形成低電阻的電極膜。
以下對本發明之金屬粉末的實施形態進行詳細說明。
本發明之一實施態樣的金屬粉末，係含有鉑或鉑合金的導電性漿料用金屬粉末，其中該粉末包含Pt以外的金屬元素作為金屬元素，該Pt以外的金屬元素至少包含Ca，亦可進一步包含Al及Zr，該Pt以外的金屬元素之中，Ca、Al及Zr的總含量為10~900質量ppm。
發明人認為，藉由製備含有特定範圍之量的特定金屬元素的金屬粉末，在使該金屬粉末膏狀化以進行燒製時，可促進晶粒的成長而高結晶化，並且不會使晶粒過度成長而可形成空隙少且緻密性高的電極膜，因此可實現膜電極的低電阻化。
[鉑或鉑合金]
用於本發明之金屬粉末的鉑較佳為純度99質量%以上。此外，上述鉑的純度，可藉由ICP測量對化學溶解而成的溶液進行測量。
鉑合金係能與上述鉑進行合金化的至少1種金屬和鉑的合金，該合金的組織中亦可含有金屬間化合物、固溶體、共晶混合物或是該等共存者。
鉑合金較佳係以鉑為主要成分。又，鉑合金中的鉑較佳為40質量%以上，更佳為50質量%以上。於此的「主要成分」係指鉑合金中所包含之成分中含量（質量）最多的成分。
鉑合金的種類並無特別限制，可列舉：鉑-金合金、鉑-銠合金、鉑-鈀合金、鉑-銀合金及鉑-銥合金等。較佳為選自鉑-金合金、鉑-銠合金及鉑-鈀合金的至少一種鉑合金。
選擇鉑及鉑合金的任一者，係根據導電性漿料的用途及要求特性。例如，感測器電極或導線電極等更優先要求低電阻化的用途中，可選擇電阻更低的鉑。相對於此，在加熱器電極等的用途中，則適用電阻溫度係數（TCR）低的鉑合金。
本發明之金屬粉末中的鉑或鉑合金的含量，相對於除了Ca元素的含量以外的本發明之金屬粉末整體，較佳為98.0~100質量%，更佳為98.5~100質量%，再佳為99.0~100質量%。藉由在98.0質量%以上，雜質所引起的逸出氣體較少，因此可形成緻密性高、且低電阻的電極膜。
[金屬元素]
本發明之金屬粉末包含Pt以外的金屬元素作為金屬元素。Pt以外的金屬元素至少包含Ca。又，本發明中的金屬元素亦可包含Ca以外的金屬元素。
本發明之金屬粉末至少包含Ca作為金屬元素，可含有Ca作為單一元素，亦可含有Ca作為化合物等的一部分構成元素。含有Ca以作為部分構成元素的化合物，可舉例如：氧化鈣、過氧化鈣、氫氧化鈣等的無機鹽、碳酸鈣、碳酸氫鈣、硝酸鈣等的含氧酸鹽、乙酸鈣、葡萄糖酸鈣、乳酸鈣等的有機鹽等。
Ca以外的金屬元素並無特別限制，可舉例如：Al、Zr、Ti、Mg、Ni等。本發明中的金屬元素較佳為至少包含Al及Zr的任一者。
可含有該等元素作為單一元素，亦可含有該等元素作為化合物等的一部分構成元素。該化合物亦可為含有2種以上上述金屬元素的化合物。
含有Al以作為部分構成元素的鋁化合物，可舉例如：氧化鋁、氫氧化鋁等。又，含有Zr以作為部分構成元素的鋯化合物，可舉例如：氧化鋯、氫氧化鋯等。
本發明中的Pt以外的金屬元素之中Ca、Al及Zr的總含量為10~900質量ppm，此點在達成電極膜的低電阻化方面十分重要。藉由使其為10質量ppm以上，可形成緻密的膜。較佳為15質量ppm以上，更佳為20質量ppm以上，再佳為25質量ppm以上，最佳為30質量ppm以上。
又，藉由使Ca、Al及Zr的總含量為900質量ppm以下，作為金屬元素的Ca本身成為燒結抑制劑，而可防止緻密性變得不充分。較佳為600質量ppm以下，更佳為550質量ppm以下。此外，Ca、Al及Zr的總含量含有10~900質量ppm，並不排除Al或Zr的含量為0質量%的情況。
該等金屬元素的含量，如下所述，藉由對於以酸使金屬粉末化學溶解而得的溶液進行ICP測量，可測量各金屬元素的含量。
在本發明之金屬粉末中作為金屬元素的Ca，其在金屬粉末中的鉑或鉑合金中內含的量較佳為200質量ppm以下，更佳為150質量ppm以下，再佳為100質量ppm以下，再佳為90質量ppm以下，再佳為60質量ppm以下。
又，在本發明之金屬粉末中作為金屬元素的Ca，其在金屬粉末中的鉑或鉑合金中內含的量較佳為10質量ppm以上，更佳為15質量ppm以上，再佳為30質量ppm以上。
又，本發明之金屬粉末包含Al或Zr作為金屬元素的情況下，金屬粉末中內含於鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Al量較佳為750質量ppm以下，更佳為700質量ppm以下，再佳為650質量ppm以下。
又，金屬粉末中內含於鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Zr量較佳為750質量ppm以下，更佳為700質量ppm以下，再佳為650質量ppm以下。
本發明之金屬粉末中選自Ca、Al、Zr的一種以上之金屬元素，從電極膜要更加低電阻化的觀點來看，金屬粉末中未內含於鉑或鉑合金中的Ca、Al及Zr的總含量較佳為5質量ppm以上，更佳為10質量ppm以上。
又，未內含於其中的Ca、Al及Zr的總含量較佳為900質量ppm以下，更佳為800質量ppm以下，再佳為700質量ppm以下，再佳為500質量ppm以下。
此外，金屬粉末中的鉑或鉑合金中內含的量為10質量ppm以上的情況下，未內含於其中的Ca、Al及Zr的總含量較佳為890質量ppm以下。
又，作為本發明的金屬粉末之一實施態樣，較佳係Pt以外的金屬元素之中Ca、Al及Zr的總含量為30~900質量ppm，且內含於鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為30質量ppm以上。
又，作為本發明的金屬粉末之一實施態樣，較佳係內含於鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為30~60質量ppm，且未內含於鉑或鉑合金中的Ca、Al及Zr的總含量為10~500質量ppm；或是內含於鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為30~150質量ppm，且該粉末含有未內含於鉑或鉑合金中的Al及/或Zr。
此處，金屬粉末中內含於鉑或鉑合金之中的Ca等的金屬元素量（金屬量），意指於不能溶解貴金屬的稀酸中分散時不會溶析，而於王水等可溶解貴金屬的強酸中分散時可溶析的金屬量。又，金屬粉末中未內含於鉑或鉑合金中的Ca等的金屬元素量（金屬量），意指於不能溶解貴金屬的稀酸中分散時可溶析的金屬量。
具體而言，金屬粉末中未內含於鉑或鉑合金中的Ca等的金屬元素量（金屬量）意指例如，從任意5處各採集2g的金屬粉末，並使其分別分散於100ml的5%硝酸（1.4N的硝酸），攪拌10分鐘並過濾後，以ICP分析濾液所測得之值（5處）的平均值。又，金屬粉末中內含於鉑或鉑合金之中的Ca等的金屬元素量（金屬量）意指「從任意5處各採集2g的金屬粉末並使其分別分散於100ml的王水，攪拌10分鐘並過濾後，以ICP分析測量濾液而得之值（5處）的平均值（亦即金屬粉末中的Ca等的金屬元素量）」與「上述金屬粉末中未內含於鉑或鉑合金中的Ca等的金屬元素量（金屬量）」的差值。
[金屬粉末]
本發明之金屬粉末的比表面積並無特別限定，例如，較佳為0.2~5.0m2 /g，更佳為0.3~3.0m2 /g，再佳為0.4~2.0m2 /g。若本發明之金屬粉末的比表面積超過5.0m2 /g，則具有搖變性（thixotropy）而適合網版印刷的膏狀化將難以進行。又，若本發明之金屬粉末的比表面積小於0.2m2 /g，則因燒結不足而難以形成緻密的膜。
此外，在本發明中，金屬粉末的比表面積係藉由BET法進行測量。BET比表面積，例如，藉由JIS Z 8830（以氣體吸附粉體（固體）的比表面積測量的方法）進行測量。
本發明之金屬粉末的平均粒徑D50並無特別限定，例如，較佳為0.1~5.0μm，更佳為0.2~3.0μm，再佳為0.2~1.5μm。若本發明之金屬粉末的平均粒徑D50小於0.1μm，則具有搖變性（thixotropy）而適合網版印刷的膏狀化將難以進行。又，若金屬粉末的平均粒徑D50超過5.0μm，則因燒結不足而難以形成緻密的膜。
此處，本發明之金屬粉末的平均粒徑D50，係指以濕式的雷射繞射法所得金屬粉末的粒度分布結果的累積粒子量曲線中，其累積量占50%時的粒徑。
本發明之金屬粉末包含特定量的上述金屬元素，藉此可使膏狀化而進行燒製時的燒結完成溫度（參照第一圖）較高。此處，燒結完成溫度意指，由於加熱而金屬粉末彼此發生質傳，變成燒結體後，質傳停止的溫度，其係指在第一圖中顯示燒結收縮行為的圖表中，維持收縮/膨脹現象持續每10℃小於0.1%的最低溫度。
藉由使燒結完成溫度變得較高，在使本發明之金屬粉末膏狀化而燒製時，係在去除存在於粉末空間之氣體的狀態下發生燒結，因此所形成之電極膜的緻密性提升，結果電阻值降低。本發明之金屬粉末的燒結完成溫度，較佳為700~1300℃，更佳為750~1200℃，再佳為800~1100℃。
本發明之金屬粉末，使用該金屬粉末所製作之膜電極的膜厚換算電阻值，較佳為15.0（mΩ/□/10μm）以下，更佳為14.5（mΩ/□/10μm）以下，再佳為13.8（mΩ/□/10μm）以下。
[金屬粉末的製造方法]
本發明之金屬粉末的製造方法，只要可得到本發明之金屬粉末則並無特別限制。
例如，於既有的鉑粉末或鉑合金粉末中添加特定量的Ca化合物等並混合，以至少含有Ca作為金屬元素，藉此可製造本發明之金屬粉末。
又，亦可在製造鉑粉末或鉑合金粉末的過程中，使本發明之金屬粉末中的鉑或鉑合金中內含至少特定量的Ca作為金屬元素來製造金屬粉末。
又，亦可藉由以下方法製造：製造鉑粉末或鉑合金粉末，於所得到之粉末中添加特定量的Ca化合物等以使其至少含有Ca作為金屬元素。
又，亦可藉由以下方法製造：在製造鉑粉末或鉑合金粉末的過程中，以本發明之金屬粉末中的鉑或鉑合金中至少內含Ca作為金屬元素的方式進行製造，再對於所得到之粉末添加特定量的包含作為金屬元素之Ca的化合物等，藉此調整作為金屬元素之Ca的含量。
Ca以外的例如Al或Zr等金屬元素的情況亦為相同。
從控制金屬粉末中內含於鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca量的觀點來看，較佳係藉由下述方式進行製造：在製造鉑粉末或鉑合金粉末的過程中，以內含特定量的Ca作為金屬元素的方式製造金屬粉末；或是在製造鉑粉末或鉑合金粉末的過程中，以使粉末中的鉑或鉑合金中內含Ca作為金屬元素的方式製造金屬粉末，再於所得到之粉末中添加Ca化合物等，藉此調整金屬粉末中作為金屬元素的Ca含量。
使Ca以外的例如Al或Zr等金屬元素內含於其中的情況亦為相同。
為了含有Ca作為金屬元素，而將既有的鉑粉末或鉑合金粉末與Ca化合物等混合，來藉此製造金屬粉末的情況下，其混合方法並無特別限制，可藉由以往習知的任意方法進行混合，以製造金屬粉末。
使Ca以外的例如Al或Zr金屬元素含有於其中的情況亦為相同。
又，作為在製造鉑粉末或鉑合金粉末的過程中，以使本發明之金屬粉末中的鉑或鉑合金中至少內含特定量的Ca作為金屬元素的方式製造金屬粉末的方法，可舉例如以下方法。
亦即，可列舉包含下述步驟的方法：製備鉑化合物與鈣化合物之酸性水溶液的步驟（酸性水溶液製備步驟）；將該酸性水溶液添加於鹼性水溶液，以生成鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物及氫氧化鈣的步驟（反應步驟）；藉由還原劑將該鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物還原的步驟（還原步驟）；及將包含鉑之還原體的固體成分進行分離並熱處理的步驟（熱處理步驟）。
又，該方法中，較佳係在該熱處理步驟後，進一步包含對所得到之熱處理物實施酸處理的步驟（酸處理步驟）。
根據該方法，在熱處理時，藉由鉑粒子彼此的質傳形成燒結體時，細微的鈣化合物殘留於燒結體內部，因此能夠以於金屬粉末中的鉑或鉑合金中至少內含Ca作為金屬元素的方式製造金屬粉末。
此處，欲使鉑或鉑合金中內含特定量的Ca作為金屬元素，只要藉由調整鉑化合物與鈣化合物的投入比例或熱處理溫度及熱處理時間來適當進行即可。關於Al或Zr亦為相同。
又，控制金屬粉末中未內含於鉑或鉑合金中的Ca、Al及Zr的含量，可列舉：於金屬粉末中進一步添加選自Ca、Al及Zr的一種以上之金屬或包含該等金屬之化合物的方法；藉由在製造金屬粉末的酸處理步驟中適當調整酸的種類、濃度來進行處理，以殘留未內含之Ca、Al及Zr的方法等。
以下雖對以內含Ca作為金屬元素的方式製造金屬粉末的方法進行說明，但其方法並不限定於以下。又，針對內含Al或Zr於其中作為金屬元素來製造金屬粉末的情況，亦可參酌以下方法適當製造。
（酸性水溶液製備步驟）
首先，製備1種以上之鉑化合物與鈣化合物的酸性水溶液。鉑化合物並無特別限制，可舉例如：六氯鉑（IV）酸、四氯鉑（II）酸、四氨鉑（II）酸等。作為金化合物，可舉例如：氯化金（III）酸、四氯金（III）酸、四氯金（III）酸銨等。
作為鈣化合物，只要可溶於酸性水溶液，則並無特別限定，可舉例如：碳酸鈣、氫氧化鈣、氧化鈣、硫酸鈣、氯化鈣、硝酸鈣等。該等之中，氯化鈣與硝酸鈣易溶於水而容易操作，因而較佳。
此外，除了氯化鈣與硝酸鈣以外，所例示的化合物相對於水為難溶性，但鉑化合物的水溶液大多為強酸，而可使其溶解於該鉑化合物的水溶液。
但是，在使該等化合物溶解於鉑化合物的水溶液時會發熱，且具有因熱而發生變質的情況，因此較佳為使用氯化鈣或硝酸鈣。
此外，該鈣化合物可僅單獨使用1種，亦可組合2種以上使用。
製備該酸性水溶液時，鉑化合物與鈣化合物的使用比例並無特別限定，但鉑化合物的比例太大的情況下，鈣化合物的比例變得過少，在下述熱處理時的頸縮變多，而會有難以得到粒徑一致之鉑或鉑合金粒子的傾向。
另一方面，鉑化合物的比例過小的情況下，會有添加鈣化合物的效果飽和的傾向，使得在下述酸處理中去除氧化鈣所需之酸的量會增加。
因此，鉑化合物與鈣化合物的使用比例，在換算成原子基準的重量比（貴金屬原子：鈣原子）下，較佳為10：1~0.2：1，更佳為5：1~0.5：1。
製備鉑化合物與鈣化合物的酸性水溶液時，製備方法並無特別限定。例如，可製作鉑化合物的水溶液，並使鈣化合物溶解於其中，藉此製備酸性水溶液。
或是可製備鈣化合物的水溶液，並使鉑化合物溶解於其中，藉此製備酸性水溶液。
或可分別製備鉑化合物的水溶液與鈣化合物的水溶液，並將該等混合，藉此製備酸性水溶液。
又，鉑化合物及鈣化合物亦有僅以溶解於水為目的而形成酸性水溶液者，但亦可在製備酸性水溶液的任一階段或是多個階段中，因應需求添加酸。
其中，較佳為預先製備鉑化合物作為酸性水溶液，並使鈣化合物溶解於其中或與鈣化合物的水溶液混合，藉此製備鉑化合物與鈣化合物的酸性水溶液。
此時，使用之酸，只要可提高鉑化合物或鈣化合物對水的溶解性，或將水溶液調整成目標酸性即可，可列舉：鹽酸、硝酸等的無機酸、及乙酸、甲酸等的有機酸等。
此外，亦可使用硫酸，但會有依據所生成之金屬微粒子的使用目的而極力避免混入硫原子的可能性，因此從此方面來看較為不佳。
所製備之酸性水溶液的pH，只要為酸性，則並無特別限定，但從防止貴金屬作為氧化物或氫氧化物析出的觀點來看， pH較佳為4以下，更佳為2以下，再佳為1以下。
（反應步驟）
接著，將如上述所製備的酸性水溶液添加至鹼性水溶液中，以生成鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物及氫氧化鈣。
作為鹼性水溶液，例如，可使用氫氧化鈉水溶液、氫氧化鉀水溶液、氨水等。
又，鹼性水溶液的pH，只要為鹼性，則並無特別限定，但從高效率地使鈣化合物適當析出以作為氫氧化物的觀點來看，pH較佳為11以上，更佳為12以上。
又，酸性水溶液相對於鹼性水溶液的添加比例，只要考量酸性水溶液的pH與鹼性水溶液的pH等而適當調整即可，但較佳為製備具有充分鹼性的水溶液，以將鉑化合物與鈣化合物溶解而成的酸性水溶液進行中和，亦即較佳為使用具有充分鹼性的水溶液，以使鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物與氫氧化鈣析出。
在本反應步驟中，係將酸性水溶液添加至鹼性水溶液中。例如，適當使用送液泵、吸量管、滴管、漏斗等，一邊進行攪拌一邊將酸性水溶液一次性或緩緩地滴下至鹼性水溶液較佳。
藉由以此方式，將鉑離子與鈣離子均勻分散的酸性水溶液添加至鹼性、較佳為強鹼性的水溶液，故在添加的瞬間或添加後，鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物與氫氧化鈣會大致上同時開始生成，或在開始生成氫氧化鈣後迅速開始生成鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物，亦即，在氫氧化鈣的生成結束之前開始生成鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物，而可得到該等成分均勻分散的液體。
因此，可藉由之後的步驟得到粒度分布範圍較窄、且粒徑一致的金屬粉末。
此外，在將酸性水溶液添加至鹼性水溶液時，較佳係在攪拌鹼性水溶液時添加酸性水溶液。
又，根據本製造方法，使鉑化合物或鈣化合物溶解於水，再從此狀態生成鉑或鉑合金粒子，因此可藉由控制反應條件來控制鉑或鉑合金粒子及氫氧化鈣粒子的粒徑或混合比例，進而可控制所得到之金屬粉末的特性，而可使品質穩定化。
又，較佳係將酸性水溶液的總量添加至鹼性水溶液後的反應液為鹼性。藉此，所生成之鉑的氫氧化物及氫氧化鈣可穩定地存在於反應液中。
將酸性水溶液的總量添加至鹼性水溶液後的反應液，其pH較佳為11以上，更佳為12以上。
另一方面，將鹼性水溶液緩緩地添加至酸性水溶液的情況下，pH會從酸性區域緩緩地上升至鹼性區域。此情況下，會先開始生成鉑的氫氧化物，之後再生成氫氧化鈣。
因此，此情況下不會同時生成鉑的氫氧化物與氫氧化鈣。並且，先開始生成的鉑之氫氧化物會成為周圍未配置鈣的鉑主體的聚合體，會變成粗大粒子的基底，而難以得到均勻的粒徑。
（還原步驟）
接續上述反應步驟，藉由還原劑將該鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物還原。亦即，於包含藉由上述反應步驟所得到之鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物及氫氧化鈣的液體中添加還原劑，使液體中的鉑之氧化物、氫氧化物或該等之混合物還原。
所使用之還原劑，只要可使鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物還原，則並無特別限定，可舉例如：聯胺、福馬林、葡萄糖、對苯二酚、氯化羥銨、甲酸鈉等。從析出效率或粒徑之均勻性的觀點來看，較佳為聯胺。又，還原劑的使用量，只要可使鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物充分還原的量即可，亦無特別限定。
（熱處理步驟）
接著，從鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物還原後的液體中，將包含鉑之還原體的固體成分（不溶解物）分離，並將其進行熱處理（燒製）。
此處，在上述反應步驟中，得到鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物與氫氧化鈣均勻分散的液體後，經由還原步驟，將固體成分（不溶解物）分離。
因此，在已分離之固體成分中，鉑的還原體與氫氧化鈣在均勻分散的狀態下被包含於其中。藉由對該固體成分實施熱處理，鉑的還原體在原子價0的狀態下變成熔結（sintering）狀態而逐漸凝聚。
另一方面，共存之氫氧化鈣進行熱分解而變成氧化鈣。形態上，鉑的還原體在原子價0的狀態下變成熔結狀態而逐漸凝聚，但其為熱穩定的固體，且被氧化鈣所包圍而被妨礙凝聚，故變成氧化鈣配置成包圍著凝聚之鉑周圍的狀態。
如此，由於鉑的還原體與氫氧化鈣為均勻分散的狀態，而在鉑或鉑合金粒子無法自由成長的環境下使粒子成長，藉此可均勻地使金屬粒徑一致，而得到粒徑分布範圍較窄、高純度且高結晶性的金屬粒子。
作為從鉑的氧化物、氫氧化物或該等之混合物還原後的液體中將包含鉑之還原體的固體成分分離的方法，可適當選用過濾或離心分離等以往習知的固液分離方法。
又，在分離固體成分後，因應需求使固體成分乾燥，藉此可將附著於固體成分的水分去除。乾燥溫度並無特別限定，例如可在80~200℃下進行。
將分離之固體成分進行熱處理時的熱處理溫度並無特別限定，只要適當調整以使其內含預期量的金屬元素（Ca等）即可。
為了進一步提升金屬粉末的純度及結晶性，較佳為800℃以上，更佳為900℃以上。又，熱處理溫度的上限亦無特別限定，但從控制粒徑均勻的觀點來看，較佳為不高於鉑熔點的100℃以上的溫度。
又，熱處理時間亦無特別限定，只要適當調整以使其內含預期量的金屬元素（Ca等）即可。較佳為0.2~5小時，更佳為0.5~3小時。若熱處理時間為0.2小時以上，則鉑粒子的粒子成長充分，因而較佳。又，若熱處理時間為5小時以下，則生產效率高，因而較佳。
作為對已分離之固體成分實施熱處理時的熱處理氣體環境，由於可能受到氧化的影響，因此較佳為氮、氬、氦等的非活性氣體環境、或氫等的還原性氣體環境。
（酸處理步驟）
在本製造方法中，在該熱處理步驟後，較佳為進一步對供給至熱處理的熱處理物實施酸處理。此處，上述供給至熱處理的熱處理物中包含鉑或鉑合金粒子與氧化鈣，但可藉由進行酸處理而僅將氧化鈣溶解於酸，以調整金屬粉末中的鈣量。
在進行酸處理時，只要將熱處理物浸漬並保持於酸的水溶液中即可。此時使用的酸，只要目標貴金屬微粒子不會溶解，而可僅使氧化鈣溶解於水者即可。較佳具體例為選自鹽酸、硝酸及乙酸的1種以上。
用於酸處理的酸量，只要為可充分與氧化鈣反應的量即可，但實際上係以浸漬於酸過剩之酸的水溶液中，而能夠維持酸性的方式進行。酸處理步驟較佳為一邊攪拌一邊實施。
又，酸處理後，因應需求進行水洗等的清洗及乾燥等，藉此可得到含有預期量之金屬元素的金屬粉末。乾燥溫度並無特別限定，例如可在80~200℃下進行。
[實施例]
以下，藉由實施例進一步說明本發明，但本發明並不限制於下述例子。
[金屬（Ca、Al及Zr）元素量的測量]
從金屬粉末任意5處採集各2g，使採集之金屬粉末分別分散於100ml的王水，攪拌10分鐘並過濾後，使用Agilent Technologies公司製、ICE OEM 5100的ICP分析對濾液進行測量，將所得到之值（5處）的平均值作為金屬粉末整體含有的Ca、Al及Zr量。
又，求出「從金屬粉末任意5處採集各2g，使採集之金屬粉末分別分散於100ml的5%硝酸（1.4N的硝酸），攪拌10分鐘並過濾後，使用Agilent Technologies公司製、ICE OEM 5100的ICP分析測量濾液而得的值（5處）之平均值」與「從金屬粉末任意5處採集各2g，使採集之金屬粉末分別分散於100ml的王水，攪拌10分鐘並過濾後，使用Agilent Technologies公司製、ICE OEM 5100的ICP分析測量濾液而得的值（5處）之平均值」的差值，將其作為內含的Ca、Al及Zr量。此外，金屬量的測量界限小於10質量ppm。
[膜厚換算電阻值]
針對氧化鋁基板上的寬度0.5mm、長度2.0mm之圖案，使用4端子法（Agilent Technologies製34410A）測量膜厚換算電阻值。膜厚係使用表面粗糙度計（KOSAKA Laboratory SP-81D）進行測量。
（實施例1）
使氯化鈣50.0g溶解於200g的純水，製備氯化鈣水溶液。接著，將氯鉑酸溶液（鉑含有率16.4重量%）125.0g加入所製備之氯化鈣水溶液中並充分攪拌，以製備包含鉑離子與鈣離子的酸性水溶液（鉑化合物與鈣化合物的Pt及Ca元素比（Pt：Ca）=2.2：1）。將加熱至50℃的500g之40%氫氧化鉀水溶液進行攪拌的同時，花費10分鐘滴下該酸性水溶液。接著，添加200g 的5%聯胺，再攪拌1小時，冷卻至室溫後，過濾不溶解物。將過濾之不溶解物進行清洗後，於120℃下使其乾燥，在氮氣環境下以1300℃實施熱處理1小時。接著，準備1L 的3mol/L之硝酸溶液，於其中加入熱處理物進行酸處理，以將鈣成分溶解去除後，進行清洗及於120℃下使其乾燥，得到鉑粉末（鉑純度：>99質量%）。以ICP分析測量鉑粉末所含有之金屬量的結果顯示於表1。此外，結果為內含之Al及Zr量小於10質量ppm（>10質量ppm），低於金屬量的測量界限。
又，使用所得到之鉑粉末，藉由三輥研磨機使其膏狀化，在1500℃、1小時、大氣氣體環境的條件下進行加熱，以製作膜電極。針對燒結溫度，使用TMA（NETZSCH製）所測量的結果顯示於第一圖。所製作之膜電極的SEM影像顯示於第二圖。又，針對所製作之膜電極，測量膜厚換算電阻值。結果顯示於表1及第三圖。
（實施例2）
藉由將熱處理條件變更成1000℃、1小時以調整內含的Ca量，除此以外，與實施例1相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。
（實施例3）
於所製作之鉑粉末中添加Ca量為10質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例1相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（10質量ppm），相當於實施例3之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例4）
於所製作之鉑粉末中添加Ca量為10質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。又，針對燒結溫度，使用TMA（NETZSCH製）所測量的結果顯示於第一圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（10質量ppm），相當於實施例4之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例5）
於所製作之鉑粉末中添加Ca量為50質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（50質量ppm），相當於實施例5之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例6）
於所製作之鉑粉末中添加Ca量為100質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。又，針對燒結溫度，使用TMA（NETZSCH製）所測量的結果顯示於第一圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（100質量ppm），相當於實施例6之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例7）
於所製作之鉑粉末中添加Ca量為500質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（500質量ppm），相當於實施例7之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例8）
於所製作之鉑粉末中添加Ca量為770質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（770質量ppm），相當於實施例8之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例9）
於所製作之鉑粉末中添加Al量為100質量ppm的氧化鋁（Al2 O3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。又，針對燒結溫度，使用TMA（NETZSCH製）所測量的結果顯示於第一圖。此外，上述添加之Al2 O3 中的Al量（100質量ppm），相當於實施例9之鉑粉末中未內含於鉑的Al含量。
（實施例10）
於所製作之鉑粉末中添加Al量為500質量ppm的氧化鋁（Al2 O3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。所製作之膜電極的SEM影像顯示於第四圖。又，針對燒結溫度，使用TMA（NETZSCH製）所測量的結果顯示於第一圖。此外，上述添加之Al2 O3 中的Al量（500質量ppm），相當於實施例10之鉑粉末中未內含於鉑的Al含量。
（實施例11）
製作鉑粉末時，使鉑化合物與鈣化合物的Pt及Ca元素比（Pt：Ca）為0.3：1，並於所製作之鉑粉末中添加Zr量為150質量ppm的氧化鋯（ZrO2 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。所製作之膜電極的SEM影像顯示於第五圖。此外，上述添加之ZrO2 中的Zr量（150質量ppm），相當於實施例11之鉑粉末中未內含於鉑的Zr含量。
（實施例12）
製作粉末時，使鉑化合物與鈣化合物的Pt及Ca元素比（Pt：Ca）為0.7：1，並於所製作之鉑粉末中添加Ca量為100質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（100質量ppm），相當於實施例12之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例13）
製作粉末時，使鉑化合物與鈣化合物的Pt及Ca元素比（Pt：Ca）為0.6：1，並於所製作之鉑粉末中添加Ca量為100質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（100質量ppm），相當於實施例13之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例14）
製作粉末時，使鉑化合物與鈣化合物的Pt及Ca元素比（Pt：Ca）為0.5：1，並於所製作之鉑粉末中添加Ca量為100質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（100質量ppm），相當於實施例14之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例15）
製作粉末時，使鉑化合物與鈣化合物的Pt及Ca元素比（Pt：Ca）為0.3：1，並於所製作之鉑粉末中添加Ca量為100質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（100質量ppm），相當於實施例15之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（實施例16）
製作粉末時，使鉑化合物與鈣化合物的Pt及Ca元素比（Pt：Ca）為0.2：1，並於所製作之鉑粉末中添加Ca量為100質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（100質量ppm），相當於實施例16之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（比較例1）
於所製作之鉑粉末中添加Ca量為1000質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（1000質量ppm），相當於比較例1之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（比較例2）
於所製作之鉑粉末中添加Ca量為2000質量ppm的碳酸鈣（CaCO3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之CaCO3 中的Ca量（2000質量ppm），相當於比較例2之鉑粉末中未內含於鉑的Ca含量。
（比較例3）
於所製作之鉑粉末中添加Al量為1000質量ppm的氧化鋁（Al2 O3 ），除此以外，與實施例2相同地製作鉑粉末、膜電極。所得到之鉑粉末中含有的金屬量及膜厚換算電阻值的測量結果顯示於表1及第三圖。此外，上述添加之Al2 O3 中的Al量（1000質量ppm），相當於比較例3之鉑粉末中未內含於鉑的Al含量。
[表1]
以上結果顯示了使用Ca、Al及Zr的總含量為10~900質量ppm的實施例1~16之金屬粉末製作膜電極的情況下，可抑制電阻值較低。
雖使用特定態樣詳細說明本發明，但只要不脫離本發明的用意與範圍，則可進行各種變更及變形，此點為本領域具有通常知識者明顯可知。此外，本申請案根據2018年3月30日提出申請的日本專利申請（日本特願2018-068687），藉由引用而將其整體內容援用至此。
無
第一圖係顯示使實施例的金屬粉末膏狀化後的燒結收縮行為的圖表。
第二圖係使用實施例1的金屬粉末所製作之電極膜的剖面SEM影像。
第三圖係顯示實施例及比較例中，金屬（Ca、Al、Zr）元素量與膜厚換算電阻值之關係的圖表。
第四圖係使用實施例10的金屬粉末所製作之電極膜的剖面SEM影像。
第五圖係使用實施例11的金屬粉末所製作之電極膜的剖面SEM影像。
第六圖係實施例2所得到之金屬粉末的SEM影像。

Claims (14)

  1. 一種金屬粉末，其係含有鉑或鉑合金的導電性漿料用金屬粉末， 該粉末包含Pt以外的金屬元素作為金屬元素， 該Pt以外的金屬元素至少包含Ca，亦可進一步包含Al及Zr， 該Pt以外的金屬元素之中，Ca、Al及Zr的總含量為10~900質量ppm。
  2. 如申請專利範圍第1項之金屬粉末，其中，內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為200質量ppm以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之金屬粉末，其中，該鉑合金係選自鉑-金合金、鉑-銠合金及鉑-鈀合金的至少一種鉑合金。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之金屬粉末，其中，內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為10質量ppm以上。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之金屬粉末，其中，該Pt以外的金屬元素之中，未內含於該鉑或鉑合金中的Ca、Al及Zr的含量為10~900質量ppm。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之金屬粉末，其中，至少包含Al及Zr的任一者作為金屬元素。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之金屬粉末，其平均粒徑D50為0.1~5.0μm。
  8. 一種金屬粉末，其係含有鉑或鉑合金的導電性漿料用金屬粉末， 該粉末包含Pt以外的金屬元素作為金屬元素， 該Pt以外的金屬元素至少包含Ca，亦可進一步包含Al及Zr， 該Pt以外的金屬元素之中，Ca、Al及Zr的總含量為30~900質量ppm，且內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為30質量ppm以上， 該金屬粉末中的該鉑或鉑合金的含量相對於除了該Ca含量以外的該金屬粉末整體為98.0質量%以上。
  9. 如申請專利範圍第8項之金屬粉末，其中，內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為30~60質量ppm，且未內含於該鉑或鉑合金中的Ca、Al及Zr的總含量為10~500質量ppm； 或是內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為30~150質量ppm，且該粉末含有未內含於該鉑或鉑合金中的Al及/或Zr。
  10. 如申請專利範圍第8項之金屬粉末，其中，內含於該鉑或鉑合金之中作為金屬元素的Ca的含量為200質量ppm以下。
  11. 如申請專利範圍第8至10中任一項之金屬粉末，其中，該鉑合金係選自鉑-金合金、鉑-銠合金及鉑-鈀合金的至少一種鉑合金。
  12. 如申請專利範圍第8至10中任一項之金屬粉末，其中，該Pt以外的金屬元素之中，未內含於該鉑或鉑合金中的Ca、Al及Zr的總含量為10~800質量ppm。
  13. 如申請專利範圍第8至10中任一項之金屬粉末，其中，至少包含Al及Zr的任一者作為金屬元素。
  14. 如申請專利範圍第8至10中任一項之金屬粉末，其平均粒徑D50為0.1~5.0μm。
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