WO2013035698A1 - 高活性・安定性触媒粒子、及びそれを用いた電極触媒、並びにその製造方法 - Google Patents

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渡辺　政廣
内田　裕之
啓 矢野
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国立大学法人山梨大学
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Definitions

  • the present invention relates to catalyst particles used in polymer fuel cells, an electrode catalyst using the same, and a method for producing the same.
  • Supported metal catalysts are applied in various fields such as petrochemical, petroleum refining, environment-related products and fuel cells.
  • polymer electrolyte fuel cells are being researched and developed as power sources for automobiles, stationary cogeneration, portable devices, and the like.
  • the electrode catalyst As the electrode catalyst, a support in which an active metal mainly composed of platinum is supported on a carrier made of a conductor such as carbon or tin oxide is used.
  • the performance of this electrocatalyst is -Active metal particle size, ⁇ The distribution of the particle size (whether the particle size is uniform), ⁇ Dispersity on the carrier (whether the active metal is uniformly dispersed on the carrier) If the amount of the active metal supported is the same, the greater the surface area of the active metal, that is, the smaller the particle size and the higher the dispersion on the carrier, the higher the catalyst performance.
  • platinum since platinum is expensive, it is required that the active metal be finely divided and supported on the support evenly dispersed (highly dispersed support) in order to reduce the amount of platinum used.
  • Patent Document 1 As a method for producing such an electrode catalyst, for example, as shown in Patent Document 1, a method of reducing a chloroplatinic acid solution to prepare a metal colloid solution and supporting it on a carrier has been proposed. As shown in Document 2, a method for obtaining fine particles by reduction with an alcohol in the presence of an organic protective agent has been proposed.
  • the alloy catalyst is important for improving the activity of the fuel electrode and the air electrode.
  • the alloy catalyst include an alloy of Pt and a transition metal such as iron, cobalt, and ruthenium.
  • an alloy was obtained by causing Pt particles already supported by carbon to act by impregnation with a metal salt solution and reducing at a high temperature of about 900 ° C.
  • a metal salt is supported on carbon as a metal
  • an alloy is manufactured by alcohol reduction.
  • the alloy catalyst obtained by such a method has irregular particle diameters and non-uniform composition.
  • Patent Document 3 and Patent Document 4 disclose an electrode catalyst having a core-shell structure and containing a noble metal in both the core and the shell.
  • the noble metal-containing particles used in Patent Document 3 have a core-shell structure of a core portion made of a noble metal alloy and a shell portion made of a noble metal layer having a composition different from that of the core portion formed on the outer periphery thereof.
  • noble metal-containing particles are immersed in a strong acid such as concentrated sulfuric acid to elute transition metals, thereby increasing the content of noble metal on the particle surface.
  • Patent Document 4 discloses a core-shell type catalyst in which the catalyst component composition of the shell is made of a noble metal ⁇ non-noble metal alloy by heat treatment in a reducing atmosphere.
  • a transition metal is present on the outermost surface corresponding to the shell layer, and under the operation of the fuel cell, the performance deteriorates due to dissolution of the non-noble metal.
  • a catalyst particle having a Pt skin layer of 1 to 5 atomic layers made of only platinum atoms on the surface of an alloy particle made of an alloy of two or more kinds of precious metals or an alloy of noble metals and transition metals.
  • the present inventors have intensively studied to prevent the alloy from flowing out and achieve high corrosion resistance. As a result, the alloy particles are prevented from being eluted by covering the surface of the alloy particles with a Pt skin layer, and the catalyst particles have high corrosion resistance. As a result, the present invention has been completed. When the present inventors actually produced such catalyst particles and tested their durability, it was found that the catalyst performance was maintained for a long time compared to the conventional catalyst not covered with the Pt skin layer. confirmed.
  • an alloy of two or more kinds of noble metals or an alloy of noble metals and transition metals is also referred to as “an alloy containing noble metals”.
  • the noble metal includes at least one selected from platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, and gold
  • the transition metal includes at least one selected from iron, nickel, and cobalt.
  • the platinum skin layer is formed by reducing a platinum precursor contained in a nanocapsule formed by mixing a solvent having a hydrophilic group and a water-insoluble solvent on the surface of the alloy particles.
  • an electrode catalyst in which the catalyst particles are supported on a conductive support is provided.
  • an alloy composed of an alloy of two or more kinds of noble metals or an alloy of noble metals and transition metals in a nanocapsule formed by mixing a solvent having a hydrophilic group and a water-insoluble solvent.
  • a method for producing the featured catalyst particles is provided.
  • the present inventors employ a method in which the nanocapsules of alloy particles and the nanocapsules of platinum precursor are mixed in this way, and the platinum precursor is reduced in that state to form a platinum skin layer on the surface of the alloy particles.
  • the platinum skin layer can be uniformly and reliably formed on the surface of the alloy particles, and the present invention has been completed. According to this method, catalyst particles having high activity and high durability can be easily produced.
  • an electrode catalyst manufacturing method including a supporting step of supporting the catalyst particles on a conductive carrier.
  • FIG. 1 An outline of the method for producing an electrode catalyst according to the present invention is shown in FIG. The manufacturing method will be described below with reference to this figure, and is roughly divided into three steps.
  • Each process is (1) forming alloy particles inside the nanocapsule; (2) adding a Pt precursor solution to the nanocapsule solution containing the alloy particles prepared in (1), reducing the Pt precursor, and precipitating a Pt skin layer on the alloy particle surface; (3)
  • the alloy particle solution preparation step includes an alloy composed of a metal salt or metal complex of a noble metal or a transition metal constituting the alloy in a nanocapsule formed by mixing a solvent having a hydrophilic group and a water-insoluble solvent.
  • the method includes preparing an alloy precursor nanocapsule solution including a precursor, and then preparing an alloy particle solution including the alloy particles by reducing the alloy precursor.
  • the platinum precursor solution contains an amount of platinum necessary to cover the surface of the alloy particles with 1 to 5 atomic layers of platinum.
  • the noble metal includes at least one selected from platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium and gold
  • the transition metal includes at least one selected from the group consisting of iron, nickel and cobalt
  • the metal complex includes at least one of an ammine complex, an ethylenediamine complex, and an acetylacetonate complex.
  • the surface of high-quality nano-level active alloy particles having a uniform alloy composition and particle diameter, that is, a small distribution thereof, is coated with a Pt skin layer having an arbitrary thickness. Catalyst particles can be obtained.
  • the oxygen reduction activity is improved and the active alloy particles are stabilized by being covered with the Pt skin layer, so that the dissolution of the active alloy particles can be suppressed.
  • the amount of Pt used can be reduced without losing the conventional alloy activity, and the oxygen reduction activity per Pt mass is improved.
  • FIG. 2 is an electron micrograph of PtCo alloy particles in Example 1.
  • FIG. 2 is an electron micrograph of a catalyst in which a Pt skin layer is coated on PtCo alloy particles in Example 1.
  • FIG. 5 is a graph of particle size distribution of catalyst particles calculated from FIGS. 3 and 4.
  • 3 is an electron micrograph of PtCo 3 alloy particles in Example 2.
  • FIG. 4 is an electron micrograph of a catalyst in which a Pt skin layer is coated on PtCo 3 alloy particles in Example 2.
  • FIG. 3 is an XRD spectrum of Pt skin-PtCo / GC catalyst, PtCo / GC catalyst, and Pt / GC catalyst in Example 1.
  • FIG. 2 is a comparison of oxygen reduction activities of a Pt skin-PtCo catalyst and a Pt catalyst in Example 1.
  • FIG. 2 is a graph comparing the durability of a Pt skin-PtCo catalyst and a PtCo catalyst in Example 1.
  • An embodiment of the present invention provides a method for producing an electrode catalyst in which a PtCo alloy is used as an active alloy, and particles having a Pt skin layer formed on the surface of the active alloy particles (hereinafter referred to as Pt skin / PtCo) are supported on a carrier. This will be described in detail with reference to FIG. 2 showing an example of conditions.
  • First stage (Preparation of active alloy particles)
  • an alloy precursor is encapsulated in nanocapsules formed by mixing a solvent having a hydrophilic group and a water-insoluble solvent, and then the alloy precursor is reduced to obtain alloy particles.
  • an alloy particle solution including the alloy particles in the nanocapsule is obtained.
  • a solvent having a hydrophilic group and a water-insoluble solvent are mixed, the solvent having a hydrophilic group gathers around the hydrophilic group to form a nanocapsule.
  • the average particle diameter of the nanocapsule is, for example, 3 to 100 nm, specifically, for example, 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 nm, where It may be within a range between any two of the exemplified numerical values.
  • This average particle diameter can be measured by a dynamic light scattering method.
  • the average particle diameter of the alloy particles is, for example, 2 to 10 nm, specifically, for example, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 nm. Or within a range between the two. It can be obtained by taking a TEM photograph of the alloy particles and measuring and averaging the particle diameter of the alloy particles in the field of view.
  • the alloy precursor is a compound that is reduced to form a raw material for forming alloy particles.
  • it is a metal salt or metal having two or more kinds of metal salts or metal complexes having catalytic activity. If it is a complex, the combination will not be specifically limited.
  • an inorganic or organometallic complex of the noble metal a salt of a transition metal such as iron, cobalt, nickel, manganese, chromium, vanadium, titanium, niobium, molybdenum, lead, tungsten, or an inorganic or Organometallic complexes are included.
  • platinum is particularly preferable as the noble metal.
  • platinum metal complex and platinum salt acetylacetonate platinum [Pt (acac) 2 ], potassium chloroplatinate [KPtCl 4 ] and the like are preferably used.
  • transition metal salt a complex salt such as acetyl acetonate cobalt [Co (acac) 3 ] as shown in FIG. 2 is used, and a metal complex such as an ammine complex or an ethylenediamine complex, or a chloride salt. Is used.
  • Platinum alloys and palladium alloys are preferably used from the standpoints of poisoning resistance to carbon monoxide in the fuel gas and improvement of oxygen reduction activity.
  • the mixing ratio of the plurality of metal salts or metal complexes may be appropriately selected depending on the desired alloy.
  • the solvent having a hydrophilic group examples include an organic solvent having a hydroxyl group, and examples thereof include higher alcohols.
  • the solvent having a hydrophilic group functions as a surfactant in a non-water-soluble solvent and becomes a nanocapsule.
  • a solvent capable of forming nanocapsules in a water-insoluble solvent, having excellent solubility of the active metal precursor, and capable of withstanding the heating conditions during the reduction reaction is appropriately selected and used. It is done. That is, a solvent having a boiling point of about 150 ° C. to 300 ° C. is preferably used. For example, hexadecanediol, octadecanediol and the like are used.
  • the solvent having a hydrophilic group is preferably a compound having a hydrophilic group at one end and a lipophilic group at the other end.
  • the hydrophilic group is an atomic group that is stabilized in water and usually has polarity, and examples thereof include a hydroxyl group, a carboxyl group, a sulfo group, and an amino group.
  • the lipophilic group is an atomic group having high affinity with a water-insoluble solvent, for example, a hydrocarbon group.
  • the hydrocarbon group may be either linear or branched, and is preferably linear from the viewpoint of facilitating nanocapsule formation.
  • the number of carbon atoms of the hydrocarbon group is, for example, 6 to 22, and specifically, for example, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 21 and 22, and may be within a range between any two of the numerical values exemplified here. This is because nanocapsules can be easily formed by using such a compound as a solvent.
  • the water-insoluble solvent examples include organic solvents that form nanocapsules by mixing with the solvent having a hydrophilic group, and examples thereof include higher ethers, aromatic ethers, and higher esters.
  • a solvent having a boiling point of about 150 ° C. to 300 ° C. is preferably used in consideration of the heating conditions during the reduction reaction for forming alloy particles, for example, diphenyl ether, dioctyl ether, dinonyl ester. Etc. are used.
  • the water-insoluble solvent has, for example, 6 to 22 carbon atoms, specifically, for example, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, and 22 and may be within a range between any two of the numerical values exemplified here.
  • the mixing ratio between the solvent having a hydrophilic group and the water-insoluble solvent is appropriately selected so as to form a nanocapsule solution.
  • the water-insoluble solvent is mixed at a molar ratio of 10 to 300 times with respect to the solvent having a hydrophilic group.
  • this molar ratio is, for example, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 200, 250, 300 times.
  • the larger the proportion of the solvent having a hydrophilic group the larger the size of the nanocapsules and the larger the diameter of the alloy particles obtained. Therefore, the diameter of the alloy particles can be controlled by changing the ratio of the solvent having a hydrophilic group.
  • the higher aliphatic carboxylic acid a compound having 6 to 22 carbon atoms is preferably used, and examples thereof include oleic acid, decanoic acid, and pentadecanoic acid.
  • the higher aliphatic amine a compound having 6 to 22 carbon atoms is preferably used, and oleylamine, decanamine, pentadecanamine and the like are exemplified.
  • a combination of oleic acid and oleylamine is particularly preferable because it is excellent in stabilizing nanocapsules.
  • the number of carbon atoms of the higher aliphatic carboxylic acid / amine is, for example, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 and may be within a range between any two of the numerical values exemplified here.
  • the stirring temperature is, for example, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200 ° C., and is within a range between any two of the numerical values exemplified here. There may be.
  • the fluidity of the mixed solution is improved. Therefore, it is preferable to stir while appropriately heating as necessary. Further, the mixing is preferably performed under an inert gas such as nitrogen.
  • This reduction step is preferably performed by adding a non-aqueous solution having a reducing action to the nanocapsule solution and heating.
  • the metal salt or metal complex included in the nanocapsule is reduced by supplying a non-aqueous solution (hereinafter also simply referred to as a reducing agent) having a reducing action from the outside of the nanocapsule and heating. It is preferable to form alloy particles by the above.
  • a reducing agent MBR 3 H, MH (wherein M represents lithium, sodium or potassium, R represents a hydrogen atom or a hydrocarbon group, and the hydrocarbon group may be linear or branched, saturated or unsaturated) )
  • a water-insoluble liquid containing a metal derivative of alcohol and naphthalene may be an organic solvent solution of a substance having a reducing action or an organic solvent itself having a reducing action.
  • a solution of LiB (C 2 H 5 ) 3 H in tetrahydrofuran (THF), a solution of LiB (CH 3 ) 3 H in diethyl ether, or the like is used.
  • the amount of the reducing agent added is preferably 1 to 3 times the molar amount of the metal salt.
  • the addition of the water-insoluble liquid having reducibility is performed, for example, by gradually dropping the nanocapsule solution while stirring with a stirrer or the like, and a known mixing means can be used as appropriate.
  • the heating temperature for the reduction varies depending on the metal, but is preferably about room temperature to 300 ° C.
  • a THF solution of LiB (C 2 H 5 ) 3 H to a nanocapsule solution composed of acetylacetonate platinum, 1,2-hexadecanediol, diphenyl ether, oleic acid and oleylamine
  • the mixture is stirred at 200 ° C.
  • It is preferable to carry out the reduction reaction by gradually dropping the THF solution into the nanocapsule solution and raising the temperature to about 260 ° C.
  • the types of the metal salt and metal complex, the types of various solvents, the temperature of the reduction reaction, and the like are appropriately selected according to the conditions for producing a desired alloy.
  • the selection of various solvents is appropriately selected in consideration of the solubility of the metal salt, the stability of the formed nanocapsules, the heating temperature in the reduction reaction, and the like.
  • the heating temperature is, for example, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300 ° C., and a range between any two of the numerical values exemplified here. It may be within.
  • an alloy particle solution containing the alloy particles in the nanocapsule is prepared.
  • the case where the alloy particles included in the nanocapsule are generated by reducing the alloy precursor included in the nanocapsule has been described as an example.
  • An alloy particle solution containing the alloy particles in the nanocapsule may be prepared by including the alloy particles produced by another method in the nanocapsule formed by mixing the solvent and the water-insoluble solvent. Good.
  • Pt precursor solution is prepared by three steps: (1) preparation of Pt precursor solution, (2) mixing of Pt precursor solution and alloy particle solution, and (3) formation of Pt skin layer by reduction of Pt precursor. Form a skin layer.
  • the solvent containing the PtCo alloy particles formed in the first stage is cooled to 60 ° C., and a nanocapsule solution (skin precursor solution) containing the following Pt precursor is added. And encapsulating the alloy particles formed in the first stage inside the nanocapsule containing the Pt precursor, and stirring for 5 hours or more.
  • the Pt precursor concentration is calculated by calculating the surface area from the size of the alloy particles formed in the first stage, and the nanocapsules containing the Pt precursor amount corresponding to 1 to 5 atomic layers with respect to the surface area. Adjust the solution.
  • Pt precursor solution This step is a step of mixing a solvent having a hydrophilic group and a water-insoluble solvent to form a nanocapsule and encapsulating the Pt precursor in the nanocapsule.
  • the Pt precursor refers to a compound that is reduced and forms a raw material for forming Pt, and is specifically a metal salt or metal complex of Pt.
  • the metal complex and platinum salt of platinum acetylacetonate platinum [Pt (acac) 2 ], potassium chloroplatinate [K 2 PtCl 4 ] and the like are preferably used.
  • metal complexes such as an ammine complex, an ethylenediamine complex, and an acetylacetonate complex are used.
  • the solvent having a hydrophilic group examples include an organic solvent having a hydroxyl group, and examples thereof include higher alcohols.
  • a solvent that can form nanocapsules in a water-insoluble solvent is excellent in solubility of the Pt precursor, and can withstand the heating conditions during the reduction reaction is appropriately selected and used. That is, a solvent having a boiling point of about 150 ° C. to 300 ° C. is preferably used.
  • hexadecanediol, octadecanediol and the like are used.
  • the description at the first stage for the solvent having a hydrophilic group is basically applicable here as well.
  • water-insoluble solvent examples include organic solvents that form nanocapsules by mixing with the solvent having a hydrophilic group, and examples thereof include higher ethers, aromatic ethers, and higher esters.
  • a solvent having a boiling point of about 150 ° C. to 300 ° C. is preferably used in consideration of the heating conditions during the reduction reaction for forming the Pt skin layer, for example, diphenyl ether, dioctyl ether, dinonyl. Esters are used.
  • the description in the first stage for the non-water-soluble solvent applies here as well.
  • the mixing ratio between the solvent having a hydrophilic group and the water-insoluble solvent is appropriately selected so as to form a nanocapsule solution.
  • the water-insoluble solvent is mixed at a molar ratio of 10 to 300 times with respect to the solvent having a hydrophilic group.
  • the explanation at the first stage about the mixing ratio of the solvent having a hydrophilic group and the water-insoluble solvent is basically applicable here.
  • the step of preparing the nanocapsule solution it is necessary to further add a higher aliphatic carboxylic acid and a higher aliphatic amine in order to form a stable nanocapsule.
  • ⁇ is, for example, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, and may be within a range between any two of the numerical values exemplified here.
  • the relationship of ⁇ Pt when forming the Pt skin layer in the second step is preferably ⁇ PtCo ⁇ ⁇ Pt rather than ⁇ PtCo during the PtCo synthesis in the first step. This is because this is advantageous in that (1) controlling the thickness of the intended skin layer, (2) maintaining the uniformity of each particle, and (3) preventing the formation of single Pt particles.
  • the explanation of the higher aliphatic carboxylic acid and higher aliphatic amine is the same as in the first stage.
  • the higher aliphatic carboxylic acid and higher aliphatic amine used in the second stage may be the same as or different from those used in the first stage.
  • a Pt precursor solution including a Pt precursor composed of a metal salt or metal complex of Pt is obtained in a nanocapsule formed by mixing a solvent having a hydrophilic group and a water-insoluble solvent.
  • the alloy particle solution prepared in the first stage and the Pt precursor solution prepared in the above step are mixed and stirred.
  • the Pt precursor wraps around the alloy particles in the nanocapsule.
  • the amount of platinum in the Pt precursor solution is appropriately determined so as to be an amount necessary to cover the surface of the alloy particles with 1 to 5 atomic layers of platinum.
  • the number of atomic layers is specifically 1, 2, 3, 4, 5, for example, and may be within a range between any two of the numerical values exemplified here.
  • the catalyst particles obtained in the steps up to the second stage are supported on a conductive carrier (supporting step).
  • the nanocapsule solution is mixed with a solution containing an alcohol, preferably a lower alcohol such as ethanol, methanol, etc., and centrifuged to separate a precipitate containing catalyst particles, which is then added to hexane.
  • a washing / redispersing step for redispersion in an organic solvent such as By performing this step, the reducing agent remaining in the nanocapsule solution after the reduction reaction can be washed away.
  • the conductive carrier is not particularly limited, and examples thereof include nanoparticles such as carbon black, amorphous carbon, carbon nanotube, carbon nanohorn, tin oxide, and titanium oxide.
  • a normal method such as mixing and stirring the nanocapsule solution containing the catalyst particles and the carrier can be used.
  • the mixing is preferably performed while dropping the nanocapsule solution in a solution in which a carrier is dispersed in an alcohol, preferably a lower alcohol (carbon number 1, 2, 3, 4, 5, or 6) such as ethanol or methanol. Since the nanocapsule has a hydrophobic group on its outer side, the particles are repelled by the charge of the hydrophobic group and are arranged on the support surface without being too close to each other, so that the catalyst particles are highly dispersed and supported.
  • the nanocapsule component remaining on the catalyst particles can be completely decomposed and removed.
  • the remaining nanocapsule component includes, for example, a hydrophobic group such as an alkyl group.
  • the heat treatment is preferably performed under an inert gas such as argon, nitrogen, or helium.
  • the temperature of the heat treatment varies depending on the type of metal, the metal salt or metal complex as a raw material, and the type of reagent. A range lower than the temperature at which aggregation occurs is preferable. For example, it may be 500 ° C. or less, preferably 250 to 400 ° C. Specifically, this temperature is, for example, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 ° C., and may be within a range between any two of the numerical values exemplified here. .
  • the amount of catalyst particles supported is not particularly limited, but is, for example, 20 to 100 wt% with respect to the conductive carrier. Specifically, this loading amount is, for example, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 wt%, and may be within a range between any two of the numerical values exemplified here. Good.
  • a Pt skin layer 0.215 mmol (87 mg) of Pt (acac) 2 corresponding to a diatomic layer as Pt amount, 1 mmol (260 mg) of 1,2-hexadecanediol, and 12.5 ml of diphenyl ether were added to another beaker.
  • the mixture was heated to 100 ° C. using a stirrer and stirred for 10 minutes.
  • 0.25 mmol (85 ⁇ l) of oleic acid and 0.25 mmol (80 ⁇ l) of oleic acid was added to this, the temperature was raised to 200 ° C. while stirring and stirring was continued for 20 minutes to obtain a nanocapsule solution B.
  • the obtained nanocapsule solution B was mixed with the solution A containing PtCo particles lowered to 60 ° C. and stirred at the same temperature for 15 hours.
  • each PtCo particle is encapsulated in a nanocapsule encapsulating a Pt precursor salt.
  • the temperature was raised to 200 ° C. while stirring, and the mixture was stirred as it was for 20 minutes to obtain a nanocapsule solution C.
  • Example 2 (Pt: Co alloy composition ratio changed to 1: 3) The production method is the same as in Example 1, except that the metal salt concentration in the nanocapsule solution A is 0.125 mmol (49 mg) for Pt (acac) 2 and 0.375 mmol (133.6 mg) for Co (acac) 3. The alloy composition ratio of Pt and Co was changed to 1: 3. On the other hand, a Pt skin / PtCo-supported carbon electrode was manufactured by setting the Pt salt concentration of the nanocapsule solution B to 1.25 mmol (496.7 mg) corresponding to the diatomic layer as the Pt skin layer.
  • Comparative Example 2 (without Pt skin) The PtCo / GC catalyst in which the PtCo alloy before coating the Pt skin prepared in Example 1 was supported on GC was used as a comparison target of the oxygen reduction activity of the Pt skin_PtCo / GC catalyst prepared in Example 1.
  • FIG. 3 shows an electron microscope (TEM) observation result of an electrode catalyst (Comparative Example 2) in which PtCo is supported on carbon.
  • FIG. 4 shows the TEM observation result of the electrode catalyst formed on the surface of the PtCo particles obtained in Example 1 and supported on the support.
  • FIG. 5 shows the result of calculating the particle size distribution of (a) PtCo and (b) Pt_PtCo from the TEM photograph.
  • the increase in the average particle size obtained from the particle size distribution is equivalent to two atomic layers in terms of the Pt atomic layer, and the thickness of the Pt skin layer to be formed is controlled by the Pt precursor concentration in the reaction process of Example 1. I understood that I could do it.
  • FIG. 7 shows the TEM observation result of the electrode catalyst in which Pt skin layer is formed on the surface of the PtCo 3 particles obtained in Example 2 and (d) Pt_PtCo 3 supported on the support.
  • FIG. 8 shows the result of calculating the particle size distribution of PtCo 3 and Pt_PtCo 3 from the TEM photograph. From the TEM photograph (FIG.
  • FIG. 9 shows the Pt_PtCo / GC catalyst obtained in Example 1, the PtCo / GC catalyst obtained in Comparative Example 2, and the Pt / CB shown in Comparative Example 1. 2 shows the XRD pattern of the catalyst. PtCo / GC is shifted to the high angle side with respect to the Pt diffraction peak position of Pt / CB. At that time, since a peak peculiar to Co or an oxide or the like is not observed, it can be seen that PtCo / GC is a solid solution alloy.
  • Pt_PtCo / GC in which a Pt skin was formed on PtCo shifted to a lower angle side than PtCo / GC. That is, the diffraction peak position of Pt is Pt / CB ⁇ Pt skin / PtCo / GC ⁇ PtCo / GC. Also in this case, the diffraction peak of Pt is only shifted to the low angle side, and no other peak is detected. That is, the amount of Pt increases while maintaining the characteristics of the solid solution alloy of PtCo, and this result shows that Pt is precipitated on the surface of PtCo.
  • Table 1 shows the values of mass activity when the PtCo particle size and the number of Pt skin layers are changed.
  • the measured value of the catalyst of Example 1 is No. It was shown in 3. The mass activity at this time was 3 times. In contrast, no. In the case of 2, the mass activity when the PtCo particle size is 2 as in Example 1, the Pt skin layer is 2, and the final particle size is 3.11 is 2.6 times when calculated using the cubo-hackedal model and the ball model. A value approximated to the actually measured value of Example 1 was obtained. Further, when the mass activity was calculated when the PtCo particle size and the number of Pt skin layers were variously changed, as shown in Table 1, the smaller the number of Pt skin layers, the larger the value of mass activity, and the number of Pt skin layers. It was found that about 1 to 5 is preferable.
  • FIG. 11 shows the results of the elution test of the Pt skin / PtCo / GC catalyst obtained in Example 1 and the PtCo / GC catalyst obtained in Comparative Example 2.
  • the dissolution test condition was to repeat a potential step cycle from 0.9 V to 1.3 V (each potential held for 30 seconds) in a 0.1 M HClO 4 solution degassed with N 2 at 25 ° C.
  • the active surface area ECA is measured for each fixed number of cycles, and the maintenance rate is plotted.
  • the ECA continues to decrease with respect to the number of cycles in a normal PtCo / GC catalyst, whereas it is maintained at 90% or more at 500 cycles or more and becomes constant in the Pt skin / PtCo / GC catalyst. It is considered that the elution of the alloy was hindered because the alloy skin was completely covered with the Pt skin layer due to the formation of the two layers of platinum skin layers that were closest packed and covered.

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Abstract

　燃料電池作動下において、使用中に合金成分が溶出し、活性低下と共に粒子径は大きくなってしまうという現象があった。　本発明は、粒子径が小さくて揃ったナノレベルの貴金属を含む合金粒子の表面に１から５原子層のＰｔスキン層で覆った触媒粒子、この触媒粒子が担体上に高分散担持された電極触媒及びその製造方法を提供することを目的とする。この触媒粒子によると貴金属の使用量の低減化が可能であり、内部金属と表面のＰｔスキン層との電子的作用により単味のＰｔに対して活性を向上させることができる。本発明では内部合金粒子を完全にＰｔ層で覆うことで、高い耐食性を有する触媒粒子を提供することにある。さらにナノカプセルからなる製造法により、活性金属の粒子径が小さく、組成が一定である合金により高活性、高耐久性に優れた触媒粒子を提供する。

Description

高活性・安定性触媒粒子、及びそれを用いた電極触媒、並びにその製造方法
　本発明は、高分子型燃料電池などに用いられる触媒粒子、及びそれを用いた電極触媒、並びにその製造方法に関するものである。
　担持金属触媒は、石油化学、石油精製、環境関連製品あるいは燃料電池などの種々の分野で適用されている。中でも固体高分子形燃料電池は、例えば自動車、定置コジェネレーション、携帯機器用などの電源として研究開発が進められている。
　電極触媒としては、カーボン、酸化スズ等の導電体からなる担体に白金を主体とする活性金属を担持させたものが用いられている。この電極触媒の性能は、
・活性金属の粒子径、
・その粒子径の分布（粒子径が揃っているか）、
・担体上での分散度（担体上に均一に活性金属が分散されているか）
に依存し、活性金属の担持量が同一であれば、活性金属の表面積が多いほどすなわちその粒子径が小さく担体上に高分散されているほど触媒性能が高くなる。また、白金は高価であるため、その使用量を低減するためにも活性金属の微粒子化および担体上に均一に分散されて担持されている（高分散担持）ことが求められている。
　このような電極触媒の製造方法としては、例えば特許文献１に示されるように、塩化白金酸溶液を還元して金属コロイド溶液を調製し、担体に担持させる方法が提案されており、また、特許文献２に示されるように、有機保護剤の存在下アルコールで還元することにより微粒子を得る方法が提案されている。
　一方、上述のようなＰｔ量低減化の他に、触媒として合金を用いることが検討されている。合金触媒は燃料極、空気極の活性向上にも重要となる。合金触媒としては、例えば、Ｐｔと鉄、コバルト、ルテニウム等の遷移金属との合金が挙げられる。従来はこれらの合金触媒を製造する場合には、既にカーボンに担時されたＰｔ粒子に、金属塩溶液を含浸等によって作用させ、９００℃程度の高温で還元することによって合金を得ていた。また、金属塩を金属としてカーボンに担時させる場合、アルコール還元で合金を製造していた。しかしながら、このような方法で得られた合金触媒は、触媒粒子の粒径が不揃いであり、その組成も不均一であった。
　さらに、より少量のＰｔで触媒活性を高める検討がなされており、例えば、特許文献３、特許文献４にはコア－シェル構造を有し、コアおよびシェルともに貴金属を含む電極触媒が開示されている。特許文献３で用いられる貴金属含有粒子は、貴金属合金からなるコア部とその外周に形成された該コア部と組成が異なる貴金属層からなるシェル部とのコア－シェル構造を有する。この製造法では貴金属含有粒子を濃硫酸などの強酸に浸漬させ、遷移金属を溶出させることにより、粒子表面の貴金属の含有率を上昇させている。しかしながら、この手法では、貴金属のみを選択的に析出させるか、または遷移金属のみを選択的に溶出させ、粒子表面を貴金属のみにすることは困難である。特許文献４では、還元雰囲気下で熱処理をすることで、該シェルの触媒成分組成が貴金属≧非貴金属の合金からなるコア－シェル型触媒が開示されている。しかし、この手法ではシェル層にあたる最表面には遷移金属が存在し、燃料電池作動下においては、非貴金属の溶解によってパフォーマンスが低下する。
特開２００１－２２４９６８号公報 特開２００３－２２６９０１号公報 特開２００５－１３５９００号公報 国際公開ＷＯ２００９／０９６３５６
　燃料電池作動下において、使用中に合金成分が溶出し、活性低下と共に粒子径は大きくなってしまうという現象があった。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、合金の溶出を防止し、高い耐食性を有する触媒粒子を提供するものである。
　本発明によれば、２種以上の貴金属の合金又は貴金属と遷移金属の合金からなる合金粒子の表面に白金原子のみからなる１から５原子層のＰｔスキン層を備える触媒粒子が提供される。
　本発明者らは、合金の流出防止及び高い耐食性を実現すべく鋭意検討を行ったところ、上記合金粒子の表面をＰｔスキン層で覆うことで合金の溶出を防止し、高い耐食性を有する触媒粒子を提供するができることを見出し、本発明の完成に到った。本発明者らが実際にこのような触媒粒子を作製し、その耐久性を試験したところ、Ｐｔスキン層で覆っていない従来の触媒に比べて、触媒性能がはるかに長時間維持されたことを確認した。
　また、この触媒粒子によると貴金属の使用量の低減化が可能であり、内部合金と表面のＰｔスキン層との電子的作用により単味のＰｔに対して活性を向上させることができる。なお、以下の説明中で、２種以上の貴金属の合金又は貴金属と遷移金属の合金を「貴金属を含む合金」とも称する。
　好ましくは、前記貴金属は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム及び金から選ばれる少なくとも１種を含み、前記遷移金属は、鉄、ニッケル、コバルトから選ばれる少なくとも１種を含む。
　好ましくは、前記白金スキン層は、親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に包含した白金前駆体を前記合金粒子表面で還元することによって形成される。
　好ましくは、上記触媒粒子を導電性担体に担持した電極触媒が提供される。
　また、本発明の別の観点によれば、親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に２種以上の貴金属の合金又は貴金属と遷移金属の合金からなる合金粒子を包含した合金粒子溶液を調製する合金粒子溶液調製工程と、
　親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に、白金の金属塩又は金属錯体からなる白金前駆体を包含した白金前駆体溶液を調製する白金前駆体溶液調製工程と、
合金粒子溶液と白金前駆体溶液を混合し、その後、前記白金前駆体を還元することによって前記合金粒子表面に白金スキン層を形成させた触媒粒子を形成する白金スキン層形成工程とを備えることを特徴とする触媒粒子の製造方法が提供される。
　本発明者らは、このように合金粒子のナノカプセルと、白金前駆体のナノカプセルを混合し、その状態で白金前駆体を還元して合金粒子表面に白金スキン層を形成させるという方法を採用することによって、合金粒子の表面に均一且つ確実に白金スキン層を形成することができることを見出し、本発明の完成に到った。この方法によれば、高活性、高耐久性に優れた触媒粒子を容易に製造することができる。
　また、上記記載の方法に従って触媒粒子を製造する触媒粒子製造工程と、
前記触媒粒子を導電性担体に担持させる担持工程を備える電極触媒の製造方法も提供される。
　本発明に係る電極触媒の製造方法の概略を図１に示す。本図を用いて以下にその製造方法を説明するが、大きく分けて３工程からなっている。
それぞれの工程は、
　（１）ナノカプセル内部に合金粒子を形成する工程と、
　（２）（１）で調製した合金粒子を含むナノカプセル溶液中に、Ｐｔ前駆体溶液を加え、Ｐｔ前駆体を還元して、合金粒子表面でＰｔスキン層を析出させる工程と、
　（３）Ｐｔスキン／合金粒子を担体に担時させる工程と
を含むことを特徴とする、貴金属を含む合金粒子の表面にＰｔスキン層を形成した触媒を担体に担持した電極触媒の製造方法を提供することにある。
　好ましくは、前記合金粒子溶液調製工程は、親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に前記合金を構成する貴金属又は遷移金属の金属塩又は金属錯体からなる合金前駆体を包含した合金前駆体ナノカプセル溶液を調製し、その後、前記合金前駆体を還元することにおって前記合金粒子を包含した合金粒子溶液を調製する工程を備える。
　好ましくは、前記白金前駆体溶液は、前記合金粒子の表面を白金の１から５原子層で覆うのに必要な量の白金を含有する。
　好ましくは、前記貴金属は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム及び金から選ばれる少なくとも１種を含み、前記遷移金属は、鉄、ニッケル、コバルトからなる群から選ばれる少なくとも１種を含み、前記金属錯体は、アンミン錯体、エチレンジアミン錯体、アセチルアセナート錯体の少なくとも１種を含む。
　本発明に係る触媒粒子の製造方法によれば、合金組成および粒子径の揃ったすなわちその分布が小さい、高品質なナノレベルの活性合金粒子の表面に、任意の厚さのＰｔスキン層で被覆した触媒粒子を得ることができる。
　これにより、酸素還元活性が向上するうえ、活性合金粒子がＰｔスキン層に覆われることにより安定化され、活性合金粒子の溶解を抑制できる。これらの効果により、従来の合金活性を失うことなくＰｔの使用量を軽減でき、Ｐｔ質量あたりの酸素還元活性は向上する。
貴金属を含む合金粒子の表面にＰｔスキン層を形成した触媒の製造法のブロック図である。 実施形態において例示したＰｔスキン－ＰｔＣｏ／ＧＣ触媒の合成スキームである。 実施例１におけるＰｔＣｏ合金粒子の電子顕微鏡写真である。 実施例１におけるＰｔＣｏ合金粒子にＰｔスキン層を被覆した触媒の電子顕微鏡写真である。 図３、図４より算出した触媒粒子の粒度分布のグラフである。 実施例２におけるＰｔＣｏ３合金粒子の電子顕微鏡写真である。 実施例２におけるＰｔＣｏ３合金粒子にＰｔスキン層を被覆した触媒の電子顕微鏡写真である。 図６、図７より算出した触媒粒子の粒度分布のグラフである。 実施例１におけるＰｔスキン－ＰｔＣｏ／ＧＣ触媒とＰｔＣｏ／ＧＣ触媒とＰｔ／ＧＣ触媒のＸＲＤスペクトルである。 実施例１におけるＰｔスキン－ＰｔＣｏ触媒とＰｔ触媒の酸素還元活性の比較である。 実施例１におけるＰｔスキン－ＰｔＣｏ触媒とＰｔＣｏ触媒の耐久性を比較した図である。
　以下、本発明の実施形態について説明する。
　本発明の実施形態についてＰｔＣｏ合金を活性合金とし、該活性合金粒子の表面にＰｔスキン層を形成した粒子（以後Ｐｔスキン／ＰｔＣｏと表記する）を担体に担持した電極触媒の製造方法を、製造条件の一例を示す図２を参照しながら、詳細に説明する。
〔第１段階〕（活性合金粒子の調製）
　第１段階では、親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に合金前駆体を封じ込める、次に、この合金前駆体を還元して合金粒子を得る。これによって、ナノカプセル内に合金粒子を包含した合金粒子溶液が得られる。親水基を有する溶媒と非水溶性溶媒を混合した場合に、親水基を有する溶媒が親水基を中心にして集まってナノカプセルとなる。ナノカプセルの平均粒子径は、例えば、３～１００ｎｍであり、具体的には例えば、３、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００ｎｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。この平均粒子径は、動的光散乱法によって測定可能である。また、合金粒子の平均粒子径は、例えば２～１０ｎｍであり、具体的には例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０ｎｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。合金粒子のTEM写真を撮影して視野内の合金粒子の粒子径を実測して平均することによって求めることができる。
　また、合金前駆体とは、還元されて合金粒子を形成するための原料となる化合物を示し、具体的には２種以上の金属塩または金属錯体であり、触媒活性を有する金属の塩または金属錯体であれば、その組み合わせは特に限定されない。または前記貴金属の無機または有機金属錯体が含まれ、また、鉄、コバルト、ニッケル、マンガン、クロム、バナジウム、チタン、ニオブ、モリブデン、鉛、タングステン等の遷移金属の塩、または前記遷移金属の無機または有機金属錯体が含まれる。
　触媒活性が特に優れることから、貴金属としては白金が特に好ましい。白金の金属錯体および白金塩としては、アセチルアセナート白金〔Ｐｔ（ａｃａｃ）２〕、塩化白金酸カリウム〔ＫＰｔＣｌ４〕等が好ましく用いられる。
　また、遷移金属の塩としては、図２に示したようにアセチルアセナートコバルト〔Ｃｏ（ａｃａｃ）３〕等の錯体塩が用いられ、さらに、アンミン錯体、エチレンジアミン錯体等の金属錯体、塩化物塩が用いられる。
　燃料ガス中の一酸化炭素に対する耐被毒性ならびに酸素還元活性向上の点から白金合金、パラジウム合金が好ましく用いられる。前記複数の金属塩または金属錯体の混合割合は、所望の合金によって適宜配合比（原子化）を選択すればよい。
　前記親水基を有する溶媒としては、例えば水酸基を有する有機溶媒が挙げられ、高級アルコール等が例示される。親水基を有する溶媒は、非水溶性溶媒中で界面活性剤として機能して、ナノカプセルとなる。また、親水基を有する溶媒は、非水溶性溶媒中でナノカプセルを形成でき、また活性金属前駆体の溶解性に優れ、還元反応時の加熱条件に耐えうるような溶媒が適宜選択して用いられる。すなわち、沸点が１５０℃～３００℃程度の溶媒が好ましく用いられ、例えばヘキサデカンジオール、オクタデカンジオール等が用いられる。また、親水基を有する溶媒としては、一端に親水基を有し、他端が親油基を有する化合物が好ましい。親水基とは、水中で安定化される原子団であり、通常は極性を有しており、水酸基、カルボキシル基、スルホ基、アミノ基等が例示される。親油基は、非水溶性溶媒との親和性が高い原子団であり、例えば炭化水素基である。炭化水素基は、直鎖状と分岐鎖状の何れであってもよく、ナノカプセル形成を容易にする観点からは直鎖状であることが好ましい。炭化水素基の炭素数は、例えば６～２２であり、具体的には例えば、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。このような化合物を溶媒として用いれば、ナノカプセルが容易に形成されるからである。
　前記非水溶性溶媒としては、前記親水基を有する溶媒と混合することでナノカプセルを形成する有機溶媒が挙げられ、例えば高級エーテル、芳香族エーテル、高級エステル等が例示される。非水溶性溶媒においては、合金粒子の形成のための還元反応時の加熱条件等を考慮し、沸点が１５０℃～３００℃程度の溶媒が好ましく用いられ、例えば、ジフェニルエーテル、ジオクチルエーテル、ジノニルエステル等が用いられる。非水溶性溶媒の炭素数は、例えば６～２２であり、具体的には例えば、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
　前記親水基を有する溶媒と前記非水溶性溶媒との混合比は、ナノカプセル溶液を形成するよう適宜選択される。例えば、非水溶性溶媒は、親水基を有する溶媒に対しモル比で１０～３００倍混合する。このモル比は、具体的には例えば、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、２００、２５０、３００倍であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。一般に、親水基を有する溶媒の割合が大きいほど、ナノカプセルのサイズが大きくなる傾向にあり、得られる合金粒子の直径も大きくなる。従って、親水基を有する溶媒の割合を変化させることによって、合金粒子の直径を制御することができる。
　ナノカプセル溶液を調製する工程において、安定したナノカプセルを形成するためには、さらに高級脂肪族カルボン酸および高級脂肪族アミンを添加することが必要である。このとき、ナノカプセルの安定性を最良にするためには、λ＝前記合金前駆体／（高級脂肪族カルボン酸＋高級脂肪族アミン）＝０．０５～０．９（モル比）であることも望ましい。このλは、具体的には例えば、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。λが大きすぎるとナノカプセルの安定性が低下し、λが小さすぎると安定過ぎて次の還元工程で合金粒子の形成十分に進行しないからである。
　前記高級脂肪族カルボン酸としては、好ましくは炭素数６～２２の化合物が用いられ、オレイン酸、デカン酸、ペンタデカン酸等が例示される。高級脂肪族アミンとしては、好ましくは炭素数６～２２の化合物が用いられ、オレイルアミン、デカンアミン、ペンタデカンアミン等が例示される。高級脂肪族カルボン酸と高級脂肪族アミンとしては、オレイン酸とオレイルアミンの組み合せが特にナノカプセルの安定化に優れ好ましく用いられる。高級脂肪族カルボン酸／アミンの炭素数は、具体的には例えば、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
　これら高級脂肪族カルボン酸および高級脂肪族アミンが加えられたナノカプセル溶液を均一に混合するために、およそ１００℃～２００℃程度で攪拌することが好ましい。攪拌温度が低すぎると流動性が十分でないため撹拌し難く、高すぎると溶媒が沸騰しやすくなるからである。攪拌温度は、具体的には例えば、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。なお、金属塩または金属錯体と親水基を有する溶媒と非水溶性溶媒とを混合する場合、またさらに高級脂肪族カルボン酸および高級脂肪族アミンを混合する場合には、混合液の流動性を向上させるため必要により適宜加温しながら攪拌することが好ましい。また、混合は窒素等不活性ガス下にて行うことが好ましい。
　次に、前記適切に制御された安定なナノカプセル溶液を得た後、ナノカプセル内の金属塩または金属錯体を還元し、合金粒子を得る還元工程を説明する。この還元工程は、ナノカプセル溶液に還元作用を有する非水溶性液を加え、加熱することによって行うことが好ましい。
　すなわち、本工程においては、ナノカプセルに包含させた金属塩または金属錯体をナノカプセル外部から還元作用を有する非水溶性液（以下、単に還元剤ともいう）を供給して加熱し、還元することにより合金粒子の形成を行うことが好ましい。還元剤としては、ＭＢＲ３Ｈ、ＭＨ（但し、Ｍはリチウム、ナトリウムまたはカリウムを示し、Ｒは水素原子または炭化水素基を示し、炭化水素基は直鎖でも分岐でも、飽和でも不飽和でもよい。）、アルコールおよびナフタレンの金属誘導体等を含む非水溶性液が使用される。これらは還元作用を有する物質の有機溶媒溶液でも、それ自体が還元作用を有する有機溶媒そのものであってもよい。好ましくはＬｉＢ（Ｃ２Ｈ５）３Ｈのテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）溶液、ＬｉＢ（ＣＨ３）３Ｈのジエチルエーテル溶液等が用いられる。前記還元剤の添加量は、金属塩量に対し、モル比にて１～３倍量であることが好ましい。還元性を有する非水溶性液の添加は、例えば前記ナノカプセル溶液をスターラー等で攪拌しながら徐々に滴下することにより行われるが、適宜公知の混合手段を用いることができる。
　還元するための加熱温度は、金属によって異なるが、室温～３００℃程度であることが好ましい。例えば、アセチルアセナート白金、１，２－ヘキサデカンジオール、ジフェニルエーテル、オレイン酸およびオレイルアミンからなるナノカプセル溶液にＬｉＢ（Ｃ２Ｈ５）３ＨのＴＨＦ溶液を加える場合は、２００℃にて攪拌されているナノカプセル溶液に徐々に該ＴＨＦ溶液を滴下し、２６０℃程度に昇温させて還元反応を行うことが好ましい。本発明においては、上記金属塩や金属錯体の種類、各種溶媒の種類、還元反応の温度等は所望の合金を作製する条件に合わせて適宜選択される。例えば、各種溶媒の選択は、金属塩の溶解度、形成されるナノカプセルの安定性、還元反応における加熱温度等を考慮して適宜選択される。加熱温度は、具体的には例えば、２５、５０、７５、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２２５、２５０、２７５、３００℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
　以上の工程によって、ナノカプセル内に合金粒子を包含した合金粒子溶液が調製される。なお、以上の工程では、ナノカプセル内に包含された合金前駆体を還元することによってナノカプセル内に包含された合金粒子を生成する場合を例に挙げて説明を行ったが、親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に、別の方法で生成した合金粒子を包含させることによって、ナノカプセル内に合金粒子を包含した合金粒子溶液の調製を行なってもよい。
第２段階（Ｐｔスキン層の形成）
　この工程では、（１）Ｐｔ前駆体溶液の調製、（２）Ｐｔ前駆体溶液と合金粒子溶液の混合、（３）Ｐｔ前駆体の還元によるＰｔスキン層の形成の３段階の工程によって、Ｐｔスキン層を形成する。
　一例では、図２に示したように第１段階で形成させたＰｔＣｏの合金粒子を含む溶媒を６０℃まで冷却し、下記Ｐｔ前駆体を内包したナノカプセル溶液（スキン前駆体溶液）を加えることでＰｔ前駆体を含むナノカプセル内部に第一段階で形成された合金粒子を包み込み、５時間以上攪拌を行う。このとき、Ｐｔ前駆体濃度は、第一段階で形成させた合金粒子の大きさから表面積を算出し、この表面積に対して、１～５原子層分に相当するＰｔ前駆体量を含むナノカプセル溶液を調整する。
（１）Ｐｔ前駆体溶液の調製
　この工程は、親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合してナノカプセルを形成し、Ｐｔ前駆体を該ナノカプセル内に封じ込める工程である。ここでＰｔ前駆体とは、還元されてＰｔを形成するための原料となる化合物を示し、具体的にはＰｔの金属塩または金属錯体である。白金の金属錯体および白金塩としては、アセチルアセナート白金〔Ｐｔ（ａｃａｃ）２〕、塩化白金酸カリウム〔Ｋ２ＰｔＣｌ４〕等が好ましく用いられる。さらに、アンミン錯体、エチレンジアミン錯体、アセチルアセトナート錯体等の金属錯体が用いられる。
　前記親水基を有する溶媒としては、例えば水酸基を有する有機溶媒が挙げられ、高級アルコール等が例示される。親水基を有する溶媒は、非水溶性溶媒中でナノカプセルを形成でき、またＰｔ前駆体の溶解性に優れ、還元反応時の加熱条件に耐えうるような溶媒が適宜選択して用いられる。すなわち、沸点が１５０℃～３００℃程度の溶媒が好ましく用いられ、例えばヘキサデカンジオール、オクタデカンジオール等が用いられる。親水基を有する溶媒についての第１段階での説明は、ここでも基本的に当てはまる。
　前記非水溶性溶媒としては、前記親水基を有する溶媒と混合することでナノカプセルを形成する有機溶媒が挙げられ、例えば高級エーテル、芳香族エーテル、高級エステル等が例示される。非水溶性溶媒においては、Ｐｔスキン層の形成のための還元反応時の加熱条件等を考慮し、沸点が１５０℃～３００℃程度の溶媒が好ましく用いられ、例えば、ジフェニルエーテル、ジオクチルエーテル、ジノニルエステル等が用いられる。非水溶性溶媒についての第１段階での説明は、ここでも基本的に当てはまる。
　前記親水基を有する溶媒と前記非水溶性溶媒との混合比は、ナノカプセル溶液を形成するよう適宜選択される。例えば、非水溶性溶媒は、親水基を有する溶媒に対しモル比で１０～３００倍混合する。親水基を有する溶媒と非水溶性溶媒との混合比についての第１段階での説明は、ここでも基本的に当てはまる。
　ナノカプセル溶液を調製する工程において、安定したナノカプセルを形成するためには、さらに高級脂肪族カルボン酸および高級脂肪族アミンを添加することが必要である。このとき、また、ナノカプセルの安定性を高めるために添加される高級脂肪族カルボン酸及び高級脂肪族アミンは、λ＝Ｐｔ前駆体／（高級脂肪族カルボン酸＋高級脂肪族アミン）＝０．２５～１（モル比）となるように添加することが良い。すなわち、この値が大きすぎるとナノカプセルの安定性が低下し、逆に小さすぎると安定過ぎて次の還元工程でＰｔスキン層の形成が十分に進行しないことを詳細なる実験から明らかにし、λが０．０５～０．９（モル比）が最も望ましいことを見出した。このλは、具体的には例えば、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。また、第一段階でのＰｔＣｏ合成時のλＰｔＣｏより第二段階でのＰｔスキン層形成時のλＰｔの関係はλＰｔＣｏ≦λＰｔが好ましい。なぜなら、この場合、（１）目的としたスキン層の厚さ制御、（２）粒子ごとの均一性の維持、及び（３）単独Pt粒子の形成を防ぐという点で有利であるからである。
　高級脂肪族カルボン酸及び高級脂肪族アミンについての説明は、第１段階と同様である。第２段階で用いる高級脂肪族カルボン酸及び高級脂肪族アミンは、第１段階で用いたものと同じであっても異なっていてもよい。
　以上の工程によって、親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に、Ｐｔの金属塩又は金属錯体からなるＰｔ前駆体を包含したＰｔ前駆体溶液が得られる。
（２）Ｐｔ前駆体溶液と合金粒子溶液の混合
　次に、第１段階で調製した合金粒子溶液と上記工程で調製したＰｔ前駆体溶液を混合して攪拌する。これによって、Ｐｔ前駆体がナノカプセル内において合金粒子を包み込む状態になる。Ｐｔ前駆体溶液中の白金の量は、前記合金粒子の表面を白金の１から５原子層で覆うのに必要な量になるように、適宜決定される。原子層数は、具体的には例えば、１、２、３、４、５であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
（３）Ｐｔ前駆体の還元によるＰｔスキン層の形成
　次に、前記適切に制御された安定なナノカプセル溶液を得た後、Ｐｔ前駆体（Ｐｔ金属塩または金属錯体）を還元することによって、第１段階で形成された合金粒子表面にＰｔスキン層を形成させる。この還元は、該ナノカプセル溶液に還元作用を有する非水溶性液を加え、加熱することによっておこなうことができる。
　以上の方法により、合金粒子表面に白金スキン層を形成させた触媒粒子（例：Ｐｔスキン／ＰｔＣｏ粒子）を得ることができる。
第３段階（担体に担持させる）
　次いで、第２段階までの工程で得られた触媒粒子を導電性担体に担持させる（担持工程）。好ましくはこの担持工程の前に、ナノカプセル溶液にアルコール、好ましくはエタノール、メタノール等の低級アルコールを含む溶液を混合し、遠心分離して触媒粒子を含む沈殿物を分離し、この沈殿物をヘキサン等の有機溶媒に再分散させる洗浄・再分散工程を行う。この工程を行うことにより、還元反応後のナノカプセル溶液中に残存する還元剤等を洗浄除去することができる。また、触媒粒子を囲みかつナノカプセルを構成する分子を部分的に除去することができ、ナノカプセルの外側の疎水基によるナノカプセル同士の反発作用を残した状態を維持したまま触媒粒子の担体への吸着能を向上させ、担持されやすくすることができると考えられる。すなわち、この洗浄・再分散工程において、触媒粒子同士の凝集を避けつつ、担体上に触媒粒子を担持させることができる。
　導電性担体は特に限定されず、カーボンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、酸化錫、酸化チタンなどのナノ粒子等が例示される。担持させる際には、触媒粒子を含有するナノカプセル溶液と担体を混合し、攪拌するなど通常の方法を用いることができる。混合は、アルコール、好ましくはエタノール、メタノール等の低級アルコール（炭素数１、２、３、４、５、又は６）に担体を分散させた溶液に、ナノカプセル溶液を滴下しながら行うのが好ましいナノカプセルはその外側に疎水基を有するので、疎水基が有する電荷によって粒子同士が反発して接近し過ぎることなく担体表面に配されるため、触媒粒子が高分散担持される。また、触媒粒子を担体表面に吸着させた後、次の工程として加熱処理することが好ましい。これにより、触媒粒子上に残存するナノカプセル成分を完全に分解除去することができる。この残存するナノカプセル成分には、例えばアルキル基等の疎水基等が含まれる。加熱処理はアルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガス下にて行うことが好ましい。加熱処理の温度は、金属の種類、原料となる金属塩または金属錯体や試薬の種類によって異なるが、ナノカプセル成分が分解される温度であって分解反応の進行が遅すぎず、かつ触媒粒子の凝集が起こる温度より低い範囲とすることが好ましい。例えば、５００℃以下、好ましくは２５０～４００℃であることが良い。この温度は、具体的には例えば、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
　触媒粒子の担持量は、特に限定されないが、例えば導電性担体に対して、２０～１００ｗｔ％である。この担持量は、具体的には例えば、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００ｗｔ％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
　以下、本発明からなる活性合金粒子の表面にＰｔスキン層を形成した触媒粒子を担体に担持した電極触媒の製造法の具体的例を説明するが、本実施例に限定されるものではない。
１．実施例１（Ｐｔスキン／ＰｔＣｏ担持カーボン電極触媒、Ｐｔ：Ｃｏの合金組成比＝１：１）
　Ｐｔ（ａｃａｃ）２を０．１２５ｍｍｏｌ（４９ｍｇ）、Ｃｏ（ａｃａｃ）３を０．１２５ｍｍｏｌ（４４ｍｇ）、１，２－ヘキサデカンジオール１ｍｍｏｌ（２６０ｍｇ）、ジフェニルエーテル１２．５ｍｌ（１３．５ｇ，７９．３ｍｍｏｌ）をビーカーに加え、スターラーを用いて１００℃に昇温して１０分間攪拌混合した。これにオレイン酸０．２５ｍｍｏｌ（８５μｌ）およびオレイルアミン０．２５ｍｍｏｌ（８０μｌ）を加えた後、攪拌しながら２００℃まで昇温し、そのまま２０分間攪拌して、ナノカプセル溶液を得た。得られたナノカプセル溶液に１Ｍ　ＬｉＢ（Ｃ２Ｈ５）３Ｈ・ＴＨＦ溶液１．０ｍｌ（１ｍｍｏｌ）を２分間かけて徐々に滴下し、５分間攪拌した後２６０℃に昇温し、この温度にて２０分間還流加熱して還元反応させ、ナノカプセル内にてＰｔＣｏ粒子を含む溶液Ａを得た。その後該溶液Ａを６０℃まで降温した。
　次に、Ｐｔスキン層として２原子層に相当するＰｔ量であるＰｔ（ａｃａｃ）２を０．２１５ｍｍｏｌ（８７ｍｇ）、１，２－ヘキサデカンジオールを１ｍｍｏｌ（２６０ｍｇ）、ジフェニルエーテル１２．５ｍｌを別のビーカーに加え、スターラーを用いて１００℃に昇温して１０分間攪拌混合した。これにオレイン酸０．２５ｍｍｏｌ（８５μｌ）およびオレイルアミン０．２５ｍｍｏｌ（８０μｌ）を加えた後、攪拌しながら２００℃まで昇温し、そのまま２０分間攪拌して、ナノカプセル溶液Ｂを得た。得られたナノカプセル溶液Ｂを前記した６０℃まで降温したＰｔＣｏ粒子を含む溶液Ａと混合し、同温度で１５時間攪拌した。この工程によって、各ＰｔＣｏ粒子が、Ｐｔ前駆体塩を内包したナノカプセルで包み込まれる。攪拌しながら２００℃まで昇温し、そのまま２０分間攪拌して、ナノカプセル溶液Ｃを得た。
　得られたナノカプセル溶液Ｃに１Ｍ　ＬｉＢ（Ｃ２Ｈ５）３Ｈ・ＴＨＦ溶液１．０ｍｌ（１．０ｍｍｏｌ）を２分間かけて徐々に滴下し、５分間攪拌した後２６０℃に昇温し、この温度にて２０分間還流加熱して還元反応させ、ナノカプセル内にてＰｔスキン層で覆ったＰｔＣｏ粒子（Ｐｔ＿ＰｔＣｏ）を得た。その後、ナノカプセル溶液Ｃを１００℃付近まで降温し、Ｐｔスキン／ＰｔＣｏの担持量がカーボンブラックに対し５０ｗｔ％となるように黒鉛化カーボンブラック（ＧＣ、１５０ｍ２／ｇ）を混合攪拌し、濾過した後６０℃で真空乾燥後、残存した有機溶媒を除去するために窒素ガス中で４００℃、４時間加熱し、Ｐｔスキン／ＰｔＣｏ担持カーボン電極触媒を得た。
２．実施例２（Ｐｔ：Ｃｏの合金組成比＝１：３に変更）
　製造方法は実施例１と同じであるが、ナノカプセル溶液Ａ中の金属塩濃度をＰｔ（ａｃａｃ）２を０．１２５ｍｍｏｌ（４９ｍｇ）、Ｃｏ（ａｃａｃ）３を０．３７５ｍｍｏｌ（１３３．６ｍｇ）とし、ＰｔとＣｏの合金組成比を１：３に変えた。これに対しナノカプセル溶液ＢのＰｔ塩濃度はＰｔスキン層として２原子層に相当する１．２５ｍｍｏｌ（４９６．７ｍｇ）として、Ｐｔスキン／ＰｔＣｏ担持カーボン電極を製造した。
３．比較例１（Ｐｔ／ＣＢ触媒）
　実施例１で作成したＰｔスキン＿ＰｔＣｏ／ＧＣ触媒の酸素還元活性の比較対象として市販の５０ｗｔ％Ｐｔが担持されたＰｔ／ＣＢ（Ｐｔ粒子径；２．６ｎｍ、ＣＢ：ケッチェンブラック、８００ｍ２ｇ－１）触媒を用いた。
４．比較例２（Ｐｔスキンなし）
　実施例１で作成したＰｔスキン＿ＰｔＣｏ／ＧＣ触媒の酸素還元活性の比較対象として実施例１で作成したＰｔスキンを被覆する前のＰｔＣｏ合金をＧＣに担持させたＰｔＣｏ／ＧＣ触媒を用いた。
５．比較例２及び実施例１で得た電極触媒表面の電子顕微鏡による観察
　比較例２及び実施例１で得た電極触媒表面を電子顕微鏡で調べた。図３にＰｔＣｏをカーボンに担持した電極触媒（比較例２）の電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察結果を示す。同じく図４は実施例１で得たＰｔＣｏ粒子の表面にＰｔスキン層形成させ担体に担持した電極触媒のＴＥＭ観察結果を示す。また、図５はＴＥＭ写真から（ａ）ＰｔＣｏおよび（ｂ）Ｐｔ＿ＰｔＣｏの粒径分布を算出した結果を示したものである。
　ＴＥＭ写真（図３）から粒径２．９ｎｍの（ａ）ＰｔＣｏが凝集せずにカーボンブラック上に高分散担持されていることがよくわかる。また、ＰｔＣｏに２原子層分のＰｔスキンを形成させた（ｂ）Ｐｔ＿ＰｔＣｏのＴＥＭ写真（図４）では、粒径４ｎｍに成長していることが分かる。各粒子の分散度が小さくすなわちＰｔＣｏ及びＰｔ＿ＰｔＣｏ粒子が揃っていることが分かる。粒径分布から得た平均粒子径の増加分は、Ｐｔ原子層に換算して２原子層分となり、実施例１の反応過程におけるＰｔ前駆体濃度により、形成するＰｔスキン層の厚さを制御できることが分かった。
６．実施例２で得た電極触媒表面の電子顕微鏡による観察
　実施例２で得た電極触媒表面を電子顕微鏡で調べた。図６に（ｃ）ＰｔＣｏ３（合金組成比Ｐｔ：Ｃｏ＝１：３）をカーボンに担持した電極触媒の電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察結果を示す。同じく図７は実施例２で得たＰｔＣｏ３粒子の表面にＰｔスキン層形成させた（ｄ）Ｐｔ＿ＰｔＣｏ３を担体に担持した電極触媒のＴＥＭ観察結果を示す。また、図８はＴＥＭ写真からＰｔＣｏ３およびＰｔ＿ＰｔＣｏ３の粒径分布を算出した結果を示したものである。ＴＥＭ写真（図６）から粒径２．１ｎｍのＰｔＣｏ３粒子が凝集せずにカーボンブラック上に高分散担持されていることがよくわかる。また、ＰｔＣｏ３に２原子層分のＰｔスキンを形成させたＴＥＭ写真（図７）では、粒径３．１ｎｍに成長していることが分かる。各粒子の分散度が小さく、すなわちＰｔＣｏ３及びＰｔ＿ＰｔＣｏ３粒子が揃っていることが分かる。粒径分布から得た平均粒子径の増加分は、Ｐｔ原子層に換算して２原子層分となり、実施例２の製造方法におけるＰｔ前駆体濃度により、形成するＰｔスキン層の厚さを制御できたことを確認した。
７．実施例１及び比較例２の電極触媒のＸＲＤパターン測定
　図９に実施例１で得られたＰｔ＿ＰｔＣｏ／ＧＣ触媒、比較例２で得られたＰｔＣｏ／ＧＣ触媒、比較例１で示したＰｔ／ＣＢ触媒のＸＲＤパターンを示す。Ｐｔ／ＣＢのＰｔ回折ピーク位置に対して、ＰｔＣｏ／ＧＣは高角度側にシフトしている。その時、Ｃｏ固有のピークや酸化物等のピークが見られていないことから、ＰｔＣｏ／ＧＣは固溶合金であることが分かる。次いで、ＰｔＣｏにＰｔスキンを形成させたＰｔ＿ＰｔＣｏ／ＧＣではＰｔＣｏ／ＧＣに比べ低角度側にシフトした。つまり、Ｐｔの回折ピーク位置はＰｔ／ＣＢ＜Ｐｔスキン／ＰｔＣｏ／ＧＣ＜ＰｔＣｏ／ＧＣになっている。この場合も、Ｐｔの回折ピークが低角度側にシフトしたのみで、その他のピークは検出されていない。つまり、ＰｔＣｏの固溶合金の特性を保ったまま、Ｐｔ量が増加していることを示しており、この結果からＰｔＣｏ表面にＰｔが析出していることが示されている。
８．電極触媒の触媒活性測定
　回転リングディスク電極法により、室温、Ｏ２飽和の０．１Ｍ　ＨＣｌＯ４溶液中において、酸素還元反応（ＯＲＲ）活性を測定し、実施例１で得られた、Ｐｔスキン／ＰｔＣｏ／ＧＣ触媒と市販Ｐｔ／ＣＢ触媒と比較した結果を図１０に示す。実施例１のＰｔスキン／ＰｔＣｏ／ＧＣ触媒の各電位での活性支配電流密度ｊｋは、０．８～０．９Ｖのいずれにおいても比較例１で示した市販のＰｔ／ＣＢ触媒に対して約２倍向上した。
　表１に、ＰｔＣｏ粒径とＰｔスキン層数を変化させた場合の質量活性の値を示す。実施例１の触媒の実測値をＮｏ．３に示した。このときの質量活性は３倍であった。これに対してＮｏ．２では実施例１と同じＰｔＣｏ粒径を２、Ｐｔスキン層を２、最終粒径を３．１１とした場合の質量活性をｃｕｂｏｏｃｔａｈｅｄｒａｌモデル及びｂａｌｌモデルを用いて計算すると２．６倍となり、実施例１の実測値に近似した値が得られた。さらに、ＰｔＣｏ粒径とＰｔスキン層数を種々変化させてときの質量活性を計算したところ、表１に示すように、Ｐｔスキン層数が少ないほど質量活性の値が大きくなり、Ｐｔスキン層数は、１～５程度が好ましいことが分かった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
９．実施例１で得た電極触媒の溶出試験
　図１１に実施例１で得られたＰｔスキン／ＰｔＣｏ／ＧＣ触媒と比較例２で得られたＰｔＣｏ／ＧＣ触媒の溶出試験結果を示す。溶出試験条件は２５℃のＮ２脱気した０．１Ｍ　ＨＣｌＯ４溶液中で、０．９Ｖから１．３Ｖ（各電位３０秒保持）の電位ステップサイクルを繰り返すこととした。図中には一定サイクル数ごとの活性表面積ＥＣＡを測定し、その維持率をプロットしている。通常のＰｔＣｏ／ＧＣ触媒ではサイクル数に対してＥＣＡは減少し続けるのに対し、Ｐｔスキン／ＰｔＣｏ／ＧＣ触媒では５００サイクル以上で９０％以上維持し一定となる。これより最密に充填被覆した２層から成る白金スキン層の形成により、合金粒子は完全にＰｔスキン層に覆われるため、合金の溶出が妨げられたと考えられる。
　
　

Claims (9)

  1. 　２種以上の貴金属の合金又は貴金属と遷移金属の合金からなる合金粒子の表面に白金原子のみからなる１から５原子層の白金スキン層を備える触媒粒子。
  2. 　前記貴金属は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム及び金から選ばれる少なくとも１種を含み、前記遷移金属は、鉄、ニッケル、コバルトから選ばれる少なくとも１種を含む請求項１に記載の触媒粒子。
  3. 　前記白金スキン層は、親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に包含した白金前駆体を前記合金粒子表面で還元することによって形成される請求項１又は２に記載の触媒粒子。
  4. 　請求項１～３の何れか１つに記載の触媒粒子を導電性担体に担持した電極触媒。
  5. 　親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に２種以上の貴金属の合金又は貴金属と遷移金属の合金からなる合金粒子を包含した合金粒子溶液を調製する合金粒子溶液調製工程と、
    　親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に、白金の金属塩又は金属錯体からなる白金前駆体を包含した白金前駆体溶液を調製する白金前駆体溶液調製工程と、
    　合金粒子溶液と白金前駆体溶液を混合し、その後、前記白金前駆体を還元することによって前記合金粒子表面に白金スキン層を形成させた触媒粒子を形成する白金スキン層形成工程とを備えることを特徴とする触媒粒子の製造方法。
  6. 　前記合金粒子溶液調製工程は、親水基を有する溶媒および非水溶性溶媒を混合して形成されるナノカプセル内に前記合金を構成する貴金属又は遷移金属の金属塩又は金属錯体からなる合金前駆体を包含した合金前駆体ナノカプセル溶液を調製し、その後、前記合金前駆体を還元することによって前記合金粒子を包含した合金粒子溶液を調製する工程を備える請求項５に記載の触媒粒子の製造方法。
  7. 　前記白金前駆体溶液は、前記合金粒子の表面を白金の１から５原子層で覆うのに必要な量の白金を含有する請求項５又は６に記載の触媒粒子の製造方法。
  8. 　前記貴金属は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム及び金から選ばれる少なくとも１種を含み、前記遷移金属は、鉄、ニッケル、コバルトからなる群から選ばれる少なくとも１種を含み、前記金属錯体は、アンミン錯体、エチレンジアミン錯体、アセチルアセナート錯体の少なくとも１種を含む請求項５から７のいずれか１項に記載の触媒粒子の製造方法。
  9. 　請求項５～８の何れか１つに記載の方法に従って触媒粒子を製造する触媒粒子製造工程と、
    　前記触媒粒子を導電性担体に担持させる担持工程を備える電極触媒の製造方法。
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