JP2018060790A - Electrocatalyst production method - Google Patents
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Abstract
【課題】活性支配電流密度等の触媒性能に優れた電極触媒を容易に製造できる方法を提供すること。【解決手段】分散液作製工程と担持工程とを有する電極触媒の製造方法である。分散液作製工程では、(i)ホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒と、(ii)金属酸化物の触媒担体粉と、(iii)白金化合物と、(iv)遷移金属化合物とを混合して分散液を作製する。担持工程では、前記分散液を加熱して、前記触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる。担持工程を、前記分散液中に蟻酸化学種が存在する状態下に行う。【選択図】なしThe present invention provides a method for easily producing an electrode catalyst excellent in catalyst performance such as activity-dominated current density. A method for producing an electrode catalyst having a dispersion preparation step and a supporting step. In the dispersion preparation step, (i) a solvent of an organic compound having a formamide group, (ii) a catalyst support powder of a metal oxide, (iii) a platinum compound, and (iv) a transition metal compound are mixed and dispersed. Make a liquid. In the supporting step, the dispersion is heated to support a platinum alloy of platinum and a transition metal on the surface of the catalyst carrier powder. The supporting step is performed in a state in which formic acid species are present in the dispersion. [Selection figure] None
Description
本発明は、燃料電池に好適に用いられる電極触媒を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrode catalyst suitably used for a fuel cell.
固体高分子形燃料電池は、パーフルオロアルキルスルホン酸型高分子などのプロトン伝導性を有する高分子膜を固体電解質とし、該固体高分子膜の各面に電極触媒が施されてなる酸素極及び燃料極が形成された膜電極接合体を備えている。 The polymer electrolyte fuel cell has a proton conductive polymer membrane such as a perfluoroalkylsulfonic acid type polymer as a solid electrolyte, and an oxygen electrode in which an electrode catalyst is applied to each surface of the solid polymer membrane. A membrane electrode assembly having a fuel electrode is provided.
電極触媒は、一般に担体となるカーボンブラック等の導電性炭素材料の表面に、白金を始めとする各種貴金属触媒が担持されてなる。電極触媒は、燃料電池の運転時の電位変化により、カーボンが酸化腐食し、担持されている金属触媒の凝集や脱落が起こることが知られている。その結果、運転時間の経過とともに燃料電池の性能が低下してくる。そこで、燃料電池の製造においては、実際に必要な量よりも多量の貴金属触媒を担体に担持させておくことで、性能にゆとりを持たせて、高寿命化を図っている。しかし、このことは経済性の観点から有利とは言えない。 The electrode catalyst is generally formed by supporting various precious metal catalysts such as platinum on the surface of a conductive carbon material such as carbon black as a carrier. In the electrode catalyst, it is known that carbon is oxidized and corroded due to a potential change during operation of the fuel cell, and the supported metal catalyst is aggregated or dropped off. As a result, the performance of the fuel cell decreases as the operating time elapses. Therefore, in the manufacture of a fuel cell, a larger amount of noble metal catalyst than is actually required is supported on a carrier, so that the performance is increased and the life is extended. However, this is not advantageous from an economic point of view.
そこで、固体高分子形燃料電池の高性能化や高寿命化や経済性の改善などを図ることを目的として、電極触媒に関する種々の検討がなされている。例えば、これまで担体として用いられてきた導電性炭素に代えて、非炭素系の材料である導電性酸化物担体を用いることが提案されている(特許文献1参照)。同文献においては、電極触媒の担体として酸化スズが用いられている。この担体の表面には、白金等の貴金属の微粒子が担持されている。この電極触媒は、優れた電気化学的触媒活性を有し、且つ高い耐久性を有する、と同文献には記載されている。同文献において、貴金属の微粒子は、貴金属のコロイドを還元雰囲気下にて80℃ないし250℃で熱処理することで生成させている。 Accordingly, various studies on electrode catalysts have been made for the purpose of improving the performance, extending the life and improving the economic efficiency of polymer electrolyte fuel cells. For example, it has been proposed to use a conductive oxide carrier that is a non-carbon material instead of the conductive carbon that has been used as a carrier until now (see Patent Document 1). In this document, tin oxide is used as a support for the electrode catalyst. On the surface of the carrier, fine particles of noble metal such as platinum are supported. This electrode catalyst is described in the same literature as having excellent electrochemical catalytic activity and high durability. In this document, noble metal fine particles are generated by heat-treating a noble metal colloid at 80 ° C. to 250 ° C. in a reducing atmosphere.
特許文献1に記載の電極触媒の性能について本発明者が検討したところ、活性支配電流密度等の触媒性能に改善の余地があることが見出された。そこで、白金より触媒活性が高い白金ニッケル合金を酸化スズに担持させることで、電極触媒の触媒性能が向上すると考え、特許文献1に記載の方法で、酸化スズの表面に白金ニッケル合金を担持した電極触媒の製造を試みた。しかしながら、当該文献に記載の方法では、白金中にニッケルを固溶させることを目的として、白金金属及びニッケル金属の前駆体が酸化スズに担持された試料を還元雰囲気下にて例えば200℃以上の高温で熱処理を行う必要があるため、熱処理の際に、白金がニッケルのみならず酸化スズ中のスズと合金化してしまい、所望の触媒性能が得られなかった。 When this inventor examined about the performance of the electrode catalyst of patent document 1, it was found that there is room for improvement in catalyst performance, such as activity dominant current density. Therefore, it is thought that the catalytic performance of the electrode catalyst is improved by supporting a platinum nickel alloy having a higher catalytic activity than platinum on the tin oxide, and the platinum nickel alloy is supported on the surface of tin oxide by the method described in Patent Document 1. An attempt was made to produce an electrode catalyst. However, in the method described in the document, for the purpose of dissolving nickel in platinum, a sample in which a platinum metal and a precursor of nickel metal are supported on tin oxide is, for example, 200 ° C. or higher in a reducing atmosphere. Since it is necessary to perform a heat treatment at a high temperature, platinum was alloyed with tin in tin oxide as well as nickel during the heat treatment, and the desired catalyst performance could not be obtained.
したがって本発明の課題は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得る電極触媒を製造し得る方法を提供することにある。 Therefore, the subject of this invention is providing the method which can manufacture the electrode catalyst which can eliminate the various fault which the prior art mentioned above has.
本発明は、(i)ホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒と、(ii)金属酸化物の触媒担体粉と、(iii)白金化合物と、(iv)遷移金属化合物と、を混合して分散液を作製する分散液作製工程と、
前記分散液を加熱して、前記触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる工程であって、当該工程を、前記分散液中に蟻酸化学種が存在する状態下に行う担持工程と、
を有する電極触媒の製造方法を提供するものである。
The present invention provides a dispersion obtained by mixing (i) a solvent of an organic compound having a formamide group, (ii) a catalyst support powder of a metal oxide, (iii) a platinum compound, and (iv) a transition metal compound. A dispersion preparation process for preparing
Heating the dispersion to support a platinum alloy of platinum and a transition metal on the surface of the catalyst support powder, and the step is performed in a state in which formic acid species are present in the dispersion. A loading process;
The manufacturing method of the electrode catalyst which has this is provided.
また本発明は、(i)ホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒と、(ii)金属酸化物の触媒担体粉と、(iii)白金化合物と、(iv)遷移金属化合物と、(v)水又は水含有化合物と、を混合して分散液を作製する分散液作製工程と、
前記分散液を加熱して、前記触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる担持工程と、
を有する電極触媒の製造方法を提供するものである。
The present invention also includes (i) a solvent of an organic compound having a formamide group, (ii) a catalyst support powder of a metal oxide, (iii) a platinum compound, (iv) a transition metal compound, and (v) water or A dispersion preparation step of preparing a dispersion by mixing a water-containing compound;
A supporting step of heating the dispersion and supporting a platinum alloy of platinum and a transition metal on the surface of the catalyst carrier powder;
The manufacturing method of the electrode catalyst which has this is provided.
本発明によれば、活性支配電流密度等の触媒性能に優れた電極触媒を容易に製造することができる。 According to the present invention, an electrode catalyst excellent in catalyst performance such as activity-dominated current density can be easily produced.
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。本発明において製造の対象となる電極触媒は、担体の表面に触媒が担持された構造を有している。担体としては、導電性を有する金属酸化物が好適に用いられる。本発明において「導電性を有する」とは金属酸化物の57MPaの圧力下における体積抵抗率が1×104Ω・cm以下であることを言う。担体の表面に担持される触媒としては、白金と遷移金属との白金合金が好適に用いられる。本発明の方法によって製造された電極触媒は、各種の燃料電池の触媒として好適に用いられる。そのような燃料電池としては、例えば固体高分子形燃料電池が典型的なものとして挙げられる。 Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments thereof. The electrode catalyst to be produced in the present invention has a structure in which a catalyst is supported on the surface of a carrier. As the carrier, a conductive metal oxide is preferably used. In the present invention, “having conductivity” means that the volume resistivity of the metal oxide under a pressure of 57 MPa is 1 × 10 4 Ω · cm or less. As the catalyst supported on the surface of the support, a platinum alloy of platinum and a transition metal is preferably used. The electrode catalyst produced by the method of the present invention is suitably used as a catalyst for various fuel cells. A typical example of such a fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.
本発明の製造方法は、(i)ホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒と、(ii)金属酸化物の触媒担体粉と、(iii)白金化合物と、(iv)遷移金属化合物と、を混合して分散液を作製する分散液作製工程と、分散液を加熱して、触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる工程であって、当該工程を、分散液中に蟻酸化学種が存在する状態下に行う担持工程とを、有するものである。 The production method of the present invention comprises mixing (i) a solvent of an organic compound having a formamide group, (ii) a catalyst support powder of a metal oxide, (iii) a platinum compound, and (iv) a transition metal compound. A dispersion preparation step for preparing a dispersion, and a step of heating the dispersion to support a platinum alloy of platinum and a transition metal on the surface of the catalyst carrier powder, the step being performed by adding formic acid in the dispersion. And a supporting step performed in the presence of chemical species.
本発明の製造方法の採用によって、触媒性能に優れた電極触媒を得ることができる理由は、分散液を加熱することで、ホルムアミド基を有する有機化合物の還元作用により、一層低温で白金化合物及び遷移金属化合物が還元されて両者の合金を生成することができ、白金と触媒担体を構成する金属酸化物の当該金属元素との合金化を抑制できるからであると、本発明者は考えている。そして、更に、蟻酸の存在下に分散液を加熱していることにより、現在のところ必ずしも明確ではないが、分散液中に含まれている白金化合物及び遷移金属化合物の還元が蟻酸化学種によって促進され、そのことに起因して合金の固溶が促進され、白金合金の触媒活性が高まるからではないかと、本発明者は考えている。 The reason why an electrode catalyst having excellent catalytic performance can be obtained by adopting the production method of the present invention is that the platinum compound and transition at a lower temperature can be obtained by heating the dispersion liquid and reducing the organic compound having a formamide group. The present inventor believes that the metal compound can be reduced to form an alloy of both, and the alloying of platinum and the metal oxide constituting the catalyst support with the metal element can be suppressed. Further, heating the dispersion in the presence of formic acid is currently not necessarily clear, but the reduction of platinum compounds and transition metal compounds contained in the dispersion is promoted by the formic acid species. Therefore, the present inventor believes that the solid solution of the alloy is promoted and the catalytic activity of the platinum alloy is increased.
以上のように、本発明の製造方法は、(イ)分散液作製工程と、(ロ)担持工程とに大別される。以下それぞれの工程について詳述する。 As described above, the production method of the present invention is broadly divided into (a) a dispersion preparation step and (b) a supporting step. Each step will be described in detail below.
(イ)の分散液作製工程において、分散液は、その構成成分として以下の(i)−(iv)を混合することで作製される。
(i)ホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒。
(ii)金属酸化物の触媒担体粉。
(iii)白金化合物。
(iv)遷移金属化合物。
In the dispersion preparation step (a), the dispersion is prepared by mixing the following (i)-(iv) as its constituent components.
(I) A solvent for an organic compound having a formamide group.
(Ii) Metal oxide catalyst carrier powder.
(Iii) Platinum compound.
(Iv) Transition metal compounds.
(i)−(iv)は例えばこれらを一括して容器等に投入し、混合することができる。あるいは、(i)に、(ii)−(iv)を添加し、混合することができる。添加の順序は本発明において臨界的ではなく、各成分の性状や配合比率に応じて添加の順序を適宜決定することができる。 In (i)-(iv), for example, these can be put together in a container or the like and mixed. Alternatively, (ii)-(iv) can be added to (i) and mixed. The order of addition is not critical in the present invention, and the order of addition can be appropriately determined according to the properties of each component and the blending ratio.
分散液作製工程においては、目的とする分散液の全質量に対して、(i)のホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒の割合が、好ましくは30質量%以上99.9質量%以下、更に好ましくは40質量%以上99.7質量%以下、一層好ましくは50質量%以上99質量%以下となるように、該溶媒を添加することが好ましい。なお、分散液中には、本発明の効果を奏する限度において、前記溶媒以外の溶媒を含んでいてもよい。 In the dispersion preparation step, the ratio of the solvent of the organic compound having the formamide group (i) is preferably 30% by mass or more and 99.9% by mass or less, more preferably, with respect to the total mass of the target dispersion. Is preferably added in an amount of 40 mass% to 99.7 mass%, more preferably 50 mass% to 99 mass%. In addition, the dispersion liquid may contain a solvent other than the above solvent as long as the effect of the present invention is achieved.
分散液作製工程においては、目的とする分散液の溶媒体積に対して、(ii)の金属酸化物の触媒担体粉の割合が、好ましくは0.1g/L以上500g/L以下、更に好ましくは1g/L以上150g/L以下、一層好ましくは2g/L以上100g/L以下となるように、該担体粉を添加することが好ましい。 In the dispersion preparation step, the ratio of the metal oxide catalyst support powder of (ii) to the solvent volume of the target dispersion is preferably 0.1 g / L or more and 500 g / L or less, more preferably The carrier powder is preferably added so as to be 1 g / L or more and 150 g / L or less, more preferably 2 g / L or more and 100 g / L or less.
分散液作製工程においては、目的とする分散液の溶媒体積に対して、(iii)の白金化合物の割合が、好ましくは2.5×10−4mol/L以上1.2mol/L以下、更に好ましくは6.0×10−4mol/L以上8.0×10−1mol/L以下、一層好ましくは1.5×10−3mol/L以上8.0×10−2mol/L以下となるように、該白金化合物を添加することが好ましい。 In the dispersion preparation step, the ratio of the platinum compound (iii) to the solvent volume of the target dispersion is preferably 2.5 × 10 −4 mol / L or more and 1.2 mol / L or less, Preferably it is 6.0 × 10 −4 mol / L or more and 8.0 × 10 −1 mol / L or less, more preferably 1.5 × 10 −3 mol / L or more and 8.0 × 10 −2 mol / L or less. It is preferable to add the platinum compound so that
分散液作製工程においては、目的とする分散液の溶媒体積に対して、(iv)の遷移金属化合物の割合が、好ましくは4.0×10−4mol/L以上2.0×10−1mol/L以下、更に好ましくは6.0×10−4mol/L以上1.2×10−1mol/L以下、一層好ましくは2.0×10−3mol/L以上6.0×10−2mol/L以下となるように、該遷移金属化合物を添加することが好ましい。 In the dispersion preparation step, the ratio of the transition metal compound (iv) to the solvent volume of the target dispersion is preferably 4.0 × 10 −4 mol / L or more and 2.0 × 10 −1. mol / L or less, more preferably 6.0 × 10 −4 mol / L or more and 1.2 × 10 −1 mol / L or less, more preferably 2.0 × 10 −3 mol / L or more and 6.0 × 10. It is preferable to add the transition metal compound so as to be −2 mol / L or less.
分散液作製工程においては、上述の成分に加えてカルボキシル基を含む芳香族化合物を更に混合してもよい。分散液中にカルボキシル基を含む芳香族化合物が含まれていることによって、(ロ)の担持工程において、白金及び遷移金属の還元が一層首尾よく行われ、そのことに起因して合金の固溶状態が一層均一になる。その結果、目的とする電極触媒の触媒性能が一層向上する。 In the dispersion preparation step, an aromatic compound containing a carboxyl group may be further mixed in addition to the above components. By containing an aromatic compound containing a carboxyl group in the dispersion, platinum and transition metals are more successfully reduced in the loading step (b), resulting in solid solution of the alloy. The state becomes more uniform. As a result, the catalytic performance of the target electrode catalyst is further improved.
分散液作製工程においては、目的とする分散液の溶媒体積に対して、前記のカルボキシル基を含む芳香族化合物の割合が、好ましくは4.0×10−4mol/L以上4.0mol/L以下、更に好ましくは2.0×10−2mol/L以上3.0mol/L以下、一層好ましくは4.0×10−2mol/L以上2.0mol/L以下となるように、該芳香族化合物を添加することが好ましい。 In the dispersion preparation step, the ratio of the aromatic compound containing a carboxyl group to the solvent volume of the target dispersion is preferably 4.0 × 10 −4 mol / L or more and 4.0 mol / L. Hereinafter, the fragrance is more preferably 2.0 × 10 −2 mol / L or more and 3.0 mol / L or less, more preferably 4.0 × 10 −2 mol / L or more and 2.0 mol / L or less. It is preferable to add a group compound.
分散液作製工程において、(i)のホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒は、(iii)の白金化合物や(iv)の遷移金属化合物を溶解する溶媒として用いられる。また
(iii)の白金化合物や(iv)の遷移金属化合物を還元する還元剤としても用いられる。これらの観点から、(i)のホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒としては、例えばホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、及びN−エチルホルムアミドなどが挙げられる。これらの溶媒は1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
In the dispersion preparing step, the solvent of the organic compound having the formamide group (i) is used as a solvent for dissolving the platinum compound (iii) and the transition metal compound (iv). It is also used as a reducing agent for reducing the platinum compound (iii) and the transition metal compound (iv). From these viewpoints, examples of the solvent of the organic compound having a formamide group (i) include formamide, N, N-dimethylformamide, N-methylformamide, N, N-diethylformamide, and N-ethylformamide. It is done. These solvents can be used alone or in combination of two or more.
分散液作製工程において、(ii)の金属酸化物の触媒担体粉は、金属酸化物の担体の粒子(以下「担体粒子」とも言う。)の集合体からなる。担体粒子としては、導電性を有する金属酸化物の粒子を用いることができる。導電性を有する金属酸化物としては、例えばインジウム系酸化物、スズ系酸化物、チタン系酸化物、ジルコニウム系酸化物、セレン系酸化物、タングステン系酸化物、亜鉛系酸化物、バナジウム系酸化物、タンタル系酸化物、ニオブ系酸化物及びレニウム系酸化物が挙げられる。更に好ましい無機酸化物としては、例えばスズ酸化物に、フッ素及び塩素などのハロゲン、ニオブ、タンタル、アンチモン、タングステンのうち1種以上の元素が含まれているものが挙げられる。具体的には、スズ含有インジウム酸化物や、アンチモン含有スズ酸化物、フッ素含有スズ酸化物、タンタル含有スズ酸化物、アンチモン及びタンタル含有スズ酸化物、タングステン含有スズ酸化物、フッ素及びタングステン含有スズ酸化物、並びにニオブ含有スズ酸化物のような金属ないし非金属含有(ドープ)スズ酸化物などが挙げられる。特に担体粒子は、酸化スズを含むセラミックス材料であることが、固体高分子形燃料電池の発電環境下における物質の安定性の点から好ましい。 In the dispersion preparation step, the metal oxide catalyst carrier powder (ii) is composed of aggregates of metal oxide carrier particles (hereinafter also referred to as “carrier particles”). As the carrier particles, conductive metal oxide particles can be used. Examples of the conductive metal oxide include indium oxide, tin oxide, titanium oxide, zirconium oxide, selenium oxide, tungsten oxide, zinc oxide, and vanadium oxide. Tantalum oxide, niobium oxide and rhenium oxide. More preferable inorganic oxides include, for example, tin oxide containing one or more elements selected from halogens such as fluorine and chlorine, niobium, tantalum, antimony, and tungsten. Specifically, tin-containing indium oxide, antimony-containing tin oxide, fluorine-containing tin oxide, tantalum-containing tin oxide, antimony and tantalum-containing tin oxide, tungsten-containing tin oxide, fluorine and tungsten-containing tin oxide And non-metal-containing (doped) tin oxide such as niobium-containing tin oxide. In particular, the carrier particles are preferably a ceramic material containing tin oxide from the viewpoint of the stability of the substance in the power generation environment of the polymer electrolyte fuel cell.
導電性を有する金属酸化物からなる担体粒子は種々の方法で製造することができる。製造方法は湿式法及び乾式法に大別される。微粒の担体粒子を製造する観点からは、湿式法を採用することが有利である。湿式法の一例として、ハロゲンを含有する酸化スズからなる担体粒子を製造するには、以下の方法を採用することが好ましい。この製造方法の詳細は、例えばWO2016/098399に記載されている。 Carrier particles made of a conductive metal oxide can be produced by various methods. Manufacturing methods are roughly classified into wet methods and dry methods. From the viewpoint of producing fine carrier particles, it is advantageous to employ a wet method. As an example of the wet method, it is preferable to employ the following method to produce carrier particles made of tin oxide containing halogen. Details of this production method are described in, for example, WO2016 / 098399.
担体粒子の一次粒子径は5nm以上200nm以下であることが好ましく、5nm以上100nm以下であることが更に好ましく、5nm以上50nm以下であることが一層好ましい。担体の一次粒子径は、電子顕微鏡像や小角X線散乱から測定される担体の一次粒子径の平均値により得ることができる。例えば、担体粒子を電子顕微鏡像で観察し、500個以上の粒子を対象として最大横断長を測定し、その平均値を算出することで求められる。 The primary particle size of the carrier particles is preferably 5 nm to 200 nm, more preferably 5 nm to 100 nm, and still more preferably 5 nm to 50 nm. The primary particle diameter of the carrier can be obtained by an average value of the primary particle diameter of the carrier measured from an electron microscope image or small angle X-ray scattering. For example, it is obtained by observing carrier particles with an electron microscope image, measuring the maximum transverse length for 500 or more particles, and calculating the average value.
分散液作製工程において、(iii)の白金化合物としては、(i)のホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒に溶解可能なものを用いることが好ましいが、それに限られない。(iii)の白金化合物としては、例えば白金錯体や白金塩を用いることができる。白金化合物の具体例としては、白金錯体の一種であるビス(アセチルアセトナト)白金(II)や、ヘキサクロリド白金(IV)酸、テトラクロリド白金(II)酸、ジニトロジアンミン白金(II)、ジクロロテトラアンミン白金(II)水和物、ヘキサヒドロキソ白金(IV)酸などが挙げられる。 In the dispersion preparation step, the platinum compound (iii) is preferably one that can be dissolved in a solvent of an organic compound having a formamide group (i), but is not limited thereto. As the platinum compound (iii), for example, a platinum complex or a platinum salt can be used. Specific examples of platinum compounds include bis (acetylacetonato) platinum (II), a kind of platinum complex, hexachloride platinum (IV) acid, tetrachloride platinum (II) acid, dinitrodiammine platinum (II), dichloro Examples include tetraammineplatinum (II) hydrate, hexahydroxoplatinum (IV) acid, and the like.
分散液作製工程において、(iv)の遷移金属化合物としては、(i)のホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒に溶解可能なものを用いることが好ましいが、それに限られない。(iv)の遷移金属化合物としては、例えば遷移金属錯体や遷移金属塩を用いることができる。遷移金属の例としては、ニッケル、コバルト、鉄、クロム、チタン、バナジウム、マンガン、銅、亜鉛、スカンジウムなどが挙げられるが、これらに限られない。また、遷移金属化合物は1種を単独で用いることもでき、あるいは2種以上を組み合わせて用いることもできる。以上の遷移金属のうち、白金との合金の触媒活性が高い点から、ニッケル、コバルト、鉄又はクロムの化合物を用いることが好ましい。 In the dispersion preparation step, the transition metal compound (iv) is preferably one that can be dissolved in the solvent of the organic compound having the formamide group (i), but is not limited thereto. As the transition metal compound (iv), for example, a transition metal complex or a transition metal salt can be used. Examples of transition metals include, but are not limited to, nickel, cobalt, iron, chromium, titanium, vanadium, manganese, copper, zinc, scandium, and the like. Moreover, a transition metal compound can also be used individually by 1 type, or can also be used in combination of 2 or more type. Of the above transition metals, it is preferable to use a compound of nickel, cobalt, iron or chromium from the viewpoint of high catalytic activity of an alloy with platinum.
後述するとおり、(iv)の遷移金属化合物は結晶水を有するものであってもよい。結晶水を有する遷移金属化合物としては、例えばニッケル錯体の一種であるビス(2,4−ペンタンジオナト)ニッケル(II)・2水和物及びヘキサフルオロアセチルアセトナトニッケル(II)水和物、また例えばニッケル塩である酢酸ニッケル・4水和物、硝酸ニッケル・6水和物及び塩化ニッケル・6水和物などが挙げられる。 As described later, the transition metal compound (iv) may have crystal water. Examples of the transition metal compound having crystal water include bis (2,4-pentandionato) nickel (II) dihydrate and hexafluoroacetylacetonatonickel (II) hydrate which are a kind of nickel complex, Further, for example, nickel acetate tetrahydrate, nickel nitrate hexahydrate and nickel chloride hexahydrate which are nickel salts are included.
付加的に用いられる前記のカルボキシル基を含む芳香族化合物は、芳香族環を少なくとも1個有し、且つ芳香族環に直接に、又は結合基を介して間接的に結合したカルボキシル基を少なくとも1個有する化合物である。芳香族環としては、例えばベンゼン環、ナフタレン環、及びアントラセン環などが挙げられる。また、窒素や酸素を少なくとも1個含み、且つ芳香族性を有するヘテロ環も芳香族環の範疇に含まれる。カルボキシル基を含む芳香族化合物の具体例としては、安息香酸、フタル酸、テレフタル酸、サリチル酸、アセチルサリチル酸などが挙げられる。これらの芳香族化合物は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 The aromatic compound containing a carboxyl group used additionally has at least one aromatic ring and has at least one carboxyl group bonded directly to the aromatic ring or indirectly via a bonding group. It is a compound having a number. Examples of the aromatic ring include a benzene ring, a naphthalene ring, and an anthracene ring. In addition, a heterocyclic ring containing at least one nitrogen or oxygen and having aromaticity is also included in the category of the aromatic ring. Specific examples of the aromatic compound containing a carboxyl group include benzoic acid, phthalic acid, terephthalic acid, salicylic acid, acetylsalicylic acid, and the like. These aromatic compounds can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
以上の各成分を用いて調製された分散液を(ロ)の担持工程に付して、触媒担体粉の粒子の表面に白金と遷移金属との白金合金からなる触媒を担持させる。触媒の担持は、分散液を加熱することで達成される。分散液の加熱は、大気圧に開放下にて行うことができ、あるいは密閉下にて行うこともできる。大気圧に開放下にて加熱を行う場合には、揮発成分を環流させながら加熱してもよい。 The dispersion prepared using each of the above components is subjected to the supporting step (b), and a catalyst made of a platinum alloy of platinum and a transition metal is supported on the surface of the catalyst carrier powder particles. Catalyst loading is achieved by heating the dispersion. Heating of the dispersion can be performed under open pressure to atmospheric pressure, or can be performed in a sealed state. When heating is performed at an open pressure to atmospheric pressure, heating may be performed while refluxing volatile components.
担持工程における分散液の加熱に先立ち、分散液中に含まれている各成分を十分に均一分散させておくことが、触媒を担体粒子の表面に均一に担持させ得る点から好ましい。この目的のために、担持工程における分散液の加熱に先立ち、分散液に超音波を印加する分散処理を行うことが好ましい。超音波による分散処理は非加熱下で行うことが好ましく、例えば15℃以上25℃以下で行うことが好ましい。 Prior to heating the dispersion in the supporting step, it is preferable that the components contained in the dispersion are sufficiently uniformly dispersed from the viewpoint that the catalyst can be uniformly supported on the surface of the carrier particles. For this purpose, it is preferable to perform a dispersion treatment in which ultrasonic waves are applied to the dispersion prior to heating the dispersion in the supporting step. The dispersion treatment using ultrasonic waves is preferably performed without heating, for example, preferably at 15 ° C. or more and 25 ° C. or less.
上述した分散液の分散処理後で、且つ担持工程における分散液の加熱前に、分散液を予備撹拌することが好ましい。予備撹拌は、主として担体とその他の原料との均一な混合や前駆体の担体への吸着の目的で行われる。予備撹拌は、例えば分散液中に磁性を有する撹拌子を沈めておき、これを外部に設置された磁性撹拌装置によって回転させることで行うことができる。あるいは分散液中に撹拌翼を配置し、これを回転させることで行うことができる。いずれの場合であっても、予備撹拌は非加熱下で行うことが好ましく、例えば15℃以上25℃以下で行うことが好ましい。 It is preferable to pre-stir the dispersion after the dispersion treatment of the dispersion and before heating the dispersion in the supporting step. The preliminary stirring is performed mainly for the purpose of uniform mixing of the support and other raw materials and adsorption of the precursor onto the support. Pre-stirring can be performed, for example, by submerging a magnetic stirring bar in the dispersion and rotating it with a magnetic stirring device installed outside. Or it can carry out by arrange | positioning a stirring blade in a dispersion liquid and rotating this. In any case, the preliminary stirring is preferably performed without heating, for example, preferably at 15 ° C. or more and 25 ° C. or less.
予備撹拌の時間は、分散液の体積や、粘度等の性状、分散液に含まれる触媒担体粉の濃度等に応じて適切に設定され、一般に30分以上120時間以下とすることが好ましく、4時間以上120時間以下とすることが更に好ましく、12時間以上120時間以下とすることが一層好ましい。 The pre-stirring time is appropriately set according to the volume of the dispersion, the properties such as viscosity, the concentration of the catalyst carrier powder contained in the dispersion, etc., and is generally preferably 30 minutes to 120 hours. More preferably, the time is not less than 120 hours and not more than 120 hours, and more preferably not less than 12 hours and not more than 120 hours.
予備撹拌は各種の雰囲気下で行うことができる。例えば大気下などの含酸素雰囲気下や、アルゴン又は窒素などの不活性ガス雰囲気下で行うことができる。白金化合物及び遷移金属化合物を還元させる還元剤を失活させない観点からは、不活性ガス雰囲気下で分散液を予備撹拌することが好ましい。 Pre-stirring can be performed under various atmospheres. For example, the reaction can be performed in an oxygen-containing atmosphere such as the air or an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen. From the viewpoint of not deactivating the reducing agent that reduces the platinum compound and the transition metal compound, it is preferable to pre-stir the dispersion in an inert gas atmosphere.
予備撹拌の完了後、担持工程に移行し、分散液を加熱する。予備撹拌と同様に、分散液の加熱も各種の雰囲気下で行うことができる。例えば大気下などの含酸素雰囲気下や、アルゴン又は窒素などの不活性ガス雰囲気下で行うことができる。白金化合物及び遷移金属化合物を還元させる還元剤を失活させない観点、並びに担体粒子に担持される触媒の活性を極力低下させないようにする観点からは、不活性ガス雰囲気下で分散液を加熱することが好ましい。操作の簡便化の点からは、予備撹拌の雰囲気と加熱の雰囲気とは同一とすることが好ましい。 After completion of the pre-stirring, the process proceeds to the supporting step and the dispersion is heated. Similar to the pre-stirring, the dispersion can be heated in various atmospheres. For example, the reaction can be performed in an oxygen-containing atmosphere such as the air or an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen. From the viewpoint of not deactivating the reducing agent that reduces the platinum compound and the transition metal compound, and from the viewpoint of minimizing the activity of the catalyst supported on the carrier particles, the dispersion is heated in an inert gas atmosphere. Is preferred. From the viewpoint of simplification of operation, it is preferable that the pre-stirring atmosphere and the heating atmosphere be the same.
担持工程において、分散液の加熱温度は、白金と担体を構成する金属酸化物の当該金属元素とが過度に合金化しない温度以下であれば、分散液に含まれる各成分の種類や配合比率に応じて適切に選択することができ、一般に120℃以上200℃未満とすることが好ましく、120℃以上175℃以下とすることが更に好ましい。この加熱温度を条件として、加熱時間は3時間以上120時間以下であることが好ましく、6時間以上72時間以下であることが更に好ましく、12時間以上48時間以下であることが一層好ましい。 In the supporting step, if the heating temperature of the dispersion is equal to or less than the temperature at which platinum and the metal element of the metal oxide constituting the support are not excessively alloyed, the type and the mixing ratio of each component included in the dispersion are used. Accordingly, it can be appropriately selected, and is generally preferably 120 ° C. or higher and lower than 200 ° C., more preferably 120 ° C. or higher and 175 ° C. or lower. On the condition of this heating temperature, the heating time is preferably 3 hours or longer and 120 hours or shorter, more preferably 6 hours or longer and 72 hours or shorter, and further preferably 12 hours or longer and 48 hours or shorter.
分散液を加熱することで、分散液中に含まれている白金化合物及び遷移金属化合物が熱分解するとともに、ホルムアミド基を有する有機化合物の還元作用によって、白金及び触媒担体を構成する金属酸化物の当該金属元素が過度に合金化することなく、白金及び遷移金属が還元されて両者の合金が生成する。生成した白金合金は担体粒子の表面に付着して、目的とする電極触媒が得られる。 By heating the dispersion, the platinum compound and the transition metal compound contained in the dispersion are thermally decomposed, and the reduction of the organic compound having a formamide group reduces the platinum and the metal oxide constituting the catalyst support. Without excessively alloying the metal element, platinum and the transition metal are reduced to form an alloy of both. The produced platinum alloy adheres to the surface of the carrier particles, and the intended electrode catalyst is obtained.
担持工程においては、触媒である白金と遷移金属との白金合金の担持量が、電極触媒の質量に対して、好ましくは0.1質量%以上50質量%以下、更に好ましくは1質量%以上30質量%以下となるように触媒を担持する。触媒の担持量の調整は、分散液作製工程において金属酸化物の触媒担体粉、白金化合物、遷移金属化合物の濃度を適切に調整するとともに担持工程において、例えば加熱温度と加熱時間をコントロールすることで達成される。 In the supporting step, the supported amount of platinum alloy of platinum as a catalyst and the transition metal is preferably 0.1% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 1% by mass or more and 30% by mass with respect to the mass of the electrode catalyst. The catalyst is supported so as to be not more than mass%. Adjustment of the amount of catalyst supported can be achieved by appropriately adjusting the concentrations of the metal oxide catalyst support powder, platinum compound, and transition metal compound in the dispersion preparation step, and controlling the heating temperature and heating time in the loading step, for example. Achieved.
このようにして得られる電極触媒の触媒性能、特に活性支配電流密度を一層高める観点から、担持工程においては、分散液中に蟻酸化学種が存在する状態下に分散液を加熱することが有利であることが本発明者の検討の結果判明した。蟻酸の存在下に分散液を加熱することで電極触媒の触媒性能が一層高まる理由は現在のところ必ずしも明確ではないが、分散液中に含まれている白金化合物及び遷移金属化合物の還元が蟻酸化学種によって促進され、そのことに起因して白金合金の固溶状態が一層均一になるからではないかと、本発明者は考えている。 From the viewpoint of further improving the catalytic performance of the electrode catalyst obtained in this way, particularly the activity-dominated current density, it is advantageous to heat the dispersion in a state where formic acid species are present in the dispersion. As a result of examination by the present inventors, it has been found. The reason why the electrocatalytic performance of the electrocatalyst is further improved by heating the dispersion in the presence of formic acid is not necessarily clear at present, but the reduction of platinum compounds and transition metal compounds contained in the dispersion is formic acid chemistry. The present inventor thinks that the solid solution state of the platinum alloy becomes more uniform due to the promotion by the seed.
蟻酸化学種としては、例えば蟻酸(HCOOH)、蟻酸塩((HCOO)nX(Xはアニオンを示し、nはXの価数を示す。))、蟻酸イオン(HCOO−)などが挙げられる。これらの蟻酸化学種はそれぞれ単独で用いてもよく、あるいは2種以上を組み合わせて用いてもよい。加熱中の分散液中に存在する蟻酸化学種の総濃度は、分散液の溶媒体積に対して、1×10−5mol/L以上1mol/L以下とすることが好ましく、1×10−4mol/L以上1×10−1mol/L以下とすることが更に好ましく、1×10−3mol/L以上1×10−1mol/L以下とすることが一層好ましい。この濃度範囲で蟻酸化学種が分散液中に存在することで、目的とする電極触媒における活性支配電流密度等の触媒性能が一層向上する。 Examples of the formic acid chemical species include formic acid (HCOOH), formate ((HCOO) n X (X represents an anion, and n represents the valence of X)), formate ion (HCOO − ), and the like. These formic acid chemical species may be used alone or in combination of two or more. The total concentration of formic acid species present in the dispersion during heating, the solvent volume of the dispersion is preferably not more than 1 × 10 -5 mol / L or more 1mol / L, 1 × 10 -4 more preferably to less mol / L or more 1 × 10 -1 mol / L, and more preferably be 1 × 10 -1 mol / L or less 1 × 10 -3 mol / L or more. The presence of the formic acid species in the dispersion within this concentration range further improves the catalyst performance such as the activity-dominated current density in the target electrode catalyst.
加熱中の分散液中に存在する蟻酸化学種の総濃度は、例えば液体クロマトグラフィー等によって測定することができる。 The total concentration of formic acid species present in the dispersion being heated can be measured, for example, by liquid chromatography.
加熱中の分散液中に蟻酸化学種を存在させるには、(a)分散液に所定量の蟻酸化学種を添加する方法が一例として挙げられる。別法として、(b)分散液作製工程において、水又は水含有化合物を混合して、作製後の分散液中に水を存在させる方法が挙げられる。(b)の方法によれば、水又は水含有化合物が分散液中に存在した状態下に分散液を加熱することで、分散液に含まれる溶媒である(i)のホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒と水とが反応して蟻酸化学種(例えば蟻酸)が生成する。 In order to make the formic acid species present in the dispersion during heating, (a) a method of adding a predetermined amount of formic acid species to the dispersion is an example. As another method, in the (b) dispersion preparation step, water or a water-containing compound is mixed and water is present in the prepared dispersion. According to the method of (b), the organic compound which has the formamide group of (i) which is a solvent contained in a dispersion liquid by heating a dispersion liquid in the state in which water or the water-containing compound existed in the dispersion liquid. The formic acid chemical species (for example, formic acid) is generated by the reaction of the solvent with water.
前記の(b)の方法を採用すると、(a)の方法を採用した場合に比べて、担持工程での加熱過程において、分散液中における蟻酸の存在量が徐々に増加していくので、白金と遷移金属との合金化が緩やかに進行し易くなる。このことに起因して、白金原子と遷移金属原子がより均一に合金化するとともに、担体粒子の表面に白金合金の微粒子が均一に分散して担持された触媒を製造することができる場合がある。 When the method (b) is adopted, the amount of formic acid in the dispersion gradually increases during the heating process in the supporting step as compared with the case where the method (a) is adopted. And the transition metal are likely to be gradually alloyed. As a result, it may be possible to produce a catalyst in which platinum atoms and transition metal atoms are alloyed more uniformly and platinum alloy fine particles are uniformly dispersed on the surface of the carrier particles. .
前記の(b)の方法を採用する場合、水含有化合物としては、分散液の作製によって分散液中に水を存在させ得る化合物を用いることができる。そのような化合物としては、例えば分散液に含まれる物質である(iv)の遷移金属化合物として、結晶水を有するものを用いることができ、当該化合物が遷移金属化合物と水含有化合物とを兼ねるため、簡便である。結晶水を有する遷移金属化合物を用いて分散液を作製することで、分散液中に結晶水が溶出して、分散液中に水が存在することになる。この水は、分散液の加熱工程において、溶媒である(i)のホルムアミド基を有する有機化合物と反応する。この反応の結果、分散液中に蟻酸化学種が生成する。 When the method (b) is employed, as the water-containing compound, a compound capable of causing water to be present in the dispersion by preparing the dispersion can be used. As such a compound, for example, a transition metal compound (iv) that is a substance contained in a dispersion can be used having a crystal water, and the compound serves as both a transition metal compound and a water-containing compound. It is simple. By producing a dispersion using a transition metal compound having crystal water, the crystal water is eluted in the dispersion and water is present in the dispersion. This water reacts with the organic compound having a formamide group (i) as a solvent in the heating step of the dispersion. As a result of this reaction, formic acid species are generated in the dispersion.
前記の(b)の方法を採用する場合、水を添加するよりも、結晶水を有する遷移金属化合物を添加する方が、白金と遷移金属との合金化がより一層促進され、白金原子と遷移金属原子が均一に合金化した電極触媒を製造することができる場合がある。この理由は、結晶水を有する遷移金属化合物を添加すると、遷移金属イオンの周りに水が配位し易いことに起因して、担持工程の際に生じる蟻酸も遷移金属イオンの周りに配置し易くなる。それによって、白金より還元し難い元素である遷移金属イオンの周りに、還元剤がより多く存在することになるので、白金と遷移金属との合金化がより一層促進されるからであると本発明者は考えている。 When the method (b) is adopted, the addition of a transition metal compound having crystal water rather than the addition of water further promotes the alloying of platinum with the transition metal, and the transition between the platinum atom and the transition. In some cases, an electrode catalyst in which metal atoms are uniformly alloyed can be produced. The reason for this is that when a transition metal compound having crystal water is added, water is easily coordinated around the transition metal ion, and formic acid generated during the supporting process is also easily arranged around the transition metal ion. Become. As a result, more reducing agent is present around the transition metal ion, which is an element that is harder to reduce than platinum, so that the alloying of platinum and the transition metal is further promoted. Thinks.
前記の(b)の方法を採用する場合、水又は水含有化合物の添加量は、分散液中に存在する水の濃度が、分散液の溶媒体積に対して、1×10−3mol/L以上10mol/L以下となるような量とすることが好ましく、1×10−2mol/L以上5mol/L以下となるような量とすることが更に好ましく、1×10−2mol/L以上5×10−1mol/L以下となるような量とすることが一層好ましい。このような添加量を採用することで、蟻酸化学種を分散液中に所望の濃度で存在させることができる。 When the method (b) is employed, the amount of water or water-containing compound added is such that the concentration of water present in the dispersion is 1 × 10 −3 mol / L with respect to the solvent volume of the dispersion. The amount is preferably 10 mol / L or less, more preferably 1 × 10 −2 mol / L or more and 5 mol / L or less, and further preferably 1 × 10 −2 mol / L or more. The amount is more preferably 5 × 10 −1 mol / L or less. By adopting such an added amount, the formic acid species can be present in the dispersion at a desired concentration.
以上のとおり、本発明の電極触媒の製造方法は、大別して以下の<I>及び<II>の2つの実施形態を有する。
<I>
(i)ホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒と、(ii)金属酸化物の触媒担体粉と、(iii)白金化合物と、(iv)遷移金属化合物と、を混合して分散液を作製する分散液作製工程と、
前記分散液を加熱して、前記触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる担持工程と有する。
担持工程を、前記分散液中に蟻酸化学種が存在する状態下に行う。
<II>
(i)ホルムアミド基を有する有機化合物の溶媒と、(ii)金属酸化物の触媒担体粉と、(iii)白金化合物と、(iv)遷移金属化合物と、(v)水又は水含有化合物と、を混合して分散液を作製する分散液作製工程と、
前記分散液を加熱して、前記触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる担持工程とを有する。
As described above, the method for producing an electrode catalyst of the present invention is roughly divided into the following two embodiments <I> and <II>.
<I>
A dispersion in which a dispersion liquid is prepared by mixing (i) a solvent of an organic compound having a formamide group, (ii) a catalyst support powder of a metal oxide, (iii) a platinum compound, and (iv) a transition metal compound. Liquid preparation process;
A supporting step of heating the dispersion and supporting a platinum alloy of platinum and a transition metal on the surface of the catalyst carrier powder.
The supporting step is performed in a state in which formic acid species are present in the dispersion.
<II>
(I) a solvent of an organic compound having a formamide group, (ii) a catalyst support powder of a metal oxide, (iii) a platinum compound, (iv) a transition metal compound, (v) water or a water-containing compound, A dispersion preparation step of preparing a dispersion by mixing
And a supporting step of supporting the platinum alloy of platinum and a transition metal on the surface of the catalyst carrier powder by heating the dispersion.
前記の<I>又は<II>の方法で電極触媒が得られたら、分散液から、分散質である電極触媒を分離する固液分離工程を行う。この工程によって、触媒担体粉に、白金と遷移金属との白金合金が担持された電極触媒が得られる。固液分離工程には、公知の各種の固液分離手段を特に制限なく用いることができる。例えばフィルターを用いた濾過、遠心分離及びデカンテーションなどが挙げられる。 When the electrode catalyst is obtained by the above method <I> or <II>, a solid-liquid separation step of separating the electrode catalyst which is a dispersoid from the dispersion is performed. Through this step, an electrode catalyst in which a platinum alloy of platinum and a transition metal is supported on the catalyst carrier powder is obtained. In the solid-liquid separation step, various known solid-liquid separation means can be used without particular limitation. Examples thereof include filtration using a filter, centrifugation, and decantation.
このようにして電極触媒が分離されたら、リーチングを行い白金合金微粒子の表面に存在している微量の不純物を除去することが好ましい。この操作を行うことによって、電極触媒の触媒活性が一層向上する。リーチングは、一般に電極触媒を酸処理することで達成される。酸処理によって、白金合金微粒子の表面に存在している微量の不純物が溶出して除去される。リーチングに用いられる酸としては例えば過塩素酸、硝酸、硫酸、塩酸及び過酸化水素などが挙げられる。酸の濃度は、0.01mol/L以上10mol/L以下であることが好ましく、0.1mol/L以上1mol/L以下であることが更に好ましい。 When the electrode catalyst is separated in this manner, it is preferable to perform leaching to remove a trace amount of impurities present on the surface of the platinum alloy fine particles. By performing this operation, the catalytic activity of the electrode catalyst is further improved. The leaching is generally achieved by acid-treating the electrode catalyst. By the acid treatment, a very small amount of impurities present on the surface of the platinum alloy fine particles are eluted and removed. Examples of the acid used for leaching include perchloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, and hydrogen peroxide. The acid concentration is preferably 0.01 mol / L or more and 10 mol / L or less, and more preferably 0.1 mol / L or more and 1 mol / L or less.
リーチングは、分散液を加熱した状態下にて行うことができ、あるいは非加熱下にて行うことができる。加熱下にてリーチングを行う場合には、分散液を好ましくは30℃以上100℃以下に加熱することができる。非加熱下でのリーチングは、例えば15℃以上25℃以下で行うことができる。リーチングの時間は、例えば加熱下の場合には、0.1時間以上100時間以下とすることができる。 The leaching can be performed while the dispersion is heated, or can be performed without heating. When leaching is performed under heating, the dispersion can be heated preferably to 30 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. Leaching without heating can be performed at, for example, 15 ° C. or more and 25 ° C. or less. For example, in the case of heating, the leaching time can be 0.1 hour or more and 100 hours or less.
リーチング後の電極触媒は、これを燃料電池の電極触媒として用いることができる。あるいは、更に後処理として加熱処理に付して触媒性能を一層高めることもできる。加熱処理は、例えば真空下、還元ガス雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で行うことができる。電極触媒を加熱処理に付すことで、白金と遷移金属との白金合金微粒子における表面の合金状態が変化し、白金合金の触媒活性が一層向上する。特に加熱処理を真空下又は還元ガス雰囲気下で行うことで、白金合金の触媒活性が更に一層向上する。 The electrode catalyst after leaching can be used as an electrode catalyst for a fuel cell. Or it can also heat-process as a post-process, and can further improve catalyst performance. The heat treatment can be performed in a vacuum, a reducing gas atmosphere, or an inert gas atmosphere, for example. By subjecting the electrode catalyst to heat treatment, the surface alloy state of platinum alloy fine particles of platinum and transition metal changes, and the catalytic activity of the platinum alloy is further improved. In particular, the catalytic activity of the platinum alloy is further improved by performing the heat treatment in a vacuum or a reducing gas atmosphere.
真空下にて電極触媒を加熱処理する場合、系内の真空の程度は、絶対圧で10Pa以下とすることが好ましく、1×10−3Pa以下とすることが更に好ましい。還元ガス雰囲気下にて電極触媒を加熱処理する場合、還元ガスを系内に流通させた状態で加熱することが好ましい。還元ガスとしては、例えば水素ガス、一酸化炭素ガス及びそれらの混合ガスなどを用いることができる。 When heat-treating the electrode catalyst under vacuum, the degree of vacuum in the system is preferably 10 Pa or less, more preferably 1 × 10 −3 Pa or less in absolute pressure. When heat-treating the electrode catalyst in a reducing gas atmosphere, it is preferable to heat the electrode catalyst in a state where the reducing gas is circulated in the system. As the reducing gas, for example, hydrogen gas, carbon monoxide gas, and a mixed gas thereof can be used.
電極触媒を真空下にて加熱する場合の温度は、60℃以上400℃以下に設定することが好ましく、60℃以上200℃以下に設定することが更に好ましい。電極触媒を還元ガス雰囲気下にて加熱する場合の温度は、25℃以上200℃未満に設定することが好ましく、60℃以上200℃未満に設定することが更に好ましい。いずれの場合も加熱時間は、0.1時間以上20時間以下に設定することが好ましく、0.5時間以上10時間以下に設定することが更に好ましい。 The temperature when heating the electrode catalyst under vacuum is preferably set to 60 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and more preferably set to 60 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. The temperature when heating the electrode catalyst in a reducing gas atmosphere is preferably set to 25 ° C. or higher and lower than 200 ° C., more preferably 60 ° C. or higher and lower than 200 ° C. In any case, the heating time is preferably set to 0.1 hours or more and 20 hours or less, and more preferably 0.5 hours or more and 10 hours or less.
以上のとおりの方法によって、活性支配電流密度等の触媒性能に優れた電極触媒を容易に製造することができる。電極触媒の性状としては、例えば粉末状が挙げられる。このようにして得られた電極触媒は、例えば固体高分子電解質膜の一方の面に配置された酸素極及び他方の面に配置された燃料極を有する膜電極接合体における酸素極又は燃料極の少なくとも一方に含有させて用いることができる。電極触媒は、好適には酸素極及び燃料極の双方に含有させることができる。 By the method as described above, an electrode catalyst excellent in catalyst performance such as activity-dominated current density can be easily produced. Examples of the properties of the electrode catalyst include powder. The electrode catalyst thus obtained is, for example, an oxygen electrode or a fuel electrode in a membrane electrode assembly having an oxygen electrode arranged on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode arranged on the other surface. It can be used in at least one of them. The electrode catalyst can be preferably contained in both the oxygen electrode and the fuel electrode.
特に、酸素極及び燃料極は、本発明の電極触媒を含む触媒層と、ガス拡散層とを含んでいることが好ましい。電極反応を円滑に進行させるために、電極触媒は固体高分子電解質膜に接していることが好ましい。ガス拡散層は、集電機能を有する支持集電体として機能するものである。更に、電極触媒にガスを十分に供給する機能を有するものである。ガス拡散層としては、この種の技術分野において従来用いられてきたものと同様のものを用いることができる。例えば多孔質材料であるカーボンペーパー、カーボンクロスを用いることができる。具体的には、例えば表面をポリ四フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と、当該コーティングがなされていない炭素繊維とを所定の割合とした糸で織成したカーボンクロスにより形成することができる。 In particular, the oxygen electrode and the fuel electrode preferably include a catalyst layer containing the electrode catalyst of the present invention and a gas diffusion layer. In order for the electrode reaction to proceed smoothly, the electrode catalyst is preferably in contact with the solid polymer electrolyte membrane. The gas diffusion layer functions as a supporting current collector having a current collecting function. Furthermore, it has a function of sufficiently supplying gas to the electrode catalyst. As the gas diffusion layer, those similar to those conventionally used in this kind of technical field can be used. For example, carbon paper and carbon cloth which are porous materials can be used. Specifically, it can be formed by, for example, a carbon cloth woven with yarns having a predetermined ratio of carbon fibers whose surfaces are coated with polytetrafluoroethylene and carbon fibers that are not coated.
固体高分子電解質としては、この種の技術分野において従来用いられてきたものと同様のものを用いることができる。例えばパーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン伝導体膜、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導体の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体などが挙げられる。 As the solid polymer electrolyte, those similar to those conventionally used in this kind of technical field can be used. For example, a perfluorosulfonic acid polymer-based proton conductor film, a hydrocarbon polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, or an organic / inorganic hybrid polymer partially substituted with a proton conductor functional group And proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution.
前記膜電極接合体は、その各面にセパレータが配されて固体高分子形燃料電池となされる。セパレータとしては、例えばガス拡散層との対向面に、一方向に延びる複数個の凸部(リブ)が所定間隔をおいて形成されているものを用いることができる。隣り合う凸部間は、断面が矩形の溝部となっている。この溝部は、燃料ガス及び空気等の酸化剤ガスの供給排出用流路として用いられる。燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段からそれぞれ供給される。膜電極接合体の各面に配されるそれぞれのセパレータは、それに形成されている溝部が互いに直交するように配置されることが好ましい。以上の構成が燃料電池の最小単位を構成しており、この構成を数十個〜数百個並設してなるセルスタックから燃料電池を構成することができる。 The membrane electrode assembly is provided with a separator on each surface to form a polymer electrolyte fuel cell. As the separator, for example, a separator in which a plurality of protrusions (ribs) extending in one direction are formed at a predetermined interval on the surface facing the gas diffusion layer can be used. Between adjacent convex parts, it is a groove part with a rectangular cross section. The groove is used as a supply / discharge flow path for an oxidant gas such as fuel gas and air. The fuel gas and the oxidant gas are supplied from the fuel gas supply unit and the oxidant gas supply unit, respectively. Each separator disposed on each surface of the membrane electrode assembly is preferably disposed so that the grooves formed therein are orthogonal to each other. The above configuration constitutes the minimum unit of the fuel cell, and a fuel cell can be configured from a cell stack in which several tens to several hundreds of this configuration are arranged in parallel.
以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば前記実施形態においては、本発明の方法で製造された電極触媒を、固体高分子電解質形燃料電池の電極触媒として用いた例を中心に説明したが、本発明の方法で製造された電極触媒を、固体高分子電解質形燃料電池以外の燃料電池、例えばアルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池、直接メタノール形燃料電池などの各種燃料電池における電極触媒として用いることができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the preferable embodiment, this invention is not restrict | limited to the said embodiment. For example, in the above-described embodiment, the example in which the electrode catalyst manufactured by the method of the present invention is used as an electrode catalyst of a solid polymer electrolyte fuel cell has been mainly described. However, the electrode catalyst manufactured by the method of the present invention Can be used as an electrode catalyst in various fuel cells such as fuel cells other than solid polymer electrolyte fuel cells, such as alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, and direct methanol fuel cells.
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「%」は「質量%」を意味する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples. Unless otherwise specified, “%” means “mass%”.
〔実施例1〕
(1)担体の製造工程
WO2016/098399に記載の実施例1に基づいて一次粒子径が20nmであるタングステン・フッ素含有酸化スズ粒子を得た。
[Example 1]
(1) Production process of carrier Based on Example 1 described in WO2016 / 098399, tungsten / fluorine-containing tin oxide particles having a primary particle diameter of 20 nm were obtained.
(2)分散液作製工程
容量500mLのメスフラスコに337mLのN,N−ジメチルホルムアミド(略記:DMF、049−32363、和光純薬工業社製)、1.22×10−2mol/L−DMFのビス(アセチルアセトナト)白金(II)(Pt(acac)2、028−16853、和光純薬工業社製)、9.37×10−3mol/L−DMFのビス(2,4−ペンタンジオナト)ニッケル(II)・2水和物(Ni(acac)2・2H2O、343−01981、同仁化学研究所社製)、2.99×10−1mol/L−DMFの安息香酸(204−00985、和光純薬工業社製)を加えるとともに、(1)で得られた担体を16g/L−DMFの濃度で加えた。その後、各成分が混合されてなる液を、室温(25℃)で30分間超音波分散器を用いて分散させて分散液となした。この分散液が入ったメスフラスコをアルゴンガスでパージしながら、長径約2cm、短径約1cmのフットボール型の撹拌子を用いて室温、400rpmで20時間の予備撹拌を行った。なお、「mol/L−DMF」又は「g/L−DMF」を単位とする上記の各値は、分散液の溶媒であるDMFに対する割合を意味する。
(2) Dispersion Preparation process capacity 500mL volumetric flask to 337mL of N, N- dimethylformamide (abbreviated: DMF, 049-32363, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 1.22 × 10 -2 mol / L -DMF Bis (acetylacetonato) platinum (II) (Pt (acac) 2 , 028-16853, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 9.37 × 10 −3 mol / L- DMF bis (2,4-pentane) Dionato) nickel (II) dihydrate (Ni (acac) 2 .2H 2 O, 343-01981, manufactured by Dojindo Laboratories) 2.99 × 10 −1 mol / L- DMF benzoic acid (204-00985, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and the carrier obtained in (1) was added at a concentration of 16 g / L- DMF . Thereafter, the liquid obtained by mixing each component was dispersed at room temperature (25 ° C.) for 30 minutes using an ultrasonic disperser to obtain a dispersion. While purging the volumetric flask containing this dispersion with argon gas, preliminary stirring was performed at room temperature and 400 rpm for 20 hours using a football-type stirrer having a major axis of about 2 cm and a minor axis of about 1 cm. In addition, said each value which makes a unit "mol / L- DMF " or "g / L- DMF " means the ratio with respect to DMF which is a solvent of a dispersion liquid.
(3)担持工程
前記予備撹拌を行った分散液が入ったメスフラスコをアルゴンガスでパージした状態を保った状態で、オイル温度を160℃に制御したオイルバス中に沈ませて、分散液の昇温を開始した。このとき、メスフラスコ中の溶媒が沸騰するまでに要した時間は約7分であった。沸騰後、オイルバス中のオイル温度を160℃に制御したまま、12時間加熱還流した。その後オイルバスを外して室温まで冷却した後、濾過を行った。次いで、アセトンとエタノールの混合溶媒(体積比で1:1の混合溶媒)で5回、水とエタノールの混合溶媒(体積比で1:1の混合溶媒)で1回洗浄を行った後乾燥した。得られた乾燥粉を400mLの0.5mol/L過塩素酸に分散させ、60℃で2時間加熱撹拌した後、濾過・洗浄・乾燥し白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。分散液中における蟻酸の割合は0.1%であった。
(3) Supporting step With the pre-stirred dispersion flask containing the dispersion liquid kept purged with argon gas, submerged in an oil bath whose oil temperature was controlled at 160 ° C. Heating started. At this time, it took about 7 minutes for the solvent in the volumetric flask to boil. After boiling, the mixture was heated to reflux for 12 hours while the oil temperature in the oil bath was controlled at 160 ° C. Thereafter, the oil bath was removed and the mixture was cooled to room temperature, followed by filtration. Next, the mixture was washed 5 times with a mixed solvent of acetone and ethanol (mixed solvent of 1: 1 by volume ratio) and once with a mixed solvent of water and ethanol (mixed solvent of 1: 1 by volume ratio) and then dried. . The obtained dried powder was dispersed in 400 mL of 0.5 mol / L perchloric acid, heated and stirred at 60 ° C. for 2 hours, filtered, washed and dried to obtain a platinum-nickel alloy-supported electrode catalyst. The proportion of formic acid in the dispersion was 0.1%.
〔実施例2〕
実施例1の分散液作製工程を下記方法に変更した以外は、実施例1と同様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。本実施例では、ビス(2,4−ペンタンジオナト)ニッケル(II)・2水和物の代わりに、ビス(2,4−ペンタンジオナト)ニッケル(II)と純水を用いている。
[Example 2]
A platinum-nickel alloy-supported electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1, except that the dispersion preparation step in Example 1 was changed to the following method. In this example, bis (2,4-pentanedionato) nickel (II) and pure water are used instead of bis (2,4-pentandionato) nickel (II) .dihydrate.
(2)分散液作製工程
容量500mLのメスフラスコに337mLのN,N−ジメチルホルムアミド(略記:DMF、049−32363、和光純薬工業社製)に、0.8×10−2mol/L−DMFの純水を加えた後、1.22×10−2mol/L−DMFのビス(アセチルアセトナト)白金(II)(Pt(acac)2、028−16853、和光純薬工業社製)、9.37×10−3mol/L−DMFのビス(2,4−ペンタンジオナト)ニッケル(II)(Ni(acac)2、283657−25G、シグマアルドリッチ社製)、2.99×10−1mol/L−DMFの安息香酸(204−00985、和光純薬工業社製)を加えるとともに、(1)で得られた担体を16g/L−DMFの濃度で加えた。その後、各成分が混合されてなる液を、室温(25℃)で30分間超音波分散器を用いて分散させて分散液となした。この分散液が入ったメスフラスコをアルゴンガスでパージしながら、長径約2cm、短径約1cmのフットボール型の撹拌子を用いて室温、400rpmで20時間の予備撹拌を行った。
(2) Dispersion Preparation Step To a 500 mL volumetric flask, add 337 mL of N, N-dimethylformamide (abbreviation: DMF, 049-32363, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to 0.8 × 10 −2 mol / L −. After adding pure water of DMF , bis (acetylacetonato) platinum (II) of 1.22 × 10 −2 mol / L- DMF (Pt (acac) 2 , 026-16853, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 9.37 × 10 −3 mol / L- DMF bis (2,4-pentanedionato) nickel (II) (Ni (acac) 2 283657-25G, manufactured by Sigma-Aldrich), 2.99 × 10 -1 mol / L- DMF of benzoic acid (204-00985, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and the carrier obtained in (1) was added at a concentration of 16 g / L- DMF . Thereafter, the liquid obtained by mixing each component was dispersed at room temperature (25 ° C.) for 30 minutes using an ultrasonic disperser to obtain a dispersion. While purging the volumetric flask containing this dispersion with argon gas, preliminary stirring was performed at room temperature and 400 rpm for 20 hours using a football-type stirrer having a major axis of about 2 cm and a minor axis of about 1 cm.
〔実施例3〕
実施例2の分散液作製工程において、0.8×10−2mol/L−DMFの純水の代わりに1.9×10−2mol/L−DMFの純水を用いたこと以外は実施例2と同様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
Example 3
The same procedure as in Example 2 was performed, except that 1.9 × 10 −2 mol / L- DMF pure water was used instead of 0.8 × 10 −2 mol / L- DMF pure water. In the same manner as in Example 2, a platinum-nickel alloy-supported electrode catalyst was obtained.
〔実施例4〕
実施例2の分散液作製工程において、0.8×10−2mol/L−DMFの純水の代わりに2.5×10−2mol/L−DMFの純水を用いたこと以外は実施例2と同様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
Example 4
In the dispersion preparation process of Example 2, it was carried out except that pure water of 2.5 × 10 −2 mol / L- DMF was used instead of pure water of 0.8 × 10 −2 mol / L— DMF. In the same manner as in Example 2, a platinum-nickel alloy-supported electrode catalyst was obtained.
〔実施例5〕
実施例2の分散液作製工程において、0.8×10−2mol/L−DMFの純水の代わりに3.3×10−2mol/L−DMFの純水を用いたこと以外は実施例2と同様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
Example 5
In the dispersion preparation process of Example 2, it was carried out except that pure water of 3.3 × 10 −2 mol / L- DMF was used instead of pure water of 0.8 × 10 −2 mol / L— DMF. In the same manner as in Example 2, a platinum-nickel alloy-supported electrode catalyst was obtained.
〔実施例6〕
実施例2の分散液作製工程において、0.8×10−2mol/L−DMFの純水の代わりに0.6×10−2mol/L−DMFの蟻酸(063−05895、和光純薬工業社製)を用いたこと以外は実施例2と同様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
Example 6
In the dispersion preparation process of Example 2, 0.6 × 10 −2 mol / L- DMF formic acid (063-05895, Wako Pure Chemical Industries) was used instead of 0.8 × 10 −2 mol / L- DMF pure water. A platinum-nickel alloy-supported electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 2 except that Kogyo Co., Ltd. was used.
〔実施例7〕
実施例2の分散液作製工程において、0.8×10−2mol/L−DMFの純水の代わりに1.2×10−2mol/L−DMFの蟻酸(063−05895、和光純薬工業社製)を用いたこと以外は実施例2と同様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
Example 7
In the dispersion preparation step of Example 2, 1.2 × 10 −2 mol / L- DMF formic acid (063-05895, Wako Pure Chemical Industries) was used instead of 0.8 × 10 −2 mol / L- DMF pure water. A platinum-nickel alloy-supported electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 2 except that Kogyo Co., Ltd. was used.
〔比較例1〕
本比較例は、特許文献1の記載に準じ、コロイド法によって白金ニッケル合金触媒を担持させた例である。
5mlのH2PtCl6溶液(Pt1gに相当)と蒸留水295mLとを混合させ、15.3gのNaHSO3によって白金を還元させた後、1400mLの蒸留水で希釈した。次いでNaOH5%水溶液を加えてpHを約5に調整しながら35%過酸化水素(120mL)を滴下し白金のコロイドを含む液を得た。このとき、NaOH5%水溶液を適宜加えて液のpHを約5に維持した。この手順で調製して得られたコロイドを含む液は1g分の白金を含んでいる。この液に硝酸ニッケル・6水和物(Ni(NO3)2・6H2O)を添加した。添加量はPtとNiのモル比であるPt/Niが1となるよう1.49gとした。その後、実施例1の(1)の工程で得られた担体を8.7g添加し、90℃で3時間混合した。混合後、液を冷却し、更に固液分離した。固液分離により得られた含水した粉体中から塩化物イオンを除去するために、1500mLの蒸留水で再び希釈し90℃で1時間煮沸を行い、液を冷却し固液分離した。この洗浄作業を4回実施した。最後に、固液分離後、大気下にて60℃で12時間にわたり乾燥させた。これによって、担体の表面に不定比の酸化物を含む白金及び不定比の酸化物を含むニッケルを担持させた。この担体を、窒素で希釈した4体積%水素雰囲気下にて200℃で2時間にわたり熱処理した。
[Comparative Example 1]
This comparative example is an example in which a platinum-nickel alloy catalyst is supported by a colloid method according to the description in Patent Document 1.
5 ml of H 2 PtCl 6 solution (corresponding to 1 g of Pt) and 295 mL of distilled water were mixed, platinum was reduced with 15.3 g of NaHSO 3 , and then diluted with 1400 mL of distilled water. Next, a 5% aqueous solution of NaOH was added to adjust the pH to about 5, and 35% hydrogen peroxide (120 mL) was added dropwise to obtain a liquid containing platinum colloid. At this time, NaOH 5% aqueous solution was appropriately added to maintain the pH of the solution at about 5. The liquid containing the colloid obtained by this procedure contains 1 g of platinum. Nickel nitrate hexahydrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O) was added to this liquid. The amount added was 1.49 g so that Pt / Ni, which is the molar ratio of Pt to Ni, was 1. Thereafter, 8.7 g of the carrier obtained in the step (1) of Example 1 was added and mixed at 90 ° C. for 3 hours. After mixing, the liquid was cooled and further solid-liquid separated. In order to remove chloride ions from the water-containing powder obtained by solid-liquid separation, it was diluted again with 1500 mL of distilled water and boiled at 90 ° C. for 1 hour, and the liquid was cooled and solid-liquid separated. This washing operation was performed four times. Finally, after solid-liquid separation, it was dried at 60 ° C. for 12 hours in the atmosphere. As a result, platinum containing non-stoichiometric oxide and nickel containing non-stoichiometric oxide were supported on the surface of the support. The support was heat-treated at 200 ° C. for 2 hours under a 4% by volume hydrogen atmosphere diluted with nitrogen.
〔比較例2〕
実施例1の分散液作製工程において9.37×10−3mol/L−DMFのビス(2,4−ペンタンジオナト)ニッケル(II)・2水和物の代わりに9.37×10−3mol/L−DMFのビス(2,4−ペンタンジオナト)ニッケル(II)(Ni(acac)2、283657−25G、シグマアルドリッチ社製)を用いたこと以外は実施例1と同様にして白金ニッケル合金担持電極触媒を得た。
[Comparative Example 2]
Instead of 9.37 × 10 −3 mol / L- DMF bis (2,4-pentanedionato) nickel (II) · dihydrate in the dispersion preparation step of Example 1, 9.37 × 10 − Except that 3 mol / L- DMF of bis (2,4-pentanedionato) nickel (II) (Ni (acac) 2 , 283657-25G, manufactured by Sigma-Aldrich) was used, the same procedure as in Example 1 was performed. A platinum-nickel alloy-supported electrode catalyst was obtained.
〔評価〕
各実施例、並びに比較例1及び比較例2で得られた電極触媒について、ICP質量分析装置(ICP−MS)によって測定されたPt担持率(質量%)、Ni担持率(質量%)、PtとNiのモル比[Pt/Ni]、粉末X線回折測定(XRD)により得られた回折パターンにおける白金合金の(200)面のピークの回折角2θ(°)、回転ディスク電極(RDE)を用いたサイクリックボルタンメトリー(CV:Cyclic Voltammetry)及び対流ボルタンメトリー(LSV:Linear Sweep Voltammetry)により求めた0.64V(VS.Ag/AgCl)における活性支配電流密度jk(mA/cm2 −Pt)の値を、以下の表1に示す。具体的には、以下の「電極作製」、「CV測定」及び「ORR活性評価」の順で操作を行った。なお、Pt担持率及びNi担持率はそれぞれPt質量/(Pt質量+Ni質量+担体質量)×100、Ni質量/(Pt質量+Ni質量+担体質量)×100で定義される値である。
XRDはリガク社製 RINT−TTR IIIを用い、X線源としてCu Kα(0.15406nm、50kV、300mA)を用いて測定した。
[Evaluation]
About the electrode catalyst obtained by each Example and the comparative example 1 and the comparative example 2, Pt loading rate (mass%) measured by ICP mass spectrometer (ICP-MS), Ni loading rate (mass%), Pt And Ni molar ratio [Pt / Ni], diffraction angle 2θ (°) of peak of (200) plane of platinum alloy in diffraction pattern obtained by powder X-ray diffraction measurement (XRD), rotating disk electrode (RDE) cyclic voltammetry was used (CV: cyclic voltammetry) and convection voltammetry (LSV: Linear Sweep voltammetry) activity dominates current density at 0.64V (VS.Ag/AgCl) determined by j k of (mA / cm 2 -Pt) Values are shown in Table 1 below. Specifically, operations were performed in the following order of “electrode preparation”, “CV measurement”, and “ORR activity evaluation”. The Pt loading rate and the Ni loading rate are values defined by Pt mass / (Pt mass + Ni mass + carrier mass) × 100 and Ni mass / (Pt mass + Ni mass + carrier mass) × 100, respectively.
XRD was measured by using RINT-TTR III manufactured by Rigaku Corporation and using Cu Kα (0.15406 nm, 50 kV, 300 mA) as an X-ray source.
電極作製
直径5mmのグラッシーカーボン(GC)ディスク電極を0.05μmのアルミナペーストを用いて研磨し、その後純水を用いて超音波洗浄を行った。白金ニッケル合金を担持した試料を90vol.%エタノール水溶液に加え、超音波ホモジナイザーにて分散させた。これをGCディスク上へ、当該ディスクの面積当たりPt金属量が12μg−Pt/cm2 −GCとなる密度で塗布し、常温で乾燥させた。乾燥後、GCディスク上の触媒に5%Nafion(登録商標)溶液(274704−100ML、シグマアルドリッチ社製)を膜厚が50nmになるように滴下し、常温で乾燥させた。
Electrode preparation A glassy carbon (GC) disk electrode having a diameter of 5 mm was polished with 0.05 μm alumina paste, and then ultrasonically cleaned with pure water. A sample carrying platinum-nickel alloy was 90 vol. In addition to an aqueous ethanol solution, the mixture was dispersed with an ultrasonic homogenizer. This was applied onto a GC disk at a density such that the amount of Pt metal per area of the disk was 12 μg- Pt / cm 2 -GC, and dried at room temperature. After drying, a 5% Nafion (registered trademark) solution (274704-100ML, manufactured by Sigma-Aldrich) was added dropwise to the catalyst on the GC disk so as to have a film thickness of 50 nm and dried at room temperature.
CV測定
測定は北斗電工(株)製の電気化学測定システムHZ−7000を用いて実施した。0.1mol/LのHClO4水溶液にN2を1時間以上パージした後、参照極に銀−塩化銀電極(Ag/AgCl)を用い、電位範囲−0.25〜0.742V(VS.Ag/AgCl)、掃引速度0.5V/sで300回クリーニングを実施した。その後、CV測定を電位範囲−0.25〜0.74Vで実施し本測定とした。電気化学的活性表面積(ECSA:Electrochemical Surface Area)の解析は0.4V以下に見られる水素の吸着波を用いて実施した。
CV measurement The measurement was carried out using an electrochemical measurement system HZ-7000 manufactured by Hokuto Denko Corporation. After purging N 2 into a 0.1 mol / L HClO 4 aqueous solution for 1 hour or longer, a silver-silver chloride electrode (Ag / AgCl) was used as a reference electrode, and a potential range of −0.25 to 0.742 V (VS. Ag). / AgCl) and cleaning was performed 300 times at a sweep rate of 0.5 V / s. Thereafter, CV measurement was performed in a potential range of −0.25 to 0.74 V, and this measurement was performed. Electrochemical active surface area (ECSA) analysis was performed using an adsorption wave of hydrogen found at 0.4 V or less.
ORR活性評価
CV測定で用いた前記電解液(HClO4水溶液)に酸素ガスを1時間以上パージした後、LSVを行った。温度25℃、電位範囲−0.20〜1.00V(VS.Ag/AgCl)、掃引速度10mV/sで回転数は400rpmから2500rpmまで、計6条件のデータを取得した。得られた結果をKoutecky−Levichプロットを用いて解析し、0.64V(VS.Ag/AgCl)における活性支配電流密度jk(mA/cm2)の値を得た。
ORR activity evaluation After the oxygen solution was purged for 1 hour or more in the electrolyte solution (HClO 4 aqueous solution) used in the CV measurement, LSV was performed. Data for a total of six conditions were acquired at a temperature of 25 ° C., a potential range of −0.20 to 1.00 V (VS. Ag / AgCl), a sweep speed of 10 mV / s, and a rotational speed from 400 rpm to 2500 rpm. The obtained result was analyzed using the Koutecky-Levic plot, and the value of the active dominant current density j k (mA / cm 2 ) at 0.64 V (VS. Ag / AgCl) was obtained.
表1に示す結果から明らかなとおり、本発明の製造方法を用いた各実施例の方が、特許文献1の製造方法を用いた比較例1及び遷移金属化合物として結晶水を有さないNi化合物を用いた比較例2に比べて、活性支配電流密度jkが高くなることが判る。
また、XRDにより得られた各実施例の回折角2θ(°)は比較例2に対してより高角側へシフトすることが判った。通常、面心立方格子構造を有するPtにNiが固溶した場合に2θは高角側へシフトすることが知られている。これらのことから、各実施例で生成した白金ニッケル合金は、比較例2のそれに比べてよりPt中へのNiの固溶が促進されたと解釈できる。
As is apparent from the results shown in Table 1, each of the examples using the production method of the present invention is a comparative example 1 using the production method of Patent Document 1 and a Ni compound having no crystallization water as a transition metal compound. It can be seen that the active dominant current density j k is higher than that of Comparative Example 2 using
In addition, it was found that the diffraction angle 2θ (°) of each example obtained by XRD shifts to a higher angle side with respect to Comparative Example 2. Usually, it is known that 2θ shifts to the high angle side when Ni is dissolved in Pt having a face-centered cubic lattice structure. From these facts, it can be interpreted that the platinum nickel alloy produced in each example promoted the solid solution of Ni in Pt more than that of Comparative Example 2.
一方、各実施例の活性支配電流密度jkは比較例1よりも高いものの、その回折角2θ(°)は比較例1よりも必ずしも高角側にシフトしていない。この理由は、比較例1では還元雰囲気下で200℃の熱処理を行うため、Pt中へNiが固溶しやすく、回折角2θ(°)が高角側にシフトしやすいものの、この熱処理により、白金がニッケルのみならず酸化スズ中のスズと合金化してしまうために、比較例1の活性支配電流密度jkが、回折角2θ(°)の値の割には低くなるためであると本発明者は考えている。 On the other hand, although the active dominant current density j k of each example is higher than that of Comparative Example 1, the diffraction angle 2θ (°) is not necessarily shifted to the higher angle side than Comparative Example 1. The reason for this is that in Comparative Example 1, heat treatment is performed at 200 ° C. in a reducing atmosphere, so that Ni easily dissolves in Pt and the diffraction angle 2θ (°) tends to shift to the high angle side. In this case, the active dominant current density j k of Comparative Example 1 is lower than the value of the diffraction angle 2θ (°). Thinks.
また、各実施例で行った予備撹拌は、担体とその他原料との均一な混合や前駆体の担体への吸着等という形で寄与し、急速昇温が核生成の促進等という形で寄与するため、ECSAの増大に有利に働くと本発明者は推察している。 In addition, the preliminary stirring performed in each example contributes in the form of uniform mixing of the support and other raw materials, adsorption of the precursor to the support, etc., and rapid temperature increase contributes in the form of promotion of nucleation, etc. For this reason, the present inventor presumes that it works favorably in increasing ECSA.
Claims (7)
前記分散液を加熱して、前記触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる工程であって、当該工程を前記分散液中に蟻酸化学種が存在する状態下に行う担持工程と、
を有する電極触媒の製造方法。 A dispersion in which a dispersion liquid is prepared by mixing (i) a solvent of an organic compound having a formamide group, (ii) a catalyst support powder of a metal oxide, (iii) a platinum compound, and (iv) a transition metal compound. Liquid preparation process;
A step of heating the dispersion and supporting a platinum alloy of platinum and a transition metal on the surface of the catalyst support powder, wherein the step is performed in the presence of formic acid chemical species in the dispersion. Process,
The manufacturing method of the electrode catalyst which has this.
前記担持工程において、前記分散液中に存在する前記水と前記有機化合物とを反応させて蟻酸化学種を生成させる請求項1に記載の電極触媒の製造方法。 In the dispersion preparation step, water or a water-containing compound is mixed, and water is present in the dispersion,
The method for producing an electrocatalyst according to claim 1, wherein in the supporting step, the formic acid chemical species is generated by reacting the water and the organic compound present in the dispersion.
前記分散液を加熱して、前記触媒担体粉の表面に白金と遷移金属との白金合金を担持させる担持工程と、
を有する電極触媒の製造方法。 (I) a solvent of an organic compound having a formamide group, (ii) a catalyst support powder of a metal oxide, (iii) a platinum compound, (iv) a transition metal compound, (v) water or a water-containing compound, A dispersion preparation step of preparing a dispersion by mixing
A supporting step of heating the dispersion and supporting a platinum alloy of platinum and a transition metal on the surface of the catalyst carrier powder;
The manufacturing method of the electrode catalyst which has this.
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