JP2019171331A - Noble metal catalyst production method and noble metal catalyst - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の触媒としての高い活性を有するとともに、触媒性能の耐久性にも優れた触媒を提供する。
【解決手段】水溶性貴金属化合物、水、塩基成分、水と任意に混和する有機溶媒、及び、導電性酸化物を混合する工程と、該混合液を加熱する工程と、該加熱工程の後、還元雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で焼成する工程とを含む貴金属触媒の製造方法。
【選択図】なしProvided is a catalyst having high activity as a catalyst for a fuel cell and having excellent durability in catalytic performance.
A step of mixing a water-soluble noble metal compound, water, a base component, an organic solvent arbitrarily mixed with water, and a conductive oxide, a step of heating the mixed solution, and after the heating step, A method for producing a noble metal catalyst, comprising a step of firing in a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere.
[Selection figure] None
Description
本発明は、貴金属触媒の製造方法及び貴金属触媒に関する。より詳しくは、燃料電池の電極材料として好適な貴金属触媒の製造方法及び貴金属触媒に関する。 The present invention relates to a method for producing a noble metal catalyst and a noble metal catalyst. More specifically, the present invention relates to a method for producing a noble metal catalyst suitable as an electrode material for a fuel cell and a noble metal catalyst.
燃料電池は、水素やアルコール等の燃料を酸素と電気化学的に反応させて電力を発生させる装置であり、電解質や作動温度等によって、固体高分子形(PEFC)、リン酸形(PAFC)、溶融炭酸塩形(MCFC)、固体酸化物形(SOFC)等に分けられる。このうち、例えば固体高分子形燃料電池は、電解質としてイオン伝導性を有する高分子膜(イオン交換膜)を用いる燃料電池であるが、定置型電源や燃料電池車用途で使用されており、長期にわたって所望の発電性能を維持することが求められている。 A fuel cell is a device that generates electric power by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen or alcohol with oxygen, and depending on the electrolyte, operating temperature, etc., polymer electrolyte (PEFC), phosphoric acid (PAFC), It is divided into molten carbonate form (MCFC) and solid oxide form (SOFC). Among these, for example, a polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses an ion conductive polymer membrane (ion exchange membrane) as an electrolyte, but is used for stationary power sources and fuel cell vehicle applications, There is a need to maintain desired power generation performance over a long period of time.
このような燃料電池では、導電性(電気電導性とも称す)が高いカーボンを担体とし、これに微細な白金が担持された材料が高い電気化学特性を有するため、電極材料として一般に使用されている。
また、カーボン担体に白金等の触媒金属が担持された触媒材料については、触媒機能を向上させる方法も検討されており、クエン酸や水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を用いることで、カーボンに担持させるPt径をコントロールする技術が開示されている(例えば、特許文献1、2等参照)。
In such fuel cells, carbon having a high conductivity (also referred to as electric conductivity) is used as a carrier, and a material in which fine platinum is supported thereon has high electrochemical characteristics, so that it is generally used as an electrode material. .
In addition, for catalyst materials in which a catalytic metal such as platinum is supported on a carbon support, methods for improving the catalytic function are also being studied. By using a reducing agent such as citric acid or sodium borohydride, the carbon is supported on carbon. Techniques for controlling the Pt diameter to be made are disclosed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
上述のとおり電極材料としては、カーボン担体に白金を担持した材料(以後「Pt/C」とも称す)が一般に使用されている。電極材料は、一般的に高電位で使用するほうが電極の積層数が少なくなり有利である一方、高電位で使用した場合等にカーボン担体の酸化反応(C+2H2O→CO2+4H++4e−)が進行することがある。例えば電極の電位が0.9Vを超える場合は、白金を担持したカーボン担体の酸化反応が進行しやすく、この場合、担持した白金の凝集や欠落が生じ、有効電極面積が低下するため、電池性能が著しく低下することになる。また、アノードが水素欠乏状態となり高電位で使用した場合には、Pt/Cにおけるカーボンの酸化反応のみならず、白金も溶出することが知られている。溶出した白金は、PEFC中へ拡散し電解質膜中など、本来の触媒機能を果たすことが出来ない場所で析出することも多く、発電性能が低下する要因となる。特に白金を微細に担持すると、数回高電位に曝されただけで全ての白金が溶出することとなり、耐久性の観点で大きな問題となる。 As described above, as the electrode material, a material in which platinum is supported on a carbon support (hereinafter also referred to as “Pt / C”) is generally used. In general, the electrode material is advantageous when used at a high potential because the number of stacked electrodes is reduced. On the other hand, when the electrode material is used at a high potential, the oxidation reaction of the carbon support (C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − ). May progress. For example, when the electrode potential exceeds 0.9 V, the oxidation reaction of the carbon support carrying platinum is likely to proceed. In this case, the supported platinum is aggregated or missing, and the effective electrode area is reduced. Will be significantly reduced. In addition, when the anode is deficient in hydrogen and used at a high potential, it is known that not only carbon oxidation reaction at Pt / C but also platinum is eluted. The eluted platinum often diffuses into the PEFC and precipitates in places such as the electrolyte membrane where it cannot perform its original catalytic function, which causes a decrease in power generation performance. In particular, when platinum is finely supported, all platinum is eluted only after being exposed to a high potential several times, which is a serious problem in terms of durability.
燃料電池が使用される用途の中でも自動車用途では、起動停止等に起因する大きな負荷変動が生じ、それに伴って電極材料に高電位がかかりやすい。このため自動車用途に使用される電極材料には、そのような負荷変動が生じる環境下での使用でも上記のような不具合の発生の少ない材料が求められるが、現状では電極が十分な負荷変動耐性を有しているとはいえず、電極の電位が0.9Vを下回るように制御装置を別途設置することで対応しているのが実情である。このように、燃料電池に使用されている触媒は耐久性の点で十分なものではなく、更なる耐久性の向上が求められる。 Among applications in which fuel cells are used, in automobile applications, large load fluctuations caused by starting and stopping occur, and accordingly, a high potential is easily applied to the electrode material. For this reason, electrode materials used in automotive applications are required to have materials that are less likely to cause the above problems even when used in environments where such load fluctuations occur. In reality, this is dealt with by separately installing a control device so that the potential of the electrode falls below 0.9V. Thus, the catalyst used in the fuel cell is not sufficient in terms of durability, and further improvement in durability is required.
本発明は、上記現状に鑑み、燃料電池の触媒としての高い活性を有するとともに、触媒性能の耐久性にも優れた触媒を提供することを目的とする。 In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a catalyst having high activity as a catalyst for a fuel cell and having excellent durability in catalyst performance.
本発明者らは、燃料電池の触媒としての高い活性を有し、かつ触媒性能の耐久性にも優れた触媒について検討し、カーボンに代わる電極材料の担体として導電性酸化物に着目した。そして、貴金属の無機塩及び/又は有機酸塩、水、塩基成分、水と任意に混和する有機溶媒、及び、導電性酸化物を混合し、得られた混合液を加熱した後、更に還元雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で焼成することにより触媒を製造すると、触媒活性が高く、燃料電池の触媒として使用された場合に高い電気化学特性を発揮するとともに、高電位がかかる環境での触媒性能の耐久性にも優れた貴金属触媒が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors examined a catalyst having high activity as a catalyst for a fuel cell and having excellent durability in catalytic performance, and focused on a conductive oxide as a support for an electrode material instead of carbon. And after mixing the inorganic salt and / or organic acid salt of noble metal, water, a base component, the organic solvent arbitrarily mixed with water, and a conductive oxide, and heating the obtained liquid mixture, it is further reduced atmosphere. Alternatively, when a catalyst is produced by calcination in an inert gas atmosphere, the catalyst activity is high, and when used as a catalyst for a fuel cell, it exhibits high electrochemical characteristics and the catalyst performance in an environment where a high potential is applied. The inventors have found that a noble metal catalyst having excellent durability can be obtained, and have completed the present invention.
すなわち本発明は、水溶性貴金属化合物、水、塩基成分、水と任意に混和する有機溶媒、及び、導電性酸化物を混合して混合液を得る工程と、該混合液を加熱する工程と、該加熱工程の後、還元雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で焼成する工程とを含むことを特徴とする貴金属触媒の製造方法である。 That is, the present invention comprises a step of mixing a water-soluble noble metal compound, water, a base component, an organic solvent arbitrarily mixed with water, and a conductive oxide to obtain a mixed solution, a step of heating the mixed solution, And a step of firing in a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere after the heating step.
上記混合工程は、水溶性貴金属化合物に水と塩基成分とを混合して貴金属水酸化物を含有する水溶液を得る工程と、水と任意に混和する有機溶媒と導電性酸化物とを混合して導電性酸化物分散液を得る工程と、該貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合して混合液を得る工程とを含むことが好ましい。 The mixing step includes mixing a water-soluble noble metal compound with water and a base component to obtain an aqueous solution containing a noble metal hydroxide, mixing an organic solvent arbitrarily mixed with water and a conductive oxide. It is preferable to include a step of obtaining a conductive oxide dispersion and a step of mixing the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the conductive oxide dispersion to obtain a mixed solution.
上記貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液との混合工程は、導電性酸化物分散液に含まれる有機溶媒の量が、貴金属水酸化物を含有する水溶液100体積部に対して、0.1〜10000体積部となるように貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合して混合液を得る工程であることが好ましい。 In the mixing step of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the conductive oxide dispersion, the amount of the organic solvent contained in the conductive oxide dispersion is 100 parts by volume of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide. It is preferable that the step is a step of mixing the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the conductive oxide dispersion so as to be 0.1 to 10,000 parts by volume to obtain a mixed solution.
本発明はまた、貴金属の単体及び/又は合金が導電性酸化物担体に担持された貴金属触媒であって、該貴金属触媒は、担体に担持された貴金属の単体及び/又は合金の電子顕微鏡観察による平均粒子径(TEM径)が6nm以上であり、かつ、下記式で定義される触媒の利用率が45%以上であることを特徴とする貴金属触媒でもある。 The present invention is also a noble metal catalyst having a noble metal element and / or alloy supported on a conductive oxide support, the noble metal catalyst being obtained by electron microscope observation of the noble metal element and / or alloy supported on the support. It is also a noble metal catalyst characterized in that the average particle diameter (TEM diameter) is 6 nm or more and the utilization factor of the catalyst defined by the following formula is 45% or more.
上記貴金属が、白金であることが好ましい。 The noble metal is preferably platinum.
上記導電性酸化物が、亜酸化チタンであることが好ましい。 The conductive oxide is preferably titanium suboxide.
本発明はまた、本発明の貴金属触媒を用いた電極材料でもある。 The present invention is also an electrode material using the noble metal catalyst of the present invention.
本発明の貴金属触媒の製造方法は、高電位がかかる環境への耐性に優れるうえ、高い電気化学特性を有する貴金属触媒を製造することができる方法である。
また本発明の貴金属触媒は、高電位がかかる環境への耐性と電気化学特性に共に優れた触媒であって、燃料電池の電極材料として好適に用いることができる。
The method for producing a noble metal catalyst of the present invention is a method capable of producing a noble metal catalyst having excellent electrochemical characteristics as well as excellent resistance to an environment where a high potential is applied.
Further, the noble metal catalyst of the present invention is a catalyst excellent in both resistance to an environment to which a high potential is applied and electrochemical characteristics, and can be suitably used as an electrode material for a fuel cell.
以下、本発明の好ましい形態について具体的に説明するが、本発明は以下の記載のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。 Hereinafter, although the preferable form of this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited only to the following description, In the range which does not change the summary of this invention, it can change suitably and can apply.
1.貴金属触媒の製造方法
本発明の貴金属触媒の製造方法は、水溶性貴金属化合物、水、塩基成分、水と任意に混和する有機溶媒、及び、導電性酸化物を混合して混合液を得る工程、該混合液を加熱する工程、及び、加熱工程の後、還元雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で焼成する工程を含むことを特徴とする。
このような製造方法で製造することで、担体である導電性酸化物上に粒径の大きい貴金属種(触媒活性種)の粒子が担持した貴金属触媒が得られることになる理由は定かではないが、以下のように考えられる。すなわち、担体である導電性酸化物に貴金属種を担持させる際の溶媒として水だけでなく有機溶媒を混和させることで、導電性酸化物表面の水酸基量を減らすことができる。これにより、貴金属種を担持するサイトが減ることになり、貴金属種は導電性酸化物表面の残りの担持サイトに集中する結果、粒径の大きい貴金属種が局在化されて担持した触媒が得られると考えられる。粒径の大きい貴金属種が担持した触媒は、燃料電池の電極材料として使用され、複数回高電位に曝されても貴金属種の少なくとも一部が溶出せずに残ることで触媒活性を維持することができる。
本発明の貴金属触媒の製造方法で得られる貴金属触媒は、カーボンに代えて導電性酸化物を担体として用いることで、上述したカーボン担体の酸化反応を原因とする貴金属種の凝集や欠落の問題がなく、また、担持している貴金属種の粒径が大きいことにより、高電位下でも貴金属種の全てが溶出せず、少なくとも一部が担体上に保持されるため、触媒性能の耐久性に優れる。なお、上述した特許文献1、2には、クエン酸や水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を用いることで、カーボンに担持させるPt径をコントロールする技術が開示されているが、この方法を導電性酸化物を担体とする触媒に使用した場合、貴金属の粒径は大きくできるものの、得られる貴金属触媒の活性が低くなることが確認されている。この方法は、液中で還元して大粒子化した貴金属を、静電引力のみで担持する方法であり、導電性酸化物から貴金属への電子導電性が低いため、貴金属の触媒性能が得られないことが考えられる。これに対し、本発明の貴金属触媒の製造方法では、最表面部が酸化された導電性酸化物に、貴金属種を化学結合によって担持させることができるため、触媒活性に優れるとともに、その耐久性にも優れた貴金属触媒が得られることになる。
1. Method for producing noble metal catalyst The method for producing a noble metal catalyst of the present invention comprises a step of mixing a water-soluble noble metal compound, water, a base component, an organic solvent arbitrarily mixed with water, and a conductive oxide to obtain a mixed solution, It includes a step of heating the mixed solution and a step of baking in a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere after the heating step.
The reason why a noble metal catalyst in which particles of a noble metal species having a large particle size (catalytically active species) are supported on a conductive oxide as a support is obtained by the production method as described above is not clear. It is considered as follows. That is, the amount of hydroxyl groups on the surface of the conductive oxide can be reduced by mixing not only water but also an organic solvent as a solvent for supporting the noble metal species on the conductive oxide as a carrier. As a result, the sites supporting the noble metal species are reduced, and the noble metal species are concentrated on the remaining support sites on the surface of the conductive oxide. As a result, a catalyst in which noble metal species having a large particle size are localized and supported is obtained. It is thought that. A catalyst loaded with a noble metal species having a large particle size is used as an electrode material for a fuel cell, and maintains catalytic activity by leaving at least a portion of the noble metal species without eluting even when exposed to a high potential multiple times. Can do.
The noble metal catalyst obtained by the method for producing a noble metal catalyst of the present invention uses the conductive oxide instead of carbon as a carrier, thereby causing the above-mentioned problem of aggregation and loss of noble metal species due to the oxidation reaction of the carbon carrier. In addition, since the particle size of the supported noble metal species is large, all of the noble metal species are not eluted even at a high potential, and at least a part of the noble metal species is retained on the support, so that the durability of the catalyst performance is excellent. . In addition, Patent Documents 1 and 2 described above disclose a technique for controlling the Pt diameter supported on carbon by using a reducing agent such as citric acid or sodium borohydride. When used as a catalyst having an oxide as a carrier, it has been confirmed that although the particle size of the noble metal can be increased, the activity of the obtained noble metal catalyst is lowered. This method is a method in which a noble metal reduced to large particles in a liquid is supported only by electrostatic attraction, and since the electronic conductivity from the conductive oxide to the noble metal is low, the catalytic performance of the noble metal can be obtained. It is possible that there is not. On the other hand, in the method for producing a noble metal catalyst of the present invention, since the noble metal species can be supported by a chemical bond on the conductive oxide whose outermost surface portion is oxidized, the catalytic activity is excellent and the durability thereof is improved. An excellent noble metal catalyst can be obtained.
<混合工程>
上記混合工程は、水溶性貴金属化合物、水、塩基成分、水と任意に混和する有機溶媒、及び、導電性酸化物を混合して混合液を得る工程であり、これらが混合されることになる限り、混合の順番は特に制限されず、1種類ずつ順番に混合してもよく、2種以上を同時に混合してもよい。また、これらのうちいくつかの成分の混合物と残りの成分の混合物とを調製した後、混合物同士を混合するようにしてもよい。
<Mixing process>
The mixing step is a step of mixing a water-soluble noble metal compound, water, a base component, an organic solvent arbitrarily mixed with water, and a conductive oxide to obtain a mixed solution, which are mixed. As long as the order of mixing is not particularly limited, one kind may be mixed in order, or two or more kinds may be mixed simultaneously. Moreover, after preparing the mixture of some components among these and the mixture of the remaining components, you may make it mix mixtures.
上記混合工程は、まず水溶性貴金属化合物、水、塩基成分を混合して貴金属水酸化物を含有する水溶液を調製し(貴金属水酸化物を含有する水溶液を得る工程)、また、水と任意に混和する有機溶媒と導電性酸化物とを混合して導電性酸化物分散液を調製(導電性酸化物分散液を得る工程)した後で、貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合する(貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合する工程)ことが好ましい。
予め水と任意に混和する有機溶媒と導電性酸化物とを混合することで、導電性酸化物表面の、貴金属種が担持するサイトを十分に減らすことができ、その後に貴金属水酸化物を含有する水溶液と混合することで、貴金属種の、残った特定の担持サイトへの集中がより進むため、より粒径の大きい貴金属種が担持した触媒を製造することができる。
なお、本発明において「貴金属水酸化物」とは、水溶性貴金属化合物と塩基成分との反応により得られる成分を意味し、貴金属と塩基成分とが錯体を形成しているものも含まれる。貴金属水酸化物を含有する水溶液は、未反応の水溶性貴金属化合物を含んでいても良い。
In the mixing step, first, an aqueous solution containing a noble metal hydroxide is prepared by mixing a water-soluble noble metal compound, water and a base component (a step of obtaining an aqueous solution containing a noble metal hydroxide), and optionally with water. After preparing a conductive oxide dispersion by mixing an organic solvent to be mixed with a conductive oxide (a step of obtaining a conductive oxide dispersion), an aqueous solution containing a noble metal hydroxide and the conductive oxide It is preferable to mix the dispersion (a step of mixing an aqueous solution containing a noble metal hydroxide and a conductive oxide dispersion).
By mixing an organic solvent that is arbitrarily mixed with water and a conductive oxide in advance, the site of the conductive oxide surface where the noble metal species is supported can be sufficiently reduced, and then the noble metal hydroxide is contained. By mixing with the aqueous solution, the concentration of the noble metal species to the remaining specific supporting sites further proceeds, and therefore a catalyst supporting the noble metal species having a larger particle size can be produced.
In the present invention, the “noble metal hydroxide” means a component obtained by a reaction between a water-soluble noble metal compound and a base component, and includes those in which a noble metal and a base component form a complex. The aqueous solution containing the noble metal hydroxide may contain an unreacted water-soluble noble metal compound.
上記貴金属水酸化物を含有する水溶液は、水と任意に混和する有機溶媒を含んでいてもよく、導電性酸化物分散液は、水を含んでいてもよい。すなわち、水溶性の貴金属化合物と水と塩基成分とを混合して貴金属水酸化物を含有する水溶液を得る工程は、更に水と任意に混和する有機溶媒を混合する工程を含むものであってよく、水と任意に混和する有機溶媒と導電性酸化物とを混合して導電性酸化物分散液を得る工程は、更に水を混合する工程を含むものであってもよい。 The aqueous solution containing the noble metal hydroxide may contain an organic solvent arbitrarily mixed with water, and the conductive oxide dispersion may contain water. That is, the step of obtaining an aqueous solution containing a noble metal hydroxide by mixing a water-soluble noble metal compound, water and a base component may further include a step of mixing an organic solvent arbitrarily mixed with water. The step of mixing an organic solvent arbitrarily mixed with water and a conductive oxide to obtain a conductive oxide dispersion may further include a step of mixing water.
上記混合工程や、貴金属水酸化物を含有する水溶液を得る工程、導電性酸化物分散液を得る工程、貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合する工程は、適宜撹拌して行うことができ、撹拌する時間は特に制限されないが、貴金属水酸化物を含有する水溶液を得る工程は、0.5〜72時間撹拌して行うことが好ましい。このようにすることで貴金属水酸化物への反応が進行する。より好ましくは、24〜72時間撹拌して行うことである。
また、導電性酸化物分散液を得る工程では、有機溶媒による導電性酸化物表面の担持サイトを十分に減らすため、導電性酸化物分散液を十分に撹拌するか、又は、超音波処理に供することが好ましい。撹拌又は超音波処理に供する時間は、10〜120分が好ましい。
The mixing step, the step of obtaining an aqueous solution containing a noble metal hydroxide, the step of obtaining a conductive oxide dispersion, and the step of mixing an aqueous solution containing a noble metal hydroxide and a conductive oxide dispersion are appropriately performed. Although it can carry out stirring and the time to stir is not restrict | limited in particular, The process of obtaining the aqueous solution containing a noble metal hydroxide is preferably performed by stirring for 0.5 to 72 hours. By doing so, the reaction to the noble metal hydroxide proceeds. More preferably, the stirring is performed for 24 to 72 hours.
Further, in the step of obtaining the conductive oxide dispersion, the conductive oxide dispersion is sufficiently stirred or subjected to ultrasonic treatment in order to sufficiently reduce the supporting sites on the surface of the conductive oxide by the organic solvent. It is preferable. The time for stirring or sonication is preferably 10 to 120 minutes.
上記貴金属水酸化物を含有する水溶液における貴金属水酸化物の含有量は、貴金属原子の質量が0.01〜100g/Lとなる量であることが好ましい。このような含有量であると、水溶性貴金属化合物から貴金属水酸化物への反応が進行しやすい。より好ましくは、貴金属原子の質量が0.01〜20g/Lとなる量であり、更に好ましくは、0.01〜5g/Lである。 The content of the noble metal hydroxide in the aqueous solution containing the noble metal hydroxide is preferably such an amount that the mass of the noble metal atoms is 0.01 to 100 g / L. With such a content, the reaction from the water-soluble noble metal compound to the noble metal hydroxide tends to proceed. More preferably, the amount is such that the mass of the noble metal atom is 0.01 to 20 g / L, and still more preferably 0.01 to 5 g / L.
上記貴金属水酸化物を含有する水溶液の調製に用いる塩基成分の量は、貴金属水酸化物を含有する水溶液が含む貴金属原子1モルに対して、2〜10モルとなる量であることが好ましい。このような量の塩基成分を用いることで、貴金属水酸化物を調製するとともに、原料として用いる水溶性の貴金属化合物の酸を十分に中和することができる。 The amount of the base component used for the preparation of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide is preferably 2 to 10 mol with respect to 1 mol of the noble metal atom contained in the aqueous solution containing the noble metal hydroxide. By using such an amount of the base component, the noble metal hydroxide can be prepared and the acid of the water-soluble noble metal compound used as a raw material can be sufficiently neutralized.
上記導電性酸化物分散液における導電性酸化物の含有量は、0.1〜50g/Lであることが好ましい。このような含有量であると、導電性酸化物上に貴金属種が均一に担持されやすくなる。導電性酸化物の含有量は、より好ましくは、1〜30g/Lであり、更に好ましくは、1〜10g/Lである。 The conductive oxide content in the conductive oxide dispersion is preferably 0.1 to 50 g / L. With such a content, the noble metal species are easily supported uniformly on the conductive oxide. The content of the conductive oxide is more preferably 1 to 30 g / L, still more preferably 1 to 10 g / L.
上記貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液との混合工程において、これらを混合する場合は、貴金属水酸化物を含有する水溶液の全量と導電性酸化物分散液の全量とを一度に混合してもよく、一方の全量に他方を少量ずつ添加してもよく、貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを共に少量ずつ混合してもよいが、導電性酸化物分散液に貴金属水酸化物を含有する水溶液を少量ずつ添加することが好ましい。このようにすることで、得られる貴金属触媒をより大きな粒径の貴金属種を有するものとすることができ、かつ貴金属種と導電性酸化物担体との結合を強固にすることができる。この場合、貴金属水酸化物を含有する水溶液の添加にかける時間は、貴金属水酸化物を含有する水溶液や導電性酸化物分散液の量によって適宜設定すればよいが、1〜72時間とすることが好ましい。より好ましくは、2〜48時間である。 In the mixing step of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the conductive oxide dispersion, when these are mixed, the total amount of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the total amount of the conductive oxide dispersion are used. It may be mixed at one time, the other may be added to one total amount little by little, and the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the conductive oxide dispersion may be mixed together little by little. It is preferable to add small amounts of an aqueous solution containing a noble metal hydroxide to the conductive oxide dispersion. By doing in this way, the obtained noble metal catalyst can have a noble metal species having a larger particle diameter, and the bond between the noble metal species and the conductive oxide carrier can be strengthened. In this case, the time required for the addition of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide may be appropriately set depending on the amount of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide or the conductive oxide dispersion, but it should be 1 to 72 hours. Is preferred. More preferably, it is 2 to 48 hours.
上記貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液との混合工程は、導電性酸化物分散液に含まれる有機溶媒の量が、貴金属水酸化物を含有する水溶液100体積部に対して、0.1〜10000体積部となるように貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合する工程であることが好ましい。このような割合で有機溶媒を用いることで、導電性酸化物の担持サイトをより十分に減らすことができ、得られる貴金属触媒をより大きな粒径の貴金属種を有するものとすることができる。
導電性酸化物分散液に含まれる有機溶媒の量は、より好ましくは、貴金属水酸化物を含有する水溶液100体積部に対して、10〜1000体積部であり、更に好ましくは、100〜400体積部である。
In the mixing step of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the conductive oxide dispersion, the amount of the organic solvent contained in the conductive oxide dispersion is 100 parts by volume of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide. The step is preferably a step of mixing an aqueous solution containing a noble metal hydroxide and a conductive oxide dispersion so as to be 0.1 to 10,000 parts by volume. By using the organic solvent in such a ratio, the conductive oxide supporting sites can be sufficiently reduced, and the resulting noble metal catalyst can have a noble metal species having a larger particle size.
The amount of the organic solvent contained in the conductive oxide dispersion is more preferably 10 to 1000 parts by volume, and still more preferably 100 to 400 parts by volume with respect to 100 parts by volume of the aqueous solution containing the noble metal hydroxide. Part.
上記貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合する場合、貴金属水酸化物を含有する水溶液が含む貴金属原子1gに対して、導電性酸化物分散液に含まれる導電性酸化物が1〜99gとなる割合で混合することが好ましい。このような割合で混合することで、得られる触媒が触媒性能に優れたものとなる傾向にある。より好ましくは、貴金属水酸化物を含有する水溶液が含む貴金属原子1gに対して、導電性酸化物分散液に含まれる導電性酸化物が2〜29gとなる割合であり、更に好ましくは、4〜19gとなる割合である。 When the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the conductive oxide dispersion are mixed, the conductivity contained in the conductive oxide dispersion with respect to 1 g of the noble metal atoms contained in the aqueous solution containing the noble metal hydroxide. It is preferable to mix the oxide in a ratio of 1 to 99 g. By mixing at such a ratio, the resulting catalyst tends to be excellent in catalyst performance. More preferably, the proportion of the conductive oxide contained in the conductive oxide dispersion is 2 to 29 g with respect to 1 g of the noble metal atom contained in the aqueous solution containing the noble metal hydroxide, and more preferably 4 to The ratio is 19 g.
<加熱工程>
本発明の貴金属触媒の製造方法は、水溶性貴金属化合物、水、塩基成分、水と任意に混和する有機溶媒、及び、導電性酸化物を混合して得られる混合液を加熱する工程を含む。加熱工程では、該混合液が加熱されることになる限り、加熱を開始する時期は特に制限されず、混合液を調製するための全ての原料の混合が終了した後に加熱を開始してもよく、全ての原料の混合が終了する前に加熱を開始することにより、混合液の調製と並行して加熱してもよい。
混合工程が、水溶性貴金属化合物と水と塩基成分とを混合して貴金属水酸化物を含有する水溶液を得る工程と、水と任意に混和する有機溶媒と導電性酸化物とを混合して導電性酸化物分散液を得る工程と、該貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合して混合液を得る工程とを含む場合には、貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合して混合液を得る工程において加熱されることが好ましい。この場合、これらの全量の混合が終了する前のいずれの時期に加熱を開始してもよい。
加熱は、還流しながら行っても良く、混合液を蒸留して水等の溶媒を留去しながら行ってもよい。
<Heating process>
The method for producing a noble metal catalyst of the present invention includes a step of heating a mixture obtained by mixing a water-soluble noble metal compound, water, a base component, an organic solvent arbitrarily mixed with water, and a conductive oxide. In the heating step, as long as the mixed solution is to be heated, the timing for starting the heating is not particularly limited, and heating may be started after mixing of all the raw materials for preparing the mixed solution is completed. The heating may be started in parallel with the preparation of the mixed solution by starting the heating before the mixing of all the raw materials is completed.
The mixing step mixes a water-soluble noble metal compound, water and a base component to obtain an aqueous solution containing a noble metal hydroxide, and an organic solvent and a conductive oxide which are arbitrarily mixed with water to conduct electricity. A noble metal hydroxide in the case of including a step of obtaining a conductive oxide dispersion and a step of mixing the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the conductive oxide dispersion to obtain a mixed solution Heating is preferably performed in the step of mixing the aqueous solution and the conductive oxide dispersion to obtain a mixed solution. In this case, heating may be started at any time before the mixing of all of these amounts is completed.
Heating may be performed while refluxing, or may be performed while distilling the mixed solution and distilling off a solvent such as water.
上記加熱工程における加熱温度は、50〜180℃であることが好ましい。このような温度であると、最終的に得られる貴金属触媒の貴金属種担持量を高めることができる。加熱温度は、より好ましくは、70〜150℃であり、更に好ましくは、80〜130℃である。 The heating temperature in the heating step is preferably 50 to 180 ° C. With such a temperature, the amount of the noble metal species supported by the finally obtained noble metal catalyst can be increased. The heating temperature is more preferably 70 to 150 ° C, still more preferably 80 to 130 ° C.
また、加熱工程における加熱時間は、0.5〜72時間であることが好ましい。このような加熱時間であると、最終的に得られる貴金属触媒の貴金属種担持量を高めることができる。加熱時間は、より好ましくは、1〜48時間であり、更に好ましくは、3〜36時間である。
なお、混合液の調製と並行して調製された混合液を加熱する場合、混合液の少なくとも一部は加熱の開始後に生成することになるため、加熱操作開始から終了まで時間と実際に混合液が加熱される時間とは必ずしも一致しないことになるが、ここでいう加熱時間とは、混合液が実際に加熱される時間を意味する。
Moreover, it is preferable that the heating time in a heating process is 0.5 to 72 hours. With such a heating time, it is possible to increase the amount of the noble metal species supported on the finally obtained noble metal catalyst. The heating time is more preferably 1 to 48 hours, still more preferably 3 to 36 hours.
In addition, when heating a mixed liquid prepared in parallel with the preparation of the mixed liquid, since at least a part of the mixed liquid is generated after the start of heating, the time from the start to the end of the heating operation and the actual mixed liquid However, the heating time here means the time during which the mixed liquid is actually heated.
<溶媒除去工程>
本発明の貴金属触媒の製造方法は、上記混合工程及び加熱工程を経て得られた混合液から溶媒を除去する工程を含むことが好ましい。溶媒を除去することで、焼成工程における雰囲気を安定に保つことが出来る。
溶媒除去工程は加熱して行ってもよいが、加熱する場合でも80℃以下にすることが好ましい。このような温度にすることで、導電性酸化物の導電性を損なうことなく溶媒を除去することが出来る。溶媒除去工程の温度は、より好ましくは、10〜60℃であり、更に好ましくは、20〜40℃である。低温であるために、溶媒を効率的に除去するためには、減圧下で乾燥することが好ましい。
溶媒除去工程の時間は、混合液から溶媒が除去される限り特に制限されないが、溶媒を十分に除去することと製造の効率とを考えると、8〜24時間であることが好ましい。
<Solvent removal step>
It is preferable that the manufacturing method of the noble metal catalyst of this invention includes the process of removing a solvent from the liquid mixture obtained through the said mixing process and a heating process. By removing the solvent, the atmosphere in the firing step can be kept stable.
The solvent removal step may be performed by heating, but it is preferable that the temperature be 80 ° C. or lower even when heating. By setting it as such temperature, a solvent can be removed, without impairing the electroconductivity of a conductive oxide. The temperature of the solvent removal step is more preferably 10 to 60 ° C, still more preferably 20 to 40 ° C. Since it is low temperature, in order to remove a solvent efficiently, it is preferable to dry under reduced pressure.
The time of the solvent removal step is not particularly limited as long as the solvent is removed from the mixed solution, but it is preferably 8 to 24 hours in view of sufficient removal of the solvent and production efficiency.
<焼成工程>
本発明の貴金属触媒の製造方法は、上記混合工程、加熱工程、及び必要に応じて溶媒除去工程を行って得られた混合物を還元雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で焼成する工程を含む。焼成工程における焼成温度は、300〜1200℃であることが好ましい。このような温度で焼成することで、残存する水溶性貴金属化合物及び/又は貴金属水酸化物の還元をより十分に進行させることが出来る。また、3nm以下の小粒子で担持された貴金属種を、隣接したサイトに担持された貴金属種と結合させ、大粒子化することが出来る。焼成温度は、より好ましくは500〜1100℃であり、更に好ましくは、500〜1000℃である。
焼成する時間は、触媒を十分に焼成することと製造の効率とを考えると、0.5〜24時間であることが好ましい。より好ましくは、1〜6時間である。
焼成工程は、上記効果をより発揮させるために、還元雰囲気下で焼成する工程であることが好ましい。
<Baking process>
The method for producing a noble metal catalyst of the present invention includes a step of calcining a mixture obtained by performing the above-described mixing step, heating step, and solvent removal step as necessary in a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere. The firing temperature in the firing step is preferably 300 to 1200 ° C. By firing at such a temperature, the reduction of the remaining water-soluble noble metal compound and / or noble metal hydroxide can proceed more sufficiently. In addition, the noble metal species supported by small particles of 3 nm or less can be combined with the noble metal species supported at the adjacent site to make a large particle. The firing temperature is more preferably 500 to 1100 ° C, and further preferably 500 to 1000 ° C.
The time for firing is preferably 0.5 to 24 hours in view of sufficiently firing the catalyst and the efficiency of production. More preferably, it is 1 to 6 hours.
The firing step is preferably a step of firing in a reducing atmosphere in order to exhibit the above effects more.
上記焼成工程を行う還元雰囲気としては、水素雰囲気または、ヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガス中に水素等の還元性ガスを5〜100vol%含む雰囲気を用いることができる。
また焼成工程を行う不活性ガス雰囲気としては、ヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガスの雰囲気を用いることができる。
As a reducing atmosphere for performing the firing step, a hydrogen atmosphere or an atmosphere containing 5 to 100 vol% of a reducing gas such as hydrogen in an inert gas such as helium, nitrogen, or argon can be used.
As an inert gas atmosphere for performing the firing step, an atmosphere of an inert gas such as helium, nitrogen, or argon can be used.
<その他の工程>
本発明の貴金属触媒の製造方法は、上述した混合工程、加熱工程、及び、焼成工程を含む限り、上述した溶媒除去工程やその他の工程を含んでいてもよい。その他の工程としては、熟成工程、精製工程、乾燥工程等が挙げられる。上記加熱工程において、混合工程の終了後にも加熱を継続して行う場合は、熟成工程を行っているということもできる。
<Other processes>
The method for producing a noble metal catalyst of the present invention may include the above-described solvent removal step and other steps as long as the above-described mixing step, heating step, and firing step are included. Examples of other processes include an aging process, a purification process, and a drying process. In the above heating step, when the heating is continued after the mixing step, it can be said that the aging step is being performed.
本発明の貴金属触媒の製造方法は、混合工程、加熱工程(及び必要に応じて熟成工程)を経て得られた混合液から溶媒が除去される前に、混合液を精製する精製工程を含むことが好ましい。混合液には水溶性貴金属化合物と塩基成分との反応で生成する塩が含まれる。混合工程、加熱工程(及び必要に応じて熟成工程)を経て得られた混合液から溶媒が除去される前にこのような塩を除去することで、本発明の製造方法で得られる貴金属触媒を不純物含有量の少ないものとすることができる。塩を除去する方法は特に制限されないが、ろ過が好ましい。
また精製工程は、更に混合液を溶媒で洗浄する工程を含んでいてもよい。洗浄する工程に使用される溶媒は特に制限されないが、水系溶媒が好ましい。水系溶媒を用いることで混合液に含まれる水溶性の不純物を除去することができる。
The method for producing a noble metal catalyst of the present invention includes a purification step of purifying the mixed solution before the solvent is removed from the mixed solution obtained through the mixing step, heating step (and aging step if necessary). Is preferred. The mixed solution contains a salt produced by the reaction of the water-soluble noble metal compound and the base component. The precious metal catalyst obtained by the production method of the present invention can be obtained by removing such a salt before the solvent is removed from the mixed solution obtained through the mixing step and heating step (and aging step if necessary). The impurity content can be reduced. The method for removing the salt is not particularly limited, but filtration is preferred.
In addition, the purification step may further include a step of washing the mixed solution with a solvent. The solvent used in the washing step is not particularly limited, but an aqueous solvent is preferable. By using an aqueous solvent, water-soluble impurities contained in the mixed solution can be removed.
上記水系溶媒としては、水、メタノール、エタノール等を用いることができるが、エタノール又はエタノールと水との混合溶媒を用いることが好ましい。これらを用いることで、有機溶媒による導電性酸化物の担持サイトを減らすことへの影響を抑えつつ、水溶性の不純物を効果的に除去することができる。 As the aqueous solvent, water, methanol, ethanol or the like can be used, but it is preferable to use ethanol or a mixed solvent of ethanol and water. By using these, water-soluble impurities can be effectively removed while suppressing the influence on reducing the conductive oxide supporting sites by the organic solvent.
上記乾燥工程は、混合工程、加熱工程(及び必要に応じて熟成工程)を経て得られた混合液から溶媒を除去した後の固形分を焼成工程に供する前に乾燥する工程であり、得られる貴金属触媒の純度を高める点から、上記精製工程を経た後の固形分を乾燥することが好ましい。乾燥工程は、固形分が乾燥されることになればよく、加熱して行ってもよいが、担体の酸化防止の点から、加熱せずに行うことが好ましい。 The drying step is a step of drying the solid content after removing the solvent from the mixed solution obtained through the mixing step and heating step (and aging step if necessary) before being subjected to the firing step, and is obtained. From the viewpoint of increasing the purity of the noble metal catalyst, it is preferable to dry the solid content after the purification step. The drying step may be performed by heating as long as the solid content is dried, but it is preferably performed without heating from the viewpoint of preventing the carrier from being oxidized.
<原料>
本発明の貴金属触媒の製造方法は、水溶性の貴金属化合物として貴金属の無機塩及び/又は有機酸塩を用いる。
貴金属としては、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウムが挙げられるが、これらの中でも白金が好ましい。
無機塩としては、特に制限されないが、硫酸塩、硝酸塩、塩化物、リン酸塩等が挙げられる。
有機酸塩としては特に制限されないが、有機カルボン酸錯体等が挙げられる。
中でも反応性の観点から、塩化白金酸が最も好ましい。
<Raw material>
In the method for producing a noble metal catalyst of the present invention, an inorganic salt and / or an organic acid salt of a noble metal is used as a water-soluble noble metal compound.
Examples of the noble metal include platinum, iridium, ruthenium, rhodium, and palladium. Among these, platinum is preferable.
Although it does not restrict | limit especially as an inorganic salt, A sulfate, nitrate, a chloride, a phosphate etc. are mentioned.
Although it does not restrict | limit especially as an organic acid salt, An organic carboxylic acid complex etc. are mentioned.
Of these, chloroplatinic acid is most preferred from the viewpoint of reactivity.
本発明の貴金属触媒の製造方法に用いる塩基成分としては、上記貴金属の無機塩及び/又は有機酸塩と反応して貴金属の水酸化物を生成するものであれば限定されず、リチウム、ナトリウム、カリウム等の周期表第1族元素、又は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム等の周期表第2族元素の水酸化物等が挙げられる。これらの中でも水酸化ナトリウムが好ましい。 The base component used in the method for producing a noble metal catalyst of the present invention is not limited as long as it generates a noble metal hydroxide by reacting with the inorganic salt and / or organic acid salt of the noble metal, lithium, sodium, Examples thereof include hydroxides of Group 1 elements of the periodic table such as potassium, or Group 2 elements of the periodic table such as magnesium, calcium and strontium. Among these, sodium hydroxide is preferable.
本発明の貴金属触媒の製造方法に用いる、水と任意に混和する有機溶媒としては、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド系溶媒;メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール等のアルコール類等が挙げられる。
これらの中でも、ジメチルホルムアミド、エタノール、又はエチレングリコールが好ましい。より好ましくは、ジメチルホルムアミドである。
Examples of the organic solvent arbitrarily mixed with water used in the method for producing a noble metal catalyst of the present invention include amide solvents such as dimethylformamide and dimethylacetamide; alcohols such as methanol, ethanol, propanol and ethylene glycol.
Among these, dimethylformamide, ethanol, or ethylene glycol is preferable. More preferred is dimethylformamide.
本発明の貴金属触媒の製造方法に用いる導電性酸化物としては、チタン、スズ、亜鉛、タングステン等の亜酸化物や、これらの元素とともにニオブ、タンタル等の他元素を導入し導電性を持たせた酸化物等が挙げられる。
これらの中でも、亜酸化チタンが好ましい。亜酸化チタンは、高い導電性を有するとともに酸に対する耐性が高く、亜酸化チタンを用いることで得られる貴金属触媒が耐強酸性にも優れたものとなり、電池の電極材料としてより好適なものとなる。より好ましくは、亜酸化チタンの中でもTi4O7である。
As the conductive oxide used in the method for producing the noble metal catalyst of the present invention, suboxides such as titanium, tin, zinc and tungsten, and other elements such as niobium and tantalum are introduced together with these elements to impart conductivity. And oxides.
Among these, titanium suboxide is preferable. Titanium suboxide has high conductivity and high acid resistance, and the noble metal catalyst obtained by using titanium suboxide is excellent in strong acid resistance, making it more suitable as an electrode material for batteries. . More preferably, it is Ti 4 O 7 among titanium suboxides.
上記導電性酸化物としては、比表面積が10m2/g以上のものが好ましい。このような比表面積のものを用いると、得られる触媒が触媒活性により優れたものとなる。より好ましくは、比表面積が13m2/g以上のものである。
また導電性酸化物としては、体積抵抗が5×102Ω・cm以下、1×10-6Ω・cm以上であるものが好ましい。このような体積抵抗のものを用いると、得られる触媒が電極材料として好適なものとなる。より好ましくは、体積抵抗が1×102Ω・cm以下であるものであり、更に好ましくは、体積抵抗が5×101Ω・cm以下であるものである。
The conductive oxide preferably has a specific surface area of 10 m 2 / g or more. When a material having such a specific surface area is used, the resulting catalyst becomes more excellent in catalytic activity. More preferably, the specific surface area is 13 m 2 / g or more.
The conductive oxide preferably has a volume resistance of 5 × 10 2 Ω · cm or less and 1 × 10 −6 Ω · cm or more. When such a material having a volume resistance is used, the obtained catalyst is suitable as an electrode material. More preferably, the volume resistance is 1 × 10 2 Ω · cm or less, and still more preferably, the volume resistance is 5 × 10 1 Ω · cm or less.
本発明において、水溶性の貴金属化合物、塩基成分、水と任意に混和する有機溶媒、及び、導電性酸化物は、それぞれ1種を用いてもよく、2種以上を用いてもよい。 In the present invention, the water-soluble noble metal compound, the base component, the organic solvent arbitrarily mixed with water, and the conductive oxide may be used singly or in combination of two or more.
2.貴金属触媒
本発明はまた、貴金属の単体及び/又は合金が導電性酸化物担体に担持された貴金属触媒であって、該貴金属触媒は、担体に担持された貴金属の単体及び/又は合金の電子顕微鏡観察による平均粒子径(TEM径)が6nm以上であり、かつ、下記式で定義される触媒の利用率が45%以上であることを特徴とする貴金属触媒でもある。
2. Noble metal catalyst The present invention is also a noble metal catalyst in which a noble metal element and / or alloy is supported on a conductive oxide support, and the noble metal catalyst is an electron microscope of the noble metal element and / or alloy supported on a support. It is also a noble metal catalyst characterized in that the average particle diameter (TEM diameter) by observation is 6 nm or more and the utilization factor of the catalyst defined by the following formula is 45% or more.
貴金属の単体及び/又は合金の幾何的比表面積とは、電子顕微鏡等で観察される貴金属の単体及び/又は合金の粒子の比表面積であり、電気化学的有効比表面積とは、貴金属触媒表面のうち、実際に触媒作用を発揮する面積を意味する。上記式で計算される利用率は、貴金属の単体及び/又は合金の粒子の比表面積のうち、触媒作用を発揮する面積の割合であり、利用率が高いほど触媒としての活性が高いことを意味する。
本発明の貴金属触媒は、利用率が45%以上である高活性の触媒であって、かつ、貴金属の単体及び/又は合金の電子顕微鏡観察による平均粒子径(TEM径)が6nm以上であることにより、電池の電極材料として用いられた際に、高電位に晒された場合にも貴金属の単体及び/又は合金の電解液へ触媒少なくとも一部が溶出することなく残存するため、耐久性に優れるものである。
貴金属の単体及び/又は合金の粒子の比表面積、及び、電気化学的有効比表面積は、後述する実施例に記載の方法により求めることができる。
The geometric specific surface area of the noble metal simple substance and / or alloy is the specific surface area of the noble metal simple substance and / or alloy particles observed with an electron microscope or the like, and the electrochemical effective specific surface area is the surface area of the noble metal catalyst surface. Of these, it means the area that actually exhibits catalytic action. The utilization rate calculated by the above formula is the ratio of the area that exhibits catalytic action among the specific surface area of the single noble metal and / or alloy particles, and the higher the utilization rate, the higher the activity as a catalyst. To do.
The noble metal catalyst of the present invention is a highly active catalyst having a utilization rate of 45% or more, and the average particle diameter (TEM diameter) of the noble metal alone and / or alloy observed with an electron microscope is 6 nm or more. Therefore, when used as an electrode material of a battery, even when exposed to a high potential, at least a part of the catalyst remains in the electrolyte solution of the noble metal and / or the alloy without being eluted, so that the durability is excellent. Is.
The specific surface area and the electrochemically effective specific surface area of the noble metal simple substance and / or alloy particles can be determined by the method described in Examples described later.
本発明の貴金属触媒は、上記利用率が45%以上のものであるが、利用率は好ましくは、80%以上であり、更に好ましくは、90%以上である。 The noble metal catalyst of the present invention has a utilization rate of 45% or more, but the utilization rate is preferably 80% or more, and more preferably 90% or more.
本発明の貴金属触媒は、貴金属の単体及び/又は合金の電子顕微鏡観察による平均粒子径(TEM径)が6nm以上であるものであるが、貴金属の単体及び/又は合金の平均粒子径は8nm以上であることが好ましい。より好ましくは、10nm以上である。また平均粒子径は、100nm以下が好ましく、50nm以下がより好ましい。 The noble metal catalyst of the present invention has an average particle diameter (TEM diameter) of 6 nm or more of a noble metal simple substance and / or alloy observed by an electron microscope, but the noble metal simple substance and / or alloy has an average particle diameter of 8 nm or more. It is preferable that More preferably, it is 10 nm or more. The average particle diameter is preferably 100 nm or less, and more preferably 50 nm or less.
本発明の貴金属触媒が有する貴金属としては、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウムのいずれかが挙げられ、中でも白金が好ましい。
また貴金属の合金としては、白金ルテニウム合金等が挙げられる。
Examples of the noble metal of the noble metal catalyst of the present invention include platinum, iridium, ruthenium, rhodium, and palladium, and platinum is particularly preferable.
Examples of noble metal alloys include platinum ruthenium alloys.
本発明の貴金属触媒は上述した特徴を有するものであり、このような特徴を有するものが得られる限り、その製造方法は特に制限されないが、本発明の貴金属触媒を効率的に製造する方法として上述した本発明の貴金属触媒の製造方法が好適である。 The noble metal catalyst of the present invention has the above-mentioned characteristics, and the production method thereof is not particularly limited as long as it has such characteristics, but the above-mentioned method for efficiently producing the noble metal catalyst of the present invention is described above. The method for producing a noble metal catalyst of the present invention is suitable.
上記のとおり、本発明の貴金属触媒は、高活性であり、かつ、電池の電極材料として用いられた際に、高電位に晒された場合にも貴金属の単体及び/又は合金の全てが電解液へ溶出することがないことから、電池の電極材料として好適に用いることができる。このような貴金属触媒を用いた電極材料もまた、本発明の1つであり、本発明の電極材料を用いて構成される電極、及び、該電極を用いて構成される電池もまた、本発明の1つである。 As described above, the noble metal catalyst of the present invention is highly active, and when used as an electrode material for a battery, even when it is exposed to a high potential, all of the noble metal simple substance and / or alloy are electrolyte solution. Can be suitably used as a battery electrode material. An electrode material using such a noble metal catalyst is also one aspect of the present invention, and an electrode configured using the electrode material of the present invention and a battery configured using the electrode are also included in the present invention. It is one of.
本発明を詳細に説明するために以下に具体例を挙げるが、本発明はこれらの例のみに限定されるものではない。特に断りのない限り、「%」及び「wt%」とは「重量%(質量%)」を意味する。 In order to describe the present invention in detail, specific examples are given below, but the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, “%” and “wt%” mean “wt% (mass%)”.
製造例1
ルチル型酸化チタン(堺化学工業社製、商品名「STR−100N」、比表面積100m2/g)2.0gと金属チタン(和光純薬工業社製、商品名「チタン,粉末」)0.3gを乾式混合した後、水素雰囲気下、700℃まで70分かけて昇温し、700℃で6時間保持した後、室温まで冷却して結晶相がTi4O7で表される亜酸化チタン担体を得た。以下の方法により測定した亜酸化チタンの比表面積は16.5m2/gであり、体積抵抗が5.0×101Ω・cmであった。
Production Example 1
Rutile type titanium oxide (trade name “STR-100N”, manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd., specific surface area 100 m 2 / g) 2.0 g and metal titanium (trade name “titanium, powder” manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) After 3 g of dry mixing, the temperature was raised to 700 ° C. over 70 minutes in a hydrogen atmosphere, held at 700 ° C. for 6 hours, cooled to room temperature, and the titanium oxide whose crystal phase was represented by Ti 4 O 7 A carrier was obtained. The specific surface area of titanium suboxide measured by the following method was 16.5 m 2 / g, and the volume resistance was 5.0 × 10 1 Ω · cm.
<亜酸化チタンの比表面積測定>
比表面積(BET−SSA)
JIS Z8830(2013年)の規定に準じ、試料を窒素雰囲気中、200℃で60分間熱処理した後、比表面積測定装置(マウンテック社製、商品名「Macsorb HM−1220」)を用いて、比表面積(BET−SSA)を測定した。
<亜酸化チタンの体積抵抗(体積固有抵抗とも称す)測定>
体積抵抗の測定には、株式会社三菱化学アナリテック製、粉体抵抗測定システム MCP−PD51型を用いた。
粉体抵抗測定システムは、油圧による粉体プレス部と四探針プローブ、高抵抗測定装置(同社製、ロレスターGX MCP−T700)から構成される。
以下の手順に従い、体積抵抗(Ω・cm)の値を求めた。
1)四探針プローブを底面に備えたプレス冶具(直径20mm)にサンプル粉末を投入し、粉体抵抗測定システムの加圧部にセットする。プローブと高抵抗測定装置とをケーブルで接続する。
2)ハンドプレスを用いて、20kNまで加圧する。粉体厚みをデジタルノギスで測定、抵抗値を高抵抗測定装置で測定する。
3)粉体の底面積、厚み、抵抗値から、下記式(i)に基づき体積固有抵抗(Ω・cm)を求める。
<Specific surface area measurement of titanium suboxide>
Specific surface area (BET-SSA)
In accordance with the provisions of JIS Z8830 (2013), the sample was heat-treated at 200 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere, and then the specific surface area was measured using a specific surface area measuring device (trade name “Macsorb HM-1220” manufactured by Mountec Co., Ltd.). (BET-SSA) was measured.
<Measurement of volume resistance (also called volume resistivity) of titanium suboxide>
For the measurement of volume resistance, a powder resistance measurement system MCP-PD51 manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd. was used.
The powder resistance measurement system includes a hydraulic powder press unit, a four-point probe, and a high resistance measurement device (manufactured by the same company, Lorestar GX MCP-T700).
The value of volume resistance (Ω · cm) was determined according to the following procedure.
1) Put the sample powder into a press jig (diameter 20 mm) equipped with a four-probe probe on the bottom, and set it in the pressurizing part of the powder resistance measurement system. Connect the probe and the high resistance measuring device with a cable.
2) Pressurize to 20 kN using a hand press. The powder thickness is measured with a digital caliper, and the resistance value is measured with a high resistance measuring device.
3) From the bottom area, thickness, and resistance value of the powder, the volume resistivity (Ω · cm) is obtained based on the following formula (i).
実施例1
六塩化白金酸水溶液(白金原子の重量で15.343wt%濃度、田中貴金属工業株式会社製)を希釈し、白金2mM溶液を256ml調製した。これに1mol/L水酸化ナトリウム溶液を3.44ml(白金の4倍量に加えて、過剰の塩酸分を中和するための量)を添加し、室温で24時間攪拌して水酸化白金錯体含有水溶液を得た。
四つ口フラスコに製造例1で得られた亜酸化チタン(Ti4O7)担体0.9gとジメチルホルムアミド(DMF)256mlを添加し、これを30分間超音波処理に供した。これをオイルバスに入れてマグネチックスターラーで攪拌しながら、還流させながら、水酸化白金含有水溶液をチューブポンプで2時間かけて滴下した。滴下終了後、24時間還流条件下で反応させた。還流時の温度は120℃であった。
反応終了後、常法に従い、濾過、エタノールにて洗浄、減圧下35℃で乾燥して、粉末1gを得た。得られた粉末0.5gを100%水素雰囲気下、550℃まで昇温し、550℃で1時間保持した後、室温まで冷却して粉体1を得た。
Example 1
A hexachloroplatinic acid aqueous solution (15.343 wt% concentration by weight of platinum atom, manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) was diluted to prepare 256 ml of a 2 mM platinum solution. To this was added 3.44 ml of a 1 mol / L sodium hydroxide solution (amount to neutralize excess hydrochloric acid in addition to 4 times the amount of platinum) and stirred at room temperature for 24 hours to obtain a platinum hydroxide complex. A containing aqueous solution was obtained.
To the four-necked flask, 0.9 g of the titanium suboxide (Ti 4 O 7 ) support obtained in Production Example 1 and 256 ml of dimethylformamide (DMF) were added, and this was subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. While this was put into an oil bath and stirred with a magnetic stirrer, the platinum hydroxide-containing aqueous solution was dropped over 2 hours with a tube pump while refluxing. After completion of the dropwise addition, the reaction was carried out under reflux conditions for 24 hours. The temperature at reflux was 120 ° C.
After completion of the reaction, according to a conventional method, filtration, washing with ethanol, and drying at 35 ° C. under reduced pressure, 1 g of powder was obtained. 0.5 g of the obtained powder was heated to 550 ° C. in a 100% hydrogen atmosphere, held at 550 ° C. for 1 hour, and then cooled to room temperature to obtain Powder 1.
実施例2
四つ口フラスコに亜酸化チタン(Ti4O7)担体0.9gと、ジメチルホルムアミド256mlを添加し、これを30分間超音波処理に供した。これをオイルバスに入れて還流させながら、実施例1と同様の方法で調製した水酸化白金含有水溶液をチューブポンプで48時間かけて滴下した。その他は実施例1と同様にして粉体2を得た。
Example 2
To a four-necked flask, 0.9 g of titanium suboxide (Ti 4 O 7 ) carrier and 256 ml of dimethylformamide were added, and this was subjected to ultrasonic treatment for 30 minutes. While this was put in an oil bath and refluxed, a platinum hydroxide-containing aqueous solution prepared by the same method as in Example 1 was dropped over 48 hours with a tube pump. Otherwise, a powder 2 was obtained in the same manner as in Example 1.
実施例3
有機溶媒をジメチルホルムアミドからエタノールに代え、還流時の温度を81℃としたこと以外は実施例1同様にして粉体3を得た。
Example 3
Powder 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent was changed from dimethylformamide to ethanol and the temperature at reflux was 81 ° C.
実施例4
担体を0.4gに減らし、有機溶媒をジメチルホルムアミドからエチレングリコールに代え、還流時の温度を125℃としたこと以外は実施例1同様にして粉体4を得た。
Example 4
Powder 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the carrier was reduced to 0.4 g, the organic solvent was changed from dimethylformamide to ethylene glycol, and the temperature at reflux was 125 ° C.
比較例1
有機溶媒をジメチルホルムアミドから酢酸ブチルに代え、還流時の温度を90℃としたこと以外は実施例1同様にして粉体5を得た。
Comparative Example 1
Powder 5 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic solvent was changed from dimethylformamide to butyl acetate and the temperature at reflux was 90 ° C.
比較例2
1Lの四つ口フラスコにクエン酸無水物を0.48gとイオン交換水500ml添加し、マグネチックスターラーで攪拌しながらオイルバスにつけて30分間還流させた。六塩化白金酸水溶液(白金原子の重量で15.343wt%濃度)を1.27g添加して更に1時間還流下で攪拌した。これを冷却し、冷却後の液に、製造例1で得られた亜酸化チタン(Ti4O7)担体を0.5g添加し、室温で1時間撹拌後、実施例1同様にろ過、水洗、乾燥、および焼成をして粉体6を得た。
Comparative Example 2
0.48 g of citric acid anhydride and 500 ml of ion-exchanged water were added to a 1 L four-necked flask, and the mixture was refluxed for 30 minutes in an oil bath while stirring with a magnetic stirrer. 1.27 g of hexachloroplatinic acid aqueous solution (15.343 wt% concentration by weight of platinum atom) was added, and the mixture was further stirred under reflux for 1 hour. After cooling this, 0.5 g of the titanium suboxide (Ti 4 O 7) support obtained in Production Example 1 was added to the cooled liquid, stirred for 1 hour at room temperature, filtered, washed with water, dried in the same manner as in Example 1. And it fired and the powder 6 was obtained.
比較例3
亜酸化チタン(Ti4O7)0.668gを、水128ml中で撹拌後、希釈した六塩化白金酸(白金原子の重量で2.2wt%濃度)水溶液を6g添加し、そこに室温でpH7を維持するように1mol/Lの水素化ホウ素ナトリウム水溶液を添加しながら、pH7を2時間保った。水素化ホウ素ナトリウム水溶液の総添加量は4.5mlであった。その後、室温で1時間攪拌した後、実施例1と同様にろ過、水洗、乾燥、および焼成をして粉体7を得た。
Comparative Example 3
After stirring 0.668 g of titanium suboxide (Ti 4 O 7 ) in 128 ml of water, 6 g of dilute hexachloroplatinic acid (2.2 wt% concentration by weight of platinum atoms) aqueous solution was added, and pH 7 was added thereto at room temperature. PH 7 was maintained for 2 hours while adding a 1 mol / L sodium borohydride aqueous solution so as to maintain the pH. The total amount of sodium borohydride aqueous solution added was 4.5 ml. Then, after stirring at room temperature for 1 hour, it filtered, washed with water, dried and baked similarly to Example 1, and the powder 7 was obtained.
比較例4
六塩化白金酸水溶液(白金原子の重量で15.343%濃度、田中貴金属工業株式会社製)0.57gをイオン交換水3.4gで希釈した後、塩化ヒドラジン(東京化成工業株式会社製、商品名「Hydrazine Dihydrochloride」)0.024gを添加し、撹拌混合したものを準備した(これを「混合水溶液」と称す)。
亜酸化チタン(Ti4O7)0.668gを水128ml中で撹拌して調製した亜酸化チタン担体スラリーを攪拌しながら、別のビーカーにて準備した上記の混合水溶液4.0gを添加し、液温を70℃に加熱保持しながら撹拌混合した。更に、1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液3.2mlを添加し、撹拌混合しながら液温70℃に1時間加熱保持した後、実施例1と同様にろ過、水洗、乾燥、および焼成をして粉体8を得た。
Comparative Example 4
After diluting 0.57 g of hexachloroplatinic acid aqueous solution (15.343% concentration by weight of platinum atom, Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) with 3.4 g of ion-exchanged water, hydrazine chloride (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., product) 0.024 g (name “Hydrazine Dihydrochloride”) was added and stirred and mixed (prepared as “mixed aqueous solution”).
While stirring the titanium suboxide support slurry prepared by stirring 0.668 g of titanium suboxide (Ti 4 O 7 ) in 128 ml of water, 4.0 g of the above mixed aqueous solution prepared in another beaker was added, The mixture was stirred and mixed while maintaining the liquid temperature at 70 ° C. Further, 3.2 ml of a 1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution was added, and the mixture was heated and held at a liquid temperature of 70 ° C. for 1 hour with stirring and mixed, and then filtered, washed with water, dried and fired as in Example 1. Powder 8 was obtained.
<物性評価>
以下の手順により、実施例1〜4、比較例1〜4で得られた各粉体の物性等を評価した。耐久性試験以外の各種評価結果を表1に示し、耐久性試験の結果を図9に示す。また、実施例1〜4、比較例1〜4で得られた各粉体の電子顕微鏡写真を図1〜8に示す。
1.電気化学的有効比表面積(ECSA:ElectroChemical Surface Area)
(1)作用極の作製
測定対象のサンプルに、5重量%パーフルオロスルホン酸樹脂溶液(シグマアルドリッチジャパン株式会社製)、イソプロピルアルコール(和光純薬工業株式会社製)及びイオン交換水を加え、超音波により分散させてペーストを調製した。ペーストを回転グラッシーカーボンディスク電極に塗布し、充分に乾燥した。乾燥後の回転電極を作用極とした。
(2)サイクリックボルタンメトリー測定
Automatic Polarization System(北斗電工株式会社製、商品名「HZ−5000」)に、回転電極装置(北斗電工株式会社製、商品名「HR−301」)を接続し、作用極に、上記で得た測定サンプル付き電極を用い、対極と参照極には、それぞれ白金電極と可逆水素電極(RHE)電極を用いた。
測定サンプル付き電極のクリーニングのため、25℃で、電解液(0.1mol/lの過塩素酸水溶液)にアルゴンガスをバブリングしながら1.2Vから0.05Vまでサイクリックボルタンメトリーに供した。その後、25℃で、アルゴンガスを飽和させた電解液(0.1mol/l過塩素酸水溶液)で1.2Vから0.05Vまで掃引速度50mV/secで掃引しながら電流値の測定を行った。
その後、掃引時に得られる水素吸着波の面積(水素吸着時の電荷量:QH(μC))から、下記数式(ii)を用いて電気化学的有効比表面積(ECSA)を算出し、電気化学特性の指標とした。なお、式(ii)中、「210(μCcm2)」は、白金(Pt)の単位活性面積あたりの吸着電荷量であり、Ptの重量の単位はgである。Ptの重量は下記数式(iii)を用いて算出した。
電気化学的有効比表面積(ECSA)
=(−QH/210)×104×(1/Ptの重量)・・・(ii)
作用極上のPt重量(g)
=(Pt担持量(%)/100)×6μl(作用極に供するペースト量)×5×10−6g/μl(インク中の触媒濃度)・・・(iii)
<Physical property evaluation>
The physical properties and the like of each powder obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were evaluated by the following procedure. Various evaluation results other than the durability test are shown in Table 1, and the results of the durability test are shown in FIG. Moreover, the electron micrograph of each powder obtained in Examples 1-4 and Comparative Examples 1-4 is shown in FIGS.
1. Electrochemical surface area (ECSA)
(1) Production of working electrode A 5 wt% perfluorosulfonic acid resin solution (manufactured by Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.), isopropyl alcohol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and ion-exchanged water are added to the sample to be measured. A paste was prepared by dispersing with sonic waves. The paste was applied to a rotating glassy carbon disk electrode and thoroughly dried. The rotating electrode after drying was used as a working electrode.
(2) Cyclic voltammetry measurement
A rotating electrode device (trade name “HR-301”, manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.) was connected to the Automatic Polarization System (Hokuto Denko Co., Ltd., product name “HZ-5000”), and the working electrode was obtained as described above. An electrode with a measurement sample was used, and a platinum electrode and a reversible hydrogen electrode (RHE) electrode were used for the counter electrode and the reference electrode, respectively.
In order to clean the electrode with the measurement sample, it was subjected to cyclic voltammetry from 1.2 V to 0.05 V at 25 ° C. while bubbling argon gas into the electrolyte (0.1 mol / l perchloric acid aqueous solution). Thereafter, the current value was measured at 25 ° C. while sweeping from 1.2 V to 0.05 V with an electrolyte solution saturated with argon gas (0.1 mol / l perchloric acid aqueous solution) at a sweep rate of 50 mV / sec. .
Then, the electrochemical effective specific surface area (ECSA) is calculated using the following formula (ii) from the area of the hydrogen adsorption wave (charge amount at the time of hydrogen adsorption: QH (μC)) obtained during the sweep, and the electrochemical characteristics It was used as an index. In the formula (ii), “210 (μCcm 2 )” is an adsorption charge amount per unit active area of platinum (Pt), and the unit of weight of Pt is g. The weight of Pt was calculated using the following formula (iii).
Electrochemical effective specific surface area (ECSA)
= (-QH / 210) × 10 4 × (1 / Pt weight) (ii)
Pt weight on working electrode (g)
= (Pt carrying amount (%) / 100) × 6 μl (paste amount to be applied to working electrode) × 5 × 10 −6 g / μl (catalyst concentration in ink) (iii)
2.電子顕微鏡写真観察
電界放出形透過電子顕微鏡JEM−2100F(日本電子株式会社製)を用いて、観察を実施した。
2. Electron micrograph observation Observation was carried out using a field emission type transmission electron microscope JEM-2100F (manufactured by JEOL Ltd.).
3.白金担持量
蛍光X線分析装置ZSX PrimusII(株式会社リガク製)を用いて、試料中の白金含有量を測定し、白金担持量を算出した。
3. Platinum content was measured using a fluorescent X-ray analyzer ZSX Primus II (manufactured by Rigaku Corporation) to calculate the platinum content in the sample.
4.担持された白金の平均一次粒子径
まず、透過型電子顕微鏡写真(TEM像又はTEM写真とも称す)において、白金粒子の長径と短径を定規等で計測し、その長径と短径の平均値を撮影倍率で除することにより、一次粒子径を求めた。更に、TEM像中の白金粒子を80個無作為に抽出し、上記の方法により全ての粒子の一次粒子径を計測し、計測値中最大値を最大一次粒子径、計測値中最小値を最小一次粒子径とし、計測値を平均することにより、平均一次粒子径を求めた。なお、TEM像の撮影倍率は任意の倍率でよいが、好ましい範囲は20,000倍から500,000倍である。
4). Average primary particle diameter of supported platinum First, in a transmission electron micrograph (also referred to as a TEM image or TEM photograph), the major axis and minor axis of the platinum particle are measured with a ruler, and the average value of the major axis and minor axis is calculated. The primary particle size was determined by dividing by the photographing magnification. Furthermore, 80 platinum particles in the TEM image were randomly extracted, and the primary particle size of all particles was measured by the above method. The maximum primary particle size among the measured values was the maximum, and the minimum value among the measured values was the minimum. The average primary particle size was determined by averaging the measured values as the primary particle size. The TEM image photographing magnification may be any magnification, but a preferable range is 20,000 times to 500,000 times.
5.白金の幾何的比表面積
下記式(iv)より、平均一次粒子径から白金の幾何的比表面積を算出した。なお、白金密度は21.45(g/cm3)、円周率は3.14とし、白金は真球であるとして計算した。
白金の幾何的比表面積=(平均一次粒子径/2)2×4×3.14/{(平均一次粒子径/2)3×(4/3)×3.14×21.45}・・・式(iv)
5. Geometric specific surface area of platinum From the following formula (iv), the geometric specific surface area of platinum was calculated from the average primary particle diameter. The calculation was performed assuming that the platinum density was 21.45 (g / cm 3 ), the circumferential ratio was 3.14, and platinum was a true sphere.
Geometric specific surface area of platinum = (average primary particle size / 2) 2 × 4 × 3.14 / {(average primary particle size / 2) 3 × (4/3) × 3.14 × 21.45} Formula (iv)
6.有効な白金の割合(利用率)
上記式(i)より求めたPtの電気化学的有効比表面積(ECSA)と上記式(iv)で求めた白金の幾何的比表面積とを用いて下記式(v)により、有効な白金の割合(利用率)を求めた。
利用率(%)=電気化学的有効比表面積(ECSA)×100(%)/白金の幾何的比表面積・・・式(v)
6). Effective platinum ratio (utilization rate)
Using the following formula (v) using the electrochemical effective specific surface area (ECSA) of Pt obtained from the above formula (i) and the geometric specific surface area of platinum obtained by the above formula (iv), the proportion of effective platinum (Utilization rate) was obtained.
Utilization rate (%) = electrochemical effective specific surface area (ECSA) × 100 (%) / geometric specific surface area of platinum Formula (v)
7.耐久性試験
前述の電気化学的有効比表面積測定と同様にして、作用極を作製した。その後も前述のサイクリックボルタモグラム測定と同様にして、初期サイクリックボルタモグラムを測定し、ECSAを求めた。その後30秒間0.6Vにて保持した後、1.0Vを3秒間、0.6Vを3秒間の6秒間を1サイクルとして、1600サイクル実施し、同様にしてサイクリックボルタモグラムを測定した。この試験を繰り返し、17600サイクルまで実施した。
耐久性試験は、実施例1、比較例4で得られた触媒について行い、また比較対象としてエヌ・イーケムキャット株式会社製50%白金担持ケッチェンブラックEC(グラフ中Pt/Cと記載)についても同様の試験を行った。
7. Durability Test A working electrode was produced in the same manner as the electrochemical effective specific surface area measurement described above. Thereafter, the initial cyclic voltammogram was measured and ECSA was determined in the same manner as the cyclic voltammogram measurement described above. Then, after holding at 0.6 V for 30 seconds, 1600 cycles were carried out with 1.0 V for 3 seconds and 0.6 V for 3 seconds for 6 seconds, and cyclic voltammograms were measured in the same manner. This test was repeated up to 17600 cycles.
The durability test was performed on the catalysts obtained in Example 1 and Comparative Example 4, and as a comparison target, 50% platinum-supported ketjen black EC (denoted as Pt / C in the graph) manufactured by N.E. A similar test was conducted.
なお、表1中、ECSA−Pt径は、以下の式(vi)によって計算される、電気化学的有効比表面積(ECSA)から計算したPtの粒子径である。
ECSA−Pt径=3×2/(ECSA×0.001×21.45)・・・式(vi)
In Table 1, ECSA-Pt diameter is the particle diameter of Pt calculated from the electrochemical effective specific surface area (ECSA) calculated by the following formula (vi).
ECSA-Pt diameter = 3 × 2 / (ECSA × 0.001 × 21.45) Formula (vi)
実施例1〜4と比較例4とを対比すると、溶媒としてイオン交換水のみを用いて析出沈殿法を用いて調製した比較例4では、得られる触媒は、利用率は高いもののPtの平均粒子径は5nm程度であったのに対し、DMF、エタノール、エチレングリコールを使用した実施例1〜4の方法で調製した触媒は、いずれもPtの平均粒子径が7nm以上と大きく、利用率も49%以上と高かった。
水溶性の低い酢酸ブチルを用いた比較例1では、白金は大きくなるものの、利用率は測定できないほど悪かったことから、得られる触媒は、担体と白金との結合性が悪いものと考えられる。
また溶媒としてイオン交換水のみを用いた比較例2、3の方法で調製した触媒は利用率が低く、塩基成分を使用した比較例3のほうが、塩基成分を使用しなかった比較例2に比べてPtの平均粒子径も小さいものであった。このことから、水と任意に混和する有機溶媒の使用と、塩基成分の使用との組み合わせに技術的意義があることが確認された。
更に耐久試験の結果から、カーボン上に白金を担持した触媒ではサイクル試験ごとにECSAが低下したが、酸化物担体に担持した白金触媒はECSA維持率が高く、特に実施例1の触媒は比較例4の微細白金担持品よりも高い耐久性を示した。
以上の結果から、本発明の製造方法で製造することで、燃料電池の触媒としての高い活性を有し、かつ触媒性能の耐久性にも優れた触媒を製造できることが確認された。
When comparing Examples 1 to 4 and Comparative Example 4, in Comparative Example 4 prepared using a precipitation method using only ion-exchanged water as a solvent, the obtained catalyst had a high utilization rate but was an average particle of Pt. Whereas the diameter was about 5 nm, the catalysts prepared by the methods of Examples 1 to 4 using DMF, ethanol, and ethylene glycol all had an average particle diameter of Pt as large as 7 nm or more, and the utilization rate was 49. It was high with more than%.
In Comparative Example 1 using butyl acetate having low water solubility, although the platinum was large, the utilization rate was so bad that it could not be measured. Therefore, the resulting catalyst is considered to have poor binding properties between the support and platinum.
Moreover, the catalyst prepared by the method of Comparative Examples 2 and 3 using only ion-exchanged water as a solvent has a lower utilization rate, and Comparative Example 3 using the base component is more in comparison with Comparative Example 2 using no base component. The average particle size of Pt was also small. From this, it was confirmed that there is technical significance in the combination of the use of an organic solvent arbitrarily mixed with water and the use of a base component.
Further, from the results of the durability test, the catalyst supporting platinum on carbon had ECSA decreased for each cycle test. However, the platinum catalyst supported on the oxide support had a high ECSA retention rate. In particular, the catalyst of Example 1 was a comparative example. 4 shows higher durability than the fine platinum-supported product.
From the above results, it was confirmed that a catalyst having high activity as a catalyst of a fuel cell and excellent in durability of catalyst performance can be produced by the production method of the present invention.
1:貴金属触媒
10:亜酸化チタン
20:白金
1: Noble metal catalyst 10: Titanium suboxide 20: Platinum
Claims (7)
該混合液を加熱する工程と、
該加熱工程の後、還元雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で焼成する工程とを含む
ことを特徴とする貴金属触媒の製造方法。 Mixing a water-soluble noble metal compound, water, a base component, an organic solvent arbitrarily mixed with water, and a conductive oxide to obtain a mixed solution;
Heating the mixture;
A method for producing a noble metal catalyst, comprising a step of calcining in a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere after the heating step.
水と任意に混和する有機溶媒と導電性酸化物とを混合して導電性酸化物分散液を得る工程と、
該貴金属水酸化物を含有する水溶液と導電性酸化物分散液とを混合して混合液を得る工程とを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の貴金属触媒の製造方法。 The mixing step is a step of mixing a water-soluble noble metal compound, water and a base component to obtain an aqueous solution containing a noble metal hydroxide;
Mixing an organic solvent arbitrarily mixed with water and a conductive oxide to obtain a conductive oxide dispersion;
The method for producing a noble metal catalyst according to claim 1, further comprising a step of mixing the aqueous solution containing the noble metal hydroxide and the conductive oxide dispersion to obtain a mixed solution.
該貴金属触媒は、担体に担持された貴金属の単体及び/又は合金の電子顕微鏡観察による平均粒子径(TEM径)が6nm以上であり、かつ、下記式で定義される触媒の利用率が45%以上であることを特徴とする貴金属触媒。
The noble metal catalyst has an average particle diameter (TEM diameter) of 6 nm or more by observation with an electron microscope of a noble metal alone and / or an alloy supported on a carrier, and a utilization rate of a catalyst defined by the following formula is 45%. A noble metal catalyst characterized by the above.
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