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JP4919309B2 - Metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction and production method thereof - Google Patents

Metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction and production method thereof Download PDF

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Description

本発明は、シリカ等の金属酸化物の表面に白金触媒を担持させた酸素還元用金属酸化物白金複合触媒およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction in which a platinum catalyst is supported on the surface of a metal oxide such as silica and a method for producing the same.

白金は、その加工性、耐熱性、耐酸化性、耐食性や電気化学特性から、装飾品だけでなく、回路接点材料、排ガス浄化用触媒、燃料電池電極用触媒、ガス改質用触媒、光触媒、太陽電池等の多種の工業用材料に利用されている。例えば、触媒として用いられる際、白金は、その目的に応じた支持体に、粒子状に担持される。また、白金は、高価な貴金属であるため、例えば触媒として利用効率を上げるべく直径1〜10nm程度のナノ粒子の形態で用いて、活性な表面積を増加することが試みられ、担体に関しても高比表面積であることが望まれている。   Platinum is not only a decorative product due to its processability, heat resistance, oxidation resistance, corrosion resistance and electrochemical characteristics, but also circuit contact materials, exhaust gas purification catalysts, fuel cell electrode catalysts, gas reforming catalysts, photocatalysts, It is used for various industrial materials such as solar cells. For example, when used as a catalyst, platinum is supported in the form of particles on a support according to the purpose. In addition, since platinum is an expensive noble metal, for example, in order to increase the utilization efficiency as a catalyst, it is attempted to increase the active surface area by using it in the form of nanoparticles having a diameter of about 1 to 10 nm. A surface area is desired.

このように、白金ナノ粒子は各種担体に担持させて用いられ、用いる担体や担持手法によって、白金触媒の有用性は大きく変わる。例えば、燃料電池用の触媒では、担体は、集電能が高く比表面積の大きい炭素粒子を用いるのが一般的であり、ナノ粒子化した白金を高分散で担持させた電極材料が用いられている。また、光触媒においても、チタニア上に白金を担持することで、触媒活性の向上が認められている。   As described above, platinum nanoparticles are used by being supported on various carriers, and the usefulness of the platinum catalyst varies greatly depending on the carrier used and the supporting method. For example, in a catalyst for a fuel cell, it is common to use carbon particles having a high current collecting ability and a large specific surface area as a carrier, and an electrode material in which nano-sized platinum is supported in a highly dispersed manner is used. . Also, in the photocatalyst, improvement in catalytic activity has been recognized by supporting platinum on titania.

しかし、例えば、炭素担体は、長期の稼動、電池の負荷変動や起動停止よる電圧の繰り返しの振幅により、酸化腐食する。加えて、高分散に担持した白金ナノ粒子は、凝集の繰り返しにより、その形態を肥大化させて、活性表面積の縮小化および初期効率の大幅な低下を引き起こす。そのため、例えば、耐食性の金属酸化物であるチタニア、アルミナ(特許文献1を参照)、シリカ(特許文献2を参照)あるいはタングステン(特許文献3を参照)のナノ粒子を炭素に複合化して担体として用いる手法が提案されている。   However, for example, the carbon support is oxidatively corroded due to long-term operation, battery load fluctuations, and repeated amplitude of voltage due to start and stop. In addition, platinum nanoparticles supported in a highly dispersed state increase in morphology due to repeated aggregation, resulting in a reduction in active surface area and a significant reduction in initial efficiency. Therefore, for example, nano particles of titania, alumina (refer to Patent Document 1), silica (refer to Patent Document 2) or tungsten (refer to Patent Document 3), which are corrosion-resistant metal oxides, are combined with carbon as a carrier. A method to use has been proposed.

特開2008−181696JP2008-181696 特開2004−363056JP 2004-363056 A 特開2005−174869JP-A-2005-174869

しかし、上記の従来技術で担体に用いられる材料は炭素であるため、カーボンフリーを実現できておらず、炭素担体に担持されている酸化物粒子は、担体の酸化腐食を抑制するに留まっている。炭素担体に替えて金属酸化物の担体を用いると、金属酸化物担体自体は導電性が低いので、その表面に白金粒子が単に分散している状態では、白金の触媒としての機能を発揮させることができない。   However, since the material used for the carrier in the above-described conventional technique is carbon, carbon-free is not realized, and the oxide particles supported on the carbon carrier only suppress the oxidative corrosion of the carrier. . If a metal oxide support is used instead of the carbon support, the metal oxide support itself has low conductivity, so that when the platinum particles are simply dispersed on the surface, the function as a platinum catalyst is exhibited. I can't.

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、担体の酸化腐食を生じず、かつ高い触媒活性を実現することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and aims to realize high catalytic activity without causing oxidative corrosion of the support.

上記目的を達成するために、本発明者らが鋭意努力した結果、腐食耐性の極めて高いシリカ、セリア、ジルコニアまたはチタニアの金属酸化物のナノ粒子に白金塩を付け、白金粒子の担持法として一般的に行われている含浸法ではなく、新規のスプレー法を用いることにより、担体の酸化腐食を生じず、かつ高い触媒活性を有する酸素還元用金属酸化物白金複合触媒を製造することに成功した。具体的には、本発明は、以下の通りである。 As a result of diligent efforts by the present inventors to achieve the above object, a platinum salt is attached to silica , ceria, zirconia or titania metal oxide nanoparticles having extremely high corrosion resistance, and is generally used as a method for supporting platinum particles. By using a new spray method instead of the impregnation method that has been used in the past, we succeeded in producing a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction that does not cause oxidative corrosion of the support and has high catalytic activity. . Specifically, the present invention is as follows.

本発明に係る酸素還元用金属酸化物白金複合触媒は、走査速度20〜100mV/sec、走査範囲0.01〜1.5V(vs.RHE)、窒素ガスで脱気した硫酸電解液中にて5〜50サイクル安定化後のサイクリックボルタンメトリーにより評価されるサイクリックボルタモグラムにおいて、0〜0.4V間のアノード電流、カソード電流の曲線に2本のピークを示す触媒である。 The metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to the present invention has a scanning speed of 20 to 100 mV / sec, a scanning range of 0.01 to 1.5 V (vs. RHE), and a sulfuric acid electrolyte degassed with nitrogen gas. In the cyclic voltammogram evaluated by cyclic voltammetry after 5 to 50 cycle stabilization, the catalyst shows two peaks in the curve of anode current and cathode current between 0 and 0.4V.

本発明に係る酸素還元用金属酸化物白金複合触媒は、走査速度5mV/sec、走査範囲1.5〜0.01V(vs.RHE)、酸素ガスで飽和した硫酸電解液中にて、回転数500〜3000rpmの条件下のリニアスイープボルタンメトリーにより評価した0.85Vの時の活性白金表面積(Electrochemical Surface Area;ECSA)当たりの活性化支配電流値(ik−s)が0.2mA/cm以上の触媒である。 The metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to the present invention has a scanning speed of 5 mV / sec, a scanning range of 1.5 to 0.01 V (vs. RHE), and the number of revolutions in a sulfuric acid electrolyte saturated with oxygen gas. Activation dominant current value (i k-s ) per active platinum surface area (ECSA) at 0.85 V evaluated by linear sweep voltammetry under conditions of 500 to 3000 rpm is 0.2 mA / cm 2 or more It is a catalyst.

本発明に係る酸素還元用金属酸化物白金複合触媒は、さらに、リニアスイープボルタンメトリーにより評価した0.85Vの時の白金質量当たりの活性化支配電流値(ik−mass)が40A/g以上の触媒である。 The metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to the present invention further has an activation dominant current value ( ik-mass ) per platinum mass of 40 A / g or more at 0.85 V evaluated by linear sweep voltammetry. It is a catalyst.

本発明に係る酸素還元用金属酸化物白金複合触媒は、走査速度50mV/sec、酸素飽和電解液中、0.6〜1.4Vの繰り返し電位走査による加速劣化試験において、40時間後の0.85Vの時の白金質量当たりの活性化支配電流値(ik−mass)が初期値の50%以上の触媒である。 The metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to the present invention has a rate of 0. 0 after 40 hours in an accelerated deterioration test by repeated potential scanning of 0.6 to 1.4 V in an oxygen saturated electrolytic solution at a scanning speed of 50 mV / sec. The catalyst has an activation dominant current value ( ik-mass ) per mass of platinum at 85 V of 50% or more of the initial value.

本発明に係る酸素還元用金属酸化物白金複合触媒の製造方法は、金属酸化物5〜95重量部と、残部となる白金95〜5重量部とを含むように、金属酸化物含有材料と白金塩とを混合して白金前駆体溶液を作製する白金前駆体溶液作製工程と、60〜200℃に加熱した基材に、白金前駆体溶液を噴霧する噴霧工程と、基材から金属酸化物と白金とを含む金属酸化物白金複合物を回収する回収工程と、回収した金属酸化物白金複合物を還元雰囲気下にて、噴霧工程時の基材の温度以上300℃以下の温度にて焼成する焼成工程とを含む。 The method for producing a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to the present invention comprises a metal oxide-containing material and platinum so as to contain 5 to 95 parts by weight of metal oxide and 95 to 5 parts by weight of platinum as the balance. A platinum precursor solution preparation step of preparing a platinum precursor solution by mixing salt, a spraying step of spraying the platinum precursor solution onto a substrate heated to 60 to 200 ° C., and a metal oxide from the substrate A recovery step of recovering the metal oxide platinum composite containing platinum, and firing the recovered metal oxide platinum composite in a reducing atmosphere at a temperature not lower than the temperature of the substrate during the spraying step and not higher than 300 ° C. Firing step.

本発明に係る酸素還元用金属酸化物白金複合触媒の製造方法は、特に、金属含有材料をコロイダルシリカとする製造方法である。 The method for producing a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to the present invention is particularly a production method in which the metal-containing material is colloidal silica.

本発明に係る酸素還元用金属酸化物白金複合触媒の製造方法は、特に、白金塩を塩化テトラアンミン白金(II)一水和物とする製造方法である。 The method for producing a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to the present invention is, in particular, a production method in which a platinum salt is tetraammineplatinum chloride (II) monohydrate.

上記の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒は、酸素還元活性に優れており、その劣化耐性も非常に優れた材料であり、従来の含浸法で作製される触媒に比して、とりわけ、白金重量あたりの酸素還元活性が高い。特に、サイクリックボルタンメトリーにより得られる酸素還元用金属酸化物白金複合触媒のボルタモグラムは、アノード、カソード電流共に0−0.4V(vs.RHE)間で特異な形状(2本のピークを有する形状)を示すような材料である。また、本発明の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒の製造方法の噴霧工程により、白金触媒が金属酸化物表面において樹状または薄板状に連接した状態で分散した形態を実現でき、もって、白金触媒の利用率を高め、また、その回収率の向上、プロセスコストの低減をも実現できる。 The above oxygen-reducing metal oxide platinum composite catalyst has excellent oxygen reduction activity, deterioration resistance is also very good material, compared to catalysts produced by conventional impregnation methods, inter alia, platinum High oxygen reduction activity per weight. In particular, the voltammogram of the metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction obtained by cyclic voltammetry has a unique shape (a shape having two peaks) between 0 and 0.4 V (vs. RHE) for both anode and cathode currents. It is the material which shows. Further, the spraying step of the method for producing a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to the present invention can realize a form in which the platinum catalyst is dispersed in a state of being connected in a dendritic or thin plate shape on the surface of the metal oxide. It is possible to increase the utilization rate of the catalyst, improve the recovery rate, and reduce the process cost.

本発明によれば、担体の酸化腐食を生じず、かつ高い触媒活性を実現することができる。   According to the present invention, high catalytic activity can be achieved without causing oxidative corrosion of the support.

図1は、白金単位質量当たりの活性化支配電流値ik−mass(A/g)および白金単位表面積当たりの活性化支配電流値ik−s(mA/cm)を算出する方法を説明するための図である。FIG. 1 illustrates a method of calculating an activation dominant current value i k-mass (A / g) per platinum unit mass and an activation dominant current value i k-s (mA / cm 2 ) per platinum unit surface area. It is a figure for doing. 図2は、サイクリックボルタンメトリー(CV)における水素脱離波から白金の活性比表面積(ECSA)を算出する方法を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a method of calculating the active specific surface area (ECSA) of platinum from hydrogen desorption waves in cyclic voltammetry (CV). 図3は、実施例1の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のCV評価結果を示すグラフである。3 is a graph showing CV evaluation results of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 1. FIG. 図4は、実施例1の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のLSV評価結果を示すグラフである。4 is a graph showing LSV evaluation results of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 1. FIG. 図5は、図4に示すグラフの一部拡大図である。FIG. 5 is a partially enlarged view of the graph shown in FIG. 図6は、実施例2の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のCV評価結果を示すグラフである。6 is a graph showing CV evaluation results of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 2. FIG. 図7は、実施例2の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のLSV評価結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing LSV evaluation results of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 2. 図8は、図7に示すグラフの一部拡大図である。FIG. 8 is a partially enlarged view of the graph shown in FIG. 図9は、実施例2の条件で作製した白金担持量50重量%の金属酸化物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。FIG. 9 is a transmission electron micrograph of a metal oxide platinum composite catalyst having a platinum loading of 50% by weight prepared under the conditions of Example 2. 図10は、実施例2の条件で作製した白金担持量75重量%の金属酸化物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。FIG. 10 is a transmission electron micrograph of a metal oxide platinum composite catalyst having a platinum loading of 75% by weight prepared under the conditions of Example 2. 図11は、実施例3の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のCV評価結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the CV evaluation results of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 3. 図12は、実施例3の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のLSV評価結果を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing LSV evaluation results of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 3. 図13は、図12に示すグラフの一部拡大図である。FIG. 13 is a partially enlarged view of the graph shown in FIG. 図14は、実施例3の条件で作製した白金担持量50重量%の金属酸化物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。FIG. 14 is a transmission electron micrograph of a metal oxide platinum composite catalyst having a platinum loading of 50% by weight produced under the conditions of Example 3. 図15は、実施例3の条件で作製した白金担持量50重量%の金属酸化物白金複合触媒の走査電子顕微鏡写真である。FIG. 15 is a scanning electron micrograph of a metal oxide platinum composite catalyst having a platinum loading of 50% by weight produced under the conditions of Example 3. 図16は、実施例4の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のCV評価結果を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing the CV evaluation results of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 4. 図17は、実施例4の条件で作製した白金担持量20重量%の金属酸化物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。FIG. 17 is a transmission electron micrograph of a metal oxide platinum composite catalyst having a platinum loading of 20% by weight prepared under the conditions of Example 4. 図18は、実施例4の条件で作製した白金担持量30重量%の金属酸化物白金複合触媒の走査電子顕微鏡写真である。FIG. 18 is a scanning electron micrograph of a metal oxide platinum composite catalyst with a platinum loading of 30 wt% produced under the conditions of Example 4. 図19は、平均粒径の異なるコロイダルシリカを用いた各金属酸化物白金複合触媒の白金担持量と活性比表面積との関係を示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing the relationship between the amount of platinum supported and the active specific surface area of each metal oxide platinum composite catalyst using colloidal silica having different average particle diameters. 図20は、平均粒径の異なるコロイダルシリカを用いた各金属酸化物白金複合触媒の白金担持量とik−sとの関係を示すグラフである。FIG. 20 is a graph showing the relationship between platinum loading and ik-s of each metal oxide platinum composite catalyst using colloidal silica having different average particle diameters. 図21は、平均粒径の異なるコロイダルシリカを用いた各金属酸化物白金複合触媒の白金担持量とik−massとの関係を示すグラフである。FIG. 21 is a graph showing the relationship between platinum loading and ik-mass of each metal oxide platinum composite catalyst using colloidal silica with different average particle diameters. 図22は、実施例5の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のCV波形を示すグラフである。FIG. 22 is a graph showing the CV waveform of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 5. 図23は、実施例5の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のLSV波形を示すグラフである。23 is a graph showing LSV waveforms of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 5. FIG. 図24は、実施例6の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のCV波形を示すグラフである。FIG. 24 is a graph showing CV waveforms of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 6. 図25は、実施例6の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のLSV波形を示すグラフである。25 is a graph showing LSV waveforms of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 6. FIG. 図26は、実施例7の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のCV波形を示すグラフである。26 is a graph showing CV waveforms of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 7. FIG. 図27は、実施例7の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のLSV波形を示すグラフである。27 is a graph showing LSV waveforms of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 7. FIG. 図28は、実施例8の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のCV波形を示すグラフである。28 is a graph showing CV waveforms of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 8. FIG. 図29は、実施例8の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のLSV波形を示すグラフである。29 is a graph showing LSV waveforms of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 8. FIG. 図30は、実施例9の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のCV波形を示すグラフである。30 is a graph showing CV waveforms of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 9. FIG. 図31は、実施例9の条件で作製した各金属酸化物白金複合触媒のLSV波形を示すグラフである。FIG. 31 is a graph showing LSV waveforms of each metal oxide platinum composite catalyst produced under the conditions of Example 9. 図32は、各金属酸化物白金複合触媒の白金担持量と活性比表面積との関係を示すグラフである。FIG. 32 is a graph showing the relationship between the amount of platinum supported and the active specific surface area of each metal oxide platinum composite catalyst. 図33は、各金属酸化物白金複合触媒の白金担持量とik−sとの関係との関係を示すグラフである。FIG. 33 is a graph showing the relationship between the amount of platinum supported by each metal oxide platinum composite catalyst and the relationship between ik-s . 図34は、平均粒径の異なる各金属酸化物白金複合触媒を用いた各金属酸化物白金複合触媒の白金担持量とik−massとの関係を示すグラフである。FIG. 34 is a graph showing the relationship between the amount of platinum supported and ik-mass of each metal oxide platinum composite catalyst using each metal oxide platinum composite catalyst having different average particle diameters. 図35は、実施例5の条件で作製した白金担持量75重量%のセリア白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。FIG. 35 is a transmission electron micrograph of a ceria platinum composite catalyst with a platinum loading of 75% by weight produced under the conditions of Example 5. 図36は、実施例9の条件で作製した白金担持量75重量%の酸化スズ白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。FIG. 36 is a transmission electron micrograph of a platinum oxide composite catalyst having a platinum loading of 75% by weight produced under the conditions of Example 9. 図37は、実施例6の条件で作製した白金担持量40重量%のジルコニア白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。FIG. 37 is a transmission electron micrograph of a zirconia platinum composite catalyst with a platinum loading of 40% by weight produced under the conditions of Example 6. 図38は、市販のPt/C触媒の低倍率の走査型顕微鏡写真である。FIG. 38 is a low-magnification scanning micrograph of a commercially available Pt / C catalyst. 図39は、市販のPt/C触媒の高倍率の走査型顕微鏡写真である。FIG. 39 is a high-magnification scanning micrograph of a commercially available Pt / C catalyst. 図40は、市販のPtCo/C触媒の低倍率の走査型顕微鏡写真である。FIG. 40 is a low-magnification scanning micrograph of a commercially available PtCo / C catalyst. 図41は、市販のPtCo/C触媒の高倍率の走査型顕微鏡写真である。FIG. 41 is a high-magnification scanning micrograph of a commercially available PtCo / C catalyst. 図42は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20および市販のPt/C触媒の各X線回折チャートである。FIG. 42 is an X-ray diffraction chart of Pt 50 wt% / PL-7, Pt 20 wt% / PL-20 and a commercially available Pt / C catalyst. 図43は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒および市販のPtCo/C触媒の各劣化試験前におけるCV評価結果を示すグラフである。FIG. 43 is a graph showing CV evaluation results before respective deterioration tests of Pt 50 wt% / PL-7, Pt 20 wt% / PL-20, a commercially available Pt / C catalyst, and a commercially available PtCo / C catalyst. 図44は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の各劣化試験の結果を示すCVチャートである。FIG. 44 is a CV chart showing the results of deterioration tests of Pt 50 wt% / PL-7, Pt 20 wt% / PL-20, a commercially available Pt / C catalyst, and a PtCo / C catalyst. 図45は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の各劣化試験の結果を示すLSVチャートである。FIG. 45 is an LSV chart showing the results of deterioration tests of Pt 50 wt% / PL-7, Pt 20 wt% / PL-20, a commercially available Pt / C catalyst, and a PtCo / C catalyst. 図46は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の劣化サイクルの時間と白金の単位質量当たりのik−mass(A/g)との関係を示すグラフである。FIG. 46 shows the deterioration cycle time of Pt50 wt% / PL-7, Pt20 wt% / PL-20, commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst and i k-mass per unit mass of platinum (A / g). It is a graph which shows the relationship. 図47は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の劣化サイクルの時間とik−mass(A/g)の変化との関係を示すグラフである。FIG. 47 shows the relationship between the deterioration cycle time of Pt50 wt% / PL-7, Pt20 wt% / PL-20, commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst and the change in ik -mass (A / g). It is a graph to show. 図48は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の試験1による試験時間と白金の活性比表面積(ECSA)との関係を示すグラフである。FIG. 48 is a graph showing the relationship between the test time and the active specific surface area (ECSA) of platinum according to Test 1 for Pt 50 wt% / PL-7, Pt 20 wt% / PL-20, commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst. It is. 図49は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の試験1による試験時間とECSAの変化率との関係を示すグラフである。FIG. 49 is a graph showing the relationship between the test time and the change rate of ECSA in Test 1 for Pt50 wt% / PL-7, Pt20 wt% / PL-20, commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst. 図50は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による各劣化試験の結果を示すCVチャートである。FIG. 50 is a CV chart showing the results of each deterioration test by Test 2 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. 図51は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による各劣化試験の結果を示すLSVチャートである。FIG. 51 is an LSV chart showing the results of each deterioration test in Test 2 for Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. 図52は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による試験時間とik−mass(A/g)との関係を示すグラフである。FIG. 52 is a graph showing the relationship between the test time according to Test 2 and ik -mass (A / g) of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. 図53は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による試験時間とik−mass(A/g)の変化との関係を示すグラフである。FIG. 53 is a graph showing the relationship between the test time of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst according to Test 2 and the change in ik -mass (A / g). 図54は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による試験時間とECSAとの関係を示すグラフである。FIG. 54 is a graph showing the relationship between ECSA and the test time according to Test 2 for Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. 図55は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による試験時間とECSAの変化率との関係を示すグラフである。FIG. 55 is a graph showing the relationship between the test time of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst according to Test 2 and the rate of change in ECSA. 図56は、Pt50wt%/PL−7の試験3による劣化試験において、各種保持電位での時間の推移によるik−mass(A/g)の変化を示すグラフである。FIG. 56 is a graph showing changes in ik -mass (A / g) with time transition at various holding potentials in the deterioration test by Test 3 of Pt50 wt% / PL-7. 図57は、市販のPt/C触媒の試験3による劣化試験において、各種保持電位での時間の推移によるik−mass(A/g)の変化を示すグラフである。FIG. 57 is a graph showing a change in ik-mass (A / g) with a transition of time at various holding potentials in a deterioration test by a test 3 of a commercially available Pt / C catalyst. 図58は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による各劣化試験の結果を示すCVチャートである。FIG. 58 is a CV chart showing the results of each deterioration test by Test 3 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. 図59は、Pt50wt%/PL−7の試験3による各劣化試験の結果を示すLSVチャートである。FIG. 59 is an LSV chart showing the results of each deterioration test in Test 3 of Pt50 wt% / PL-7. 図60は、図59のチャートの丸印近傍を拡大して示すLSVチャートである。FIG. 60 is an LSV chart in which the vicinity of the circle in the chart of FIG. 59 is enlarged. 図61は、市販のPt/C触媒の試験3による各劣化試験の結果を示すLSVチャートである。FIG. 61 is an LSV chart showing the results of each deterioration test by Test 3 of a commercially available Pt / C catalyst. 図62は、図61のチャートの丸印近傍を拡大して示すLSVチャートである。FIG. 62 is an LSV chart showing an enlargement of the vicinity of the circle in the chart of FIG. 図63は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による保持電位とik−mass(A/g)との関係を示すグラフである。FIG. 63 is a graph showing the relationship between the holding potential and ik -mass (A / g) of Test 50 for Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. 図64は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による保持電位とik−mass(A/g)の変化率との関係を示すグラフである。FIG. 64 is a graph showing the relationship between the holding potential of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst according to Test 3 and the rate of change of ik -mass (A / g). 図65は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による保持電位とECSAとの関係を示すグラフである。FIG. 65 is a graph showing the relationship between holding potential and ECSA according to Test 3 for Pt 50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. 図66は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による保持電位とECSAの変化率との関係を示すグラフである。FIG. 66 is a graph showing the relationship between the holding potential and the ECSA change rate in Test 3 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. 図67は、実施例13の各金属化合物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。67 is a transmission electron micrograph of each metal compound platinum composite catalyst of Example 13. FIG. 図68は、実施例14の各金属化合物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。68 is a transmission electron micrograph of each metal compound platinum composite catalyst of Example 14. FIG. 図69は、実施例15の各金属化合物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。69 is a transmission electron micrograph of each metal compound platinum composite catalyst of Example 15. FIG. 図70は、実施例13〜15の各金属化合物白金複合触媒のCV波形を示すグラフである。FIG. 70 is a graph showing CV waveforms of the metal compound platinum composite catalysts of Examples 13 to 15. 図71は、実施例13〜15の各金属化合物白金複合触媒のLSV波形を示すグラフである。FIG. 71 is a graph showing LSV waveforms of the metal compound platinum composite catalysts of Examples 13 to 15. 図72は、実施例16の各金属化合物白金複合触媒のCV波形を示すグラフである。72 is a graph showing CV waveforms of the respective metal compound platinum composite catalysts of Example 16. FIG. 図73は、実施例16の各金属化合物白金複合触媒のLSV波形を示すグラフである73 is a graph showing LSV waveforms of each metal compound platinum composite catalyst of Example 16. FIG. 図74は、実施例17の各金属化合物白金複合触媒のCV波形を示すグラフである。74 is a graph showing CV waveforms of the respective metal compound platinum composite catalysts of Example 17. FIG. 図75は、実施例17の各金属化合物白金複合触媒のLSV波形を示すグラフである75 is a graph showing LSV waveforms of each metal compound platinum composite catalyst of Example 17. FIG. 図76は、実施例18の各金属化合物白金複合触媒のCV波形を示すグラフである。76 is a graph showing CV waveforms of the respective metal compound platinum composite catalysts of Example 18. FIG. 図77は、実施例18の各金属化合物白金複合触媒のLSV波形を示すグラフである77 is a graph showing LSV waveforms of each metal compound platinum composite catalyst of Example 18. FIG. 図78は、実施例19の白金複合触媒についてのCV波形を示すグラフである78 is a graph showing the CV waveform for the platinum composite catalyst of Example 19. FIG. 図79は、実施例19の金属酸化物白金複合触媒についての回転電極で、回転数に応じて測定された電流値を示すグラフである。FIG. 79 is a graph showing current values measured according to the number of rotations at the rotating electrode for the metal oxide platinum composite catalyst of Example 19. 図80は、実施例20の金属酸化物白金複合触媒についてのCV波形を示すグラフであるFIG. 80 is a graph showing the CV waveform for the metal oxide platinum composite catalyst of Example 20. 図81は、実施例20の金属酸化物白金複合触媒を回転電極で測定した場合に、電圧に応じてリング電極にて測定された電流値を示すグラフである。FIG. 81 is a graph showing current values measured at the ring electrode in accordance with the voltage when the metal oxide platinum composite catalyst of Example 20 was measured at the rotating electrode. 図82は、実施例20の金属酸化物白金複合触媒を回転電極で測定した場合に、電圧に応じてディスク電極にて測定された電流値を示すグラフである。FIG. 82 is a graph showing the current value measured at the disk electrode in accordance with the voltage when the metal oxide platinum composite catalyst of Example 20 was measured at the rotating electrode. 図83は、比較例4の金属酸化物白金複合触媒回転電極で測定した場合に、担持している白金量に対して、電圧に応じてリング電極にて測定された電流値を示すグラフである。FIG. 83 is a graph showing the current value measured at the ring electrode according to the voltage with respect to the amount of platinum carried when measured with the metal oxide platinum composite catalyst rotating electrode of Comparative Example 4. . 図84は、実施例20の金属酸化物白金複合触媒を回転電極で測定した場合に、担持している白金量に対して、電圧に応じてリング電極にて測定された電流値を示すグラフである。FIG. 84 is a graph showing the current value measured at the ring electrode according to the voltage with respect to the amount of platinum carried when the metal oxide platinum composite catalyst of Example 20 was measured at the rotating electrode. is there. 図85は、実施例21の金属酸化物白金複合触媒についてのCV波形を示すグラフであるFIG. 85 is a graph showing the CV waveform for the metal oxide platinum composite catalyst of Example 21. 図86は、実施例21の金属酸化物白金複合触媒を回転電極で測定した場合に、電圧に応じてリング電極にて測定された電流値を示すグラフである。FIG. 86 is a graph showing current values measured at the ring electrode according to voltage when the metal oxide platinum composite catalyst of Example 21 was measured at the rotating electrode. 図87は、実施例21の金属酸化物白金複合触媒を回転電極で測定した場合に、電圧に応じてディスク電極にて測定された電流値を示すグラフである。FIG. 87 is a graph showing current values measured at the disk electrode in accordance with the voltage when the metal oxide platinum composite catalyst of Example 21 was measured at the rotating electrode. 図88は、実施例22の金属酸化物白金複合触媒についてのCV波形を示すグラフであるFIG. 88 is a graph showing the CV waveform for the metal oxide platinum composite catalyst of Example 22. 図89は、実施例22の金属酸化物白金複合触媒を回転電極で測定した場合に、電圧に応じてリング電極にて測定された電流値を示すグラフである。FIG. 89 is a graph showing current values measured at the ring electrode according to voltage when the metal oxide platinum composite catalyst of Example 22 was measured at the rotating electrode. 図90は、実施例22の金属酸化物白金複合触媒を回転電極で測定した場合に、電圧に応じてディスク電極にて測定された電流値を示すグラフである。FIG. 90 is a graph showing current values measured at the disk electrode in accordance with the voltage when the metal oxide platinum composite catalyst of Example 22 was measured at the rotating electrode.

次に、本発明の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒およびその製造方法の各実施の形態について説明する。なお、以後、特に言及しない限り、酸素還元用金属酸化物白金複合触媒を、単に、「金属酸化物白金複合触媒」と称する。 Next, each embodiment of the metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction of the present invention and the production method thereof will be described. Hereinafter, unless otherwise specified, the metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction is simply referred to as “metal oxide platinum composite catalyst”.

1.金属酸化物白金複合触媒
1.1 材料
金属酸化物白金複合触媒は、金属酸化物の表面に白金粒子が担持された形態を有する触媒である。金属酸化物の形態は、好適には、平均粒子径1〜1000nmの粒状物である。特に、その平均粒子径は、10〜500nmの範囲が好ましく、さらには20〜300nmが好ましい。金属酸化物の平均粒子径が大きいほど、触媒の酸素還元活性が高い傾向がある。ここで、金属酸化物の「平均粒子径」は、透過型電子顕微鏡で観察された像から計測した粒子直径(約500個)の平均値を意味する。
1. 1.1 Metal Oxide Platinum Composite Catalyst 1.1 Material A metal oxide platinum composite catalyst is a catalyst having a form in which platinum particles are supported on the surface of a metal oxide. The form of the metal oxide is preferably a granular material having an average particle diameter of 1 to 1000 nm. In particular, the average particle diameter is preferably in the range of 10 to 500 nm, more preferably 20 to 300 nm. As the average particle size of the metal oxide is larger, the oxygen reduction activity of the catalyst tends to be higher. Here, the “average particle diameter” of the metal oxide means an average value of particle diameters (about 500 particles) measured from an image observed with a transmission electron microscope.

白金は、好適には、活性比表面積2〜30m/gの樹状物である。ここで、白金の「活性比表面積(ECSA)」は、後述する図2に基づいて算出される値を意味する。白金は、2〜30m/gの活性比表面積を有し、かつ結晶性が高いのが好ましい。白金の結晶子の大きさは、好適には、10nm以上であり、さらに15〜30nm、特に19〜22nmであるのが好ましい。The platinum is preferably a dendritic material having an active specific surface area of 2 to 30 m 2 / g. Here, “active specific surface area (ECSA)” of platinum means a value calculated based on FIG. 2 described later. Platinum preferably has an active specific surface area of 2 to 30 m 2 / g and high crystallinity. The size of the platinum crystallite is preferably 10 nm or more, more preferably 15 to 30 nm, and particularly preferably 19 to 22 nm.

金属酸化物白金複合触媒は、金属酸化物粒子と白金粒子とを混合して製造することもできるが、好適には、金属酸化物を含むゾル若しくはゲル等の金属酸化物含有材料、あるいは金属アルコキシドと、白金を含む化合物(例えば、白金塩)とを混合して乾燥、焼成して製造する。   The metal oxide platinum composite catalyst can also be produced by mixing metal oxide particles and platinum particles, but is preferably a metal oxide-containing material such as a sol or gel containing a metal oxide, or a metal alkoxide. And a compound containing platinum (for example, a platinum salt), and then dried and fired.

金属酸化物白金複合触媒中に占める白金の重量は、5〜95wt%の範囲であり、製造コストの面からは、できるだけ少ないほうが好ましい。ただし、白金の担持量は、その触媒としての酸素還元活性が高いこと、白金同士が接触してネットワークを形成することも要件とするため、白金担持量は、これら要件を満たした上でできるだけ少ないのが好ましい。白金同士が接触してネットワークを形成するためには、白金が針状、網状、樹状または薄板状に連接した状態で分散した形態を実現するのが好ましい。また、金属酸化物の平均粒子径が大きいほど、白金の担持量が少量であっても、触媒として高い酸素還元活性を有する傾向がある。   The weight of platinum in the metal oxide platinum composite catalyst is in the range of 5 to 95 wt%, and is preferably as small as possible from the viewpoint of manufacturing cost. However, since the amount of platinum supported is also required to have high oxygen reduction activity as a catalyst and to form a network by contacting platinum with each other, the amount of platinum supported is as small as possible while satisfying these requirements. Is preferred. In order to form a network by bringing platinum into contact with each other, it is preferable to realize a form in which platinum is dispersed in a state of being connected in a needle shape, a net shape, a tree shape, or a thin plate shape. Further, the larger the average particle size of the metal oxide, the higher the oxygen reduction activity as a catalyst, even if the amount of platinum supported is small.

1.2 酸素還元活性能
酸素還元反応とは、O+4H+4e→6HOで示される反応であり、この反応が遅いことにより活性化過電圧を生じているとされる。したがって、酸素還元反応に対する活性能に優れている電極材料を用いれば、活性化過電圧が小さくなる。この実施の形態では、ポテンショスタット、回転ディスク電極、三極式セルを用いて、測定温度を40〜70℃の範囲内の所定温度(例えば、60℃)とし、電解液に硫酸水溶液を用いてサイクリックボルタンメトリー(CV)およびリニアスイープボルタンメトリー(LSV)を測定することにより、複合触媒の酸素還元活性を調べる。なお、作用極、参照極および対極には、それぞれ、触媒担持グラッシーカーボン、標準水素電極および白金メッシュを用いるのが好ましい。
1.2 Oxygen reduction activity ability The oxygen reduction reaction is a reaction represented by O 2 + 4H 3 O + + 4e → 6H 2 O, and it is considered that an activation overvoltage is caused by the slow reaction. Therefore, the activation overvoltage is reduced by using an electrode material that is excellent in activity for oxygen reduction reaction. In this embodiment, a potentiostat, a rotating disk electrode, and a three-electrode cell are used, and the measurement temperature is set to a predetermined temperature within a range of 40 to 70 ° C. (for example, 60 ° C.). The oxygen reduction activity of the composite catalyst is examined by measuring cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry (LSV). In addition, it is preferable to use a catalyst-supporting glassy carbon, a standard hydrogen electrode, and a platinum mesh for the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode, respectively.

CVの測定条件は、例えば、走査速度20〜100mV/sec、走査範囲0.01〜1.5V(vs.RHE)、窒素ガスで脱気した硫酸電解液中にて5〜50サイクル安定化後とするのが好ましい。また、LSVの測定条件は、例えば、走査速度3〜8mV/sec、走査範囲1.5〜0.01V(vs.RHE)、酸素ガスで飽和した硫酸電解液中にて、回転数200〜5000rpmの範囲内の所定回転数にて3〜10点測定とするのが好ましい。なお、硫酸電解液に限らず、他の酸(塩酸等)を用いた電解液を使用しても良い。   The measurement conditions for CV are, for example, a scanning speed of 20 to 100 mV / sec, a scanning range of 0.01 to 1.5 V (vs. RHE), and 5 to 50 cycles after stabilization in a sulfuric acid electrolyte degassed with nitrogen gas. Is preferable. The measurement conditions for LSV are, for example, a scanning speed of 3 to 8 mV / sec, a scanning range of 1.5 to 0.01 V (vs. RHE), a sulfuric acid electrolyte saturated with oxygen gas, and a rotational speed of 200 to 5000 rpm. It is preferable to measure 3 to 10 points at a predetermined number of revolutions within the range. In addition, you may use the electrolyte solution which uses not only a sulfuric acid electrolyte solution but another acid (hydrochloric acid etc.).

この実施の形態に係る好適な金属酸化物白金複合触媒は、走査速度20〜100mV/sec、走査範囲0.01〜1.5V(vs.RHE)、窒素ガスで脱気した硫酸電解液中にて5〜50サイクル安定化後のCVにより評価されるサイクリックボルタモグラムにおいて、0〜0.4V間のアノード電流、カソード電流の曲線に2本のピークを示す。   A suitable metal oxide platinum composite catalyst according to this embodiment has a scanning speed of 20 to 100 mV / sec, a scanning range of 0.01 to 1.5 V (vs. RHE), and a sulfuric acid electrolyte degassed with nitrogen gas. In the cyclic voltammogram evaluated by CV after 5 to 50 cycle stabilization, two peaks are shown in the curve of anode current and cathode current between 0 to 0.4V.

金属酸化物白金複合触媒の酸素還元活性能は、図1に示す方法にて、白金単位質量当たりの活性化支配電流値ik−mass(A/g)および白金単位表面積当たりの活性化支配電流値ik−s(mA/cm)を算出する。具体的な算出方法は、次の通りである。The oxygen reduction activity of the metal oxide platinum composite catalyst is determined by the method shown in FIG. 1, the activation dominant current value i k-mass (A / g) per platinum unit mass and the activation dominant current per platinum unit surface area. The value i k-s (mA / cm 2 ) is calculated. A specific calculation method is as follows.

まず、LSVの測定(電圧:0.85V)における複数の回転数の条件で得られた電流値(i)を求める。次に、横軸(X軸)にω1/2を、縦軸(Y軸)にi−1をそれぞれとったω1/2―i−1座標系に、回転数から換算した回転速度(ω、単位:rad/sec)の1/2乗の値と電流値(i、単位:A)の逆数の座標をプロットして、最近似直線を引く(Koutecky−Levichプロット)。この結果、1/i=1/i+1/0.620・n・F・A・C・D2/3・v1/6・ω1/2という式を作成することができる。ここで、n:反応電子数、F:ファラデー定数9.65×10(C/mol)、A:電極の表面積(cm)、C:活量(mol/cm)、D:拡散係数(cm/sec)、v:溶液の動粘度(cm/sec)、ω:回転速度(rad/sec)である。First, a current value (i) obtained under a plurality of rotation speed conditions in LSV measurement (voltage: 0.85 V) is obtained. Next, the rotational speed (converted from the rotational speed) into the ω 1/2 -i -1 coordinate system with ω 1/2 on the horizontal axis (X axis) and i −1 on the vertical axis (Y axis). Plot the reciprocal coordinates of the value of ½ of ω, unit: rad / sec and the current value (i, unit: A), and draw the most approximate line (Koutecky-Levic plot). As a result, an expression of 1 / i = 1 / i k + 1 / 0.620 · n · F · A · C · D 2/3 · v 1/6 · ω 1/2 can be created. Here, n: number of reaction electrons, F: Faraday constant 9.65 × 10 4 (C / mol), A: electrode surface area (cm 2 ), C: activity (mol / cm 3 ), D: diffusion coefficient (Cm 2 / sec), v: kinematic viscosity (cm 2 / sec) of the solution, and ω: rotational speed (rad / sec).

次に、上記式で特定される直線を外挿してY軸切片の値から、iを求める。このiを白金担持量(g)で除した値が白金単位質量当たりの活性化支配電流値ik−mass(A/g)である。また、iを白金の活性比表面積(cm/g)で除した値が白金単位表面積当たりの活性化支配電流値ik−s(mA/cm)である。ik−mass(A/g)およびik−s(mA/cm)が大きいほど、触媒の酸素還元活性能が高い。Next, ik is obtained from the value of the Y-axis intercept by extrapolating the straight line specified by the above equation. The i k is the amount of platinum supported activated governing current values of platinum per unit mass divided by (g) i k-mass ( A / g). Also active specific surface area of the platinum i k activation governing current values of platinum per unit surface area divided by (cm 2 / g) i k -s (mA / cm 2). The larger i k-mass (A / g) and i k-s (mA / cm 2 ), the higher the oxygen reduction activity ability of the catalyst.

この実施の形態に係る好適な金属酸化物白金複合触媒は、走査速度5mV/sec、走査範囲1.5〜0.01V(vs.RHE)、酸素ガスで飽和した硫酸電解液中にて、回転数500〜3000rpmの条件下のLSVにより評価した0.85Vの時の白金表面積当たりの活性化支配電流値が0.2mA/cm以上である。さらに好ましい金属酸化物白金複合触媒は、上記と同条件のLSVにより評価した0.85Vの時の白金質量当たりの活性化支配電流値が40A/g以上である。A suitable metal oxide platinum composite catalyst according to this embodiment is rotated in a sulfuric acid electrolyte saturated with oxygen gas at a scanning speed of 5 mV / sec, a scanning range of 1.5 to 0.01 V (vs. RHE). The activation dominant current value per platinum surface area at 0.85 V evaluated by LSV under the condition of several 500 to 3000 rpm is 0.2 mA / cm 2 or more. A more preferable metal oxide platinum composite catalyst has an activation dominant current value per platinum mass of 40 A / g or more at 0.85 V evaluated by LSV under the same conditions as described above.

また、起動停止を想定し、次のようないくつかの劣化試験(加速劣化試験)で金属酸化物白金触媒を評価するのが好ましい。一つは、走査速度:20〜100mV/sec、雰囲気:酸素ガスで飽和した硫酸電解液中、走査範囲:0.6〜1.4V(vs.RHE)の繰り返し電位走査において、10〜100時間後に上記条件でCV、LSVの評価を行い、劣化を評価する方法である。また、触媒材料に関して、酸素ガスで飽和した硫酸電解液中において、試験電極を1.2〜1.8V(vs.RHE)の範囲から与えられる任意の電位に、0.5〜3時間の範囲の所定時間保持した後、上記LSVの評価およびCVの評価を行い、劣化(安定性)を評価する方法がある。触媒材料の電位安定性を確認するために、例えば保持電位は1.3V、1.4Vおよび1.5Vのように、数点評価するのが好ましい。   Moreover, it is preferable to evaluate a metal oxide platinum catalyst by the following several deterioration tests (accelerated deterioration test) supposing start and stop. One is scanning speed: 20 to 100 mV / sec, atmosphere: sulfuric acid electrolyte saturated with oxygen gas, scanning range: 0.6 to 1.4 V (vs. RHE), 10 to 100 hours in repeated potential scanning. In this method, the CV and LSV are evaluated later under the above conditions to evaluate deterioration. In addition, with respect to the catalyst material, in a sulfuric acid electrolyte saturated with oxygen gas, the test electrode is at an arbitrary potential given from the range of 1.2 to 1.8 V (vs. RHE), in the range of 0.5 to 3 hours. There is a method of evaluating the deterioration (stability) by evaluating the LSV and the CV after holding for a predetermined time. In order to confirm the potential stability of the catalyst material, for example, the holding potential is preferably evaluated at several points such as 1.3 V, 1.4 V, and 1.5 V.

この実施の形態に係る好適な金属酸化物白金複合触媒は、走査速度50mV/sec、酸素飽和電解液中、走査範囲0.6〜1.4V(vs.RHE)の繰り返し電位走査において、40時間後の0.85Vの時の白金質量当たりの活性化支配電流値が初期値の50%以上である。   A suitable metal oxide platinum composite catalyst according to this embodiment has a scanning speed of 50 mV / sec, 40 hours in a repetitive potential scan in an oxygen saturated electrolyte solution with a scan range of 0.6 to 1.4 V (vs. RHE). The activation dominant current value per platinum mass at a later 0.85 V is 50% or more of the initial value.

2.金属酸化物白金複合触媒の製造方法
2.1 白金前駆体溶液作製工程
白金塩と、金属含有材料と、水および有機溶媒の少なくともいずれか一方とを均一になるまで混合して白金前駆体溶液を作製する。混合の際に、超音波を用いた拡散処理を行うのが好ましい。白金塩と、金属含有材料とは、複合触媒中に占める白金の重量比率が5〜95wt%となるように、より好ましくは、10〜50wt%となるように、それらの割合を適宜変えることができる。白金塩としては、ヘキサクロロ白金酸、ジニトロジアンミン白金、ジニトロジアンミン白金硝酸塩、ジニトロジアクア白金、テトラアンミン白金塩化物、塩化白金酸、塩化テトラアンミン白金(II)一水和物、ヘキサアンミン白金塩化物を適用でき、特に塩化テトラアンミン白金(II)一水和物を好適に用いることができる。この実施の形態では、各金属酸化物を蒸留水および有機溶媒の少なくとも1方またはそれらの混合溶液中に手超音波をかけて分散し、そこに蒸留水および有機溶媒の少なくとも1方またはそれらの混合溶液中にて超音波分散させた白金前駆体溶液を加えた。
2. 2. Method for Producing Metal Oxide Platinum Composite Catalyst 2.1 Platinum Precursor Solution Preparation Step A platinum salt, a metal-containing material, and at least one of water and an organic solvent are mixed until uniform to obtain a platinum precursor solution. Make it. In mixing, it is preferable to perform a diffusion treatment using ultrasonic waves. The platinum salt and the metal-containing material may be appropriately changed so that the weight ratio of platinum in the composite catalyst is 5 to 95 wt%, more preferably 10 to 50 wt%. it can. As the platinum salt, hexachloroplatinic acid, dinitrodiammine platinum, dinitrodiammine platinum nitrate, dinitrodiaquaplatinum, tetraammineplatinum chloride, chloroplatinic acid, tetraammineplatinum (II) chloride monohydrate, hexaammineplatinum chloride are used. In particular, tetraammineplatinum (II) chloride monohydrate can be suitably used. In this embodiment, each metal oxide is dispersed by hand ultrasonic waves in at least one of distilled water and an organic solvent or a mixed solution thereof, and there is at least one of distilled water and an organic solvent or a mixture thereof. A platinum precursor solution ultrasonically dispersed in the mixed solution was added.

金属酸化物の金属としては、Li,Al,Si,P,B,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Nb,Mo,Ru,Pb,Ag,Cd,In,Sn,Sb,W,Ce等を挙げることができる。酸化物としては、例えばM、A、Mx(DO、A(DO(M:金属元素、A:アルカリ金属又はランタノイド元素、D:Be,B,Si,P,Ge等)で表される酸化物であり、これらの固溶体とすることもできる。たとえば、金属酸化物として、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリアおよび酸化スズを好適に用いることができる。シリカとしては、特にコロイダルシリカを好適に用いることができる。チタニア、ジルコニア、セリアおよび酸化スズとしては、特に微粒子の分散液を好適に用いることができる。As the metal of the metal oxide, Li, Al, Si, P, B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Mo, Ru, Pb, Ag, Cd, In, Sn, Sb, W, Ce, etc. can be mentioned. Examples of oxide M x O z, A x M y O z, Mx (DO 4) y, A x M y (DO 4) z (M: metal element, A: an alkali metal or a lanthanoid element, D: Be, B, Si, P, Ge, etc.), and these solid solutions can also be used. For example, silica, titania, zirconia, ceria and tin oxide can be suitably used as the metal oxide. As silica, colloidal silica can be particularly preferably used. As titania, zirconia, ceria and tin oxide, a dispersion of fine particles can be particularly preferably used.

有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール等のアルコール類、あるいはアセトン等のケトン類を用いることができる。その中でも特に、イソプロパノールを好適に用いることができる。蒸留水と有機溶媒とを混合する場合であって、金属酸化物にシリカを用いる際には、蒸留水:有機溶媒の比率を5:5若しくは、それより有機溶媒を多くする方が好ましい。また、金属酸化物にジルコニアまたはセリアを用いる際には、蒸留水:有機溶媒の比率を4:6程度にするのが好ましい。   As the organic solvent, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, and butanol, or ketones such as acetone can be used. Of these, isopropanol can be preferably used. In the case of mixing distilled water and an organic solvent and using silica as the metal oxide, it is preferable that the ratio of distilled water: organic solvent is 5: 5 or that the organic solvent is increased. In addition, when zirconia or ceria is used as the metal oxide, the ratio of distilled water: organic solvent is preferably about 4: 6.

2.2 噴霧工程
前記工程で作製した白金前駆体溶液を噴霧容器に入れて、60〜200℃、好ましくは80〜120℃に加熱した状態の基板上に噴霧することにより、粒状あるいは塊状の金属酸化物白金複合物を得ることができる。白金前駆体溶液は、基板上にて固化し、金属酸化物白金複合物となる。基板の加熱温度は、白金前駆体溶液を固化するに十分な温度であれば、上記温度範囲外であっても良い。たとえば、白金前駆体溶液作製工程にて得られた白金前駆体溶液を、ハンドスプレーにて表面温度105℃の部分へ吹き付けてもよい。
2.2 Spraying process The platinum precursor solution prepared in the above process is put in a spray container and sprayed onto a substrate heated to 60 to 200 ° C., preferably 80 to 120 ° C. An oxide platinum composite can be obtained. The platinum precursor solution is solidified on the substrate to become a metal oxide platinum composite. The heating temperature of the substrate may be outside the above temperature range as long as the temperature is sufficient to solidify the platinum precursor solution. For example, the platinum precursor solution obtained in the platinum precursor solution preparation step may be sprayed onto a portion having a surface temperature of 105 ° C. by hand spraying.

2.3 回収工程
次に、基板を室温まで冷却した後、基板上に堆積あるいは基板に堆積しなかった金属酸化物白金複合物を回収する。基板上から堆積物を剥がす際には、好適には、シリコーン樹脂製スパチュラを用いることができる。
2.3 Recovery Step Next, after cooling the substrate to room temperature, the metal oxide platinum composite deposited on the substrate or not deposited on the substrate is recovered. When peeling the deposit from the substrate, a silicone resin spatula can be preferably used.

2.4 焼成工程
次に、回収した金属酸化物白金複合物を、還元雰囲気下にて、噴霧工程時の基板の温度より高く、300℃以下の温度で加熱する。還元ガスとして、窒素と水素の混合ガスを用いることができ、好ましくは、水素が10体積%含まれる水素/窒素混合ガスを用いる。焼成工程時の加熱温度は、金属酸化物白金複合触媒として触媒能を持つ状態になれば、上記温度範囲外であっても良い。焼成温度としては、白金の結晶度が多く、かつ微細な粒子形態を保持できる温度を選択するのが好ましい。本実施例では、得られた粉末を2時間の間、10%の水素および90%の窒素雰囲気下、200℃にて焼成した。
2.4 Firing Step Next, the recovered metal oxide platinum composite is heated at a temperature higher than the temperature of the substrate during the spraying step and not higher than 300 ° C. in a reducing atmosphere. As the reducing gas, a mixed gas of nitrogen and hydrogen can be used. Preferably, a hydrogen / nitrogen mixed gas containing 10% by volume of hydrogen is used. The heating temperature during the firing step may be outside the above temperature range as long as the metal oxide platinum composite catalyst has catalytic ability. As the firing temperature, it is preferable to select a temperature at which platinum has a high degree of crystallinity and can maintain a fine particle form. In this example, the obtained powder was calcined at 200 ° C. for 2 hours in an atmosphere of 10% hydrogen and 90% nitrogen.

1.金属酸化物白金複合触媒の製造方法
金属酸化物白金複合触媒は、以下の条件により製造した。
1. Method for producing metal oxide platinum composite catalyst The metal oxide platinum composite catalyst was produced under the following conditions.

1.1 原料
白金の原料となる白金塩には、田中貴金属工業株式会社製の塩化テトラアンミン白金(II)一水和物を用いた。金属酸化物としてのシリカ含有材料には、扶桑化学株式会社製のコロイダルシリカ(品番:PL−1、PL−3、PL−7およびPL−20)を用いた。PL−1は、平均粒子径:15nm、比重:1.07、シリカ含有率:12重量%のコロイダルシリカである。PL−3は、平均粒子径:35nm、比重:1.12、シリカ含有率:20重量%のコロイダルシリカである。PL−7は、平均粒子径:75nm、比重:1.14、シリカ含有率:23重量%のコロイダルシリカである。PL−20は、平均粒子径:220nm、比重:1.12、シリカ含有率:20重量%のコロイダルシリカである。金属酸化物としてのセリア(酸化セリウム、CeO)材料には、ビックケミー・ジャパン株式会社製のセリア分散水溶液(品番:BYK−3810、平均粒子径:10nm、比重:1.21、セリアの含有率:17.5wt%)を用いた。金属酸化物としてのジルコニア(酸化ジルコニウム、ZrO)は、シグマアルドリッチジャパン株式会社製のジルコニア分散水溶液(平均粒子径:100nm以下、ジルコニアの含有率:10wt%)を用いた。金属酸化物としてのチタニア(酸化チタン、TiO)は、石原産業株式会社製のチタニア分散水溶液(品番:STS−02、平均粒子径:7nm、チタニアの含有率35.56wt%)と、シグマアルドリッチジャパン株式会社製のチタニア分散水溶液(品番:643017、平均粒子径:75nm以下、チタニアの含有率:35wt%)とをそれぞれ用いた。金属酸化物としての酸化スズ(SnO)は、三菱マテリアル株式会社製の酸化スズ分散水溶液(品番:TDL−S、粒子径50〜85nm、比重1.16、酸化スズの含有率18wt%)を用いた。
1.1 Raw Material Tetraammineplatinum chloride (II) monohydrate manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. was used as a platinum salt as a raw material for platinum. Colloidal silica (product numbers: PL-1, PL-3, PL-7 and PL-20) manufactured by Fuso Chemical Co., Ltd. was used as the silica-containing material as the metal oxide. PL-1 is colloidal silica having an average particle diameter: 15 nm, specific gravity: 1.07, and silica content: 12% by weight. PL-3 is colloidal silica having an average particle size: 35 nm, specific gravity: 1.12, and silica content: 20% by weight. PL-7 is colloidal silica having an average particle size: 75 nm, specific gravity: 1.14, and silica content: 23% by weight. PL-20 is colloidal silica having an average particle size: 220 nm, specific gravity: 1.12, and silica content: 20% by weight. The ceria (cerium oxide, CeO 2 ) material as a metal oxide includes a ceria dispersion aqueous solution (product number: BYK-3810, average particle size: 10 nm, specific gravity: 1.21, content of ceria manufactured by Big Chemie Japan Co., Ltd. : 17.5 wt%). As the zirconia (zirconium oxide, ZrO 2 ) as the metal oxide, a zirconia dispersed aqueous solution (average particle size: 100 nm or less, zirconia content: 10 wt%) manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd. was used. Titania (titanium oxide, TiO 2 ) as a metal oxide includes titania-dispersed aqueous solution (product number: STS-02, average particle size: 7 nm, titania content: 35.56 wt%) manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd. A titania-dispersed aqueous solution (product number: 643017, average particle size: 75 nm or less, titania content: 35 wt%) manufactured by Japan Co., Ltd. was used. Tin oxide (SnO 2 ) as a metal oxide is a tin oxide dispersed aqueous solution (product number: TDL-S, particle diameter 50 to 85 nm, specific gravity 1.16, tin oxide content 18 wt%) manufactured by Mitsubishi Materials Corporation. Using.

アルコールとして、エタノール(Ethanol:EtOH)には、和光純薬工業株式会社製のものを用いた。イソプロパノール(isopropyl alcohol:IPA)には和光純薬工業株式会社製のものを用いた。イソブタノール(isobutanol:IBA)には、和光純薬工業株式会社製のものを用いた。   As the alcohol, ethanol (Ethanol: EtOH) manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used. A product manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used for isopropanol (IPA). A product manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used as isobutanol (IBA).

1.2 白金前駆体溶液作製工程
塩化テトラアンミン白金(II)一水和物0.232g、金属酸化物0.0258〜0.928g、蒸留水2.5mlおよびアルコールとしてEtOH2.5mlを混合し、超音波拡散処理を行い、白金前駆体溶液を作製した。なお、コロイダルシリカにPL−20を用い、かつPt10重量%になる条件では、EtOHの添加量を0.37ml、蒸留水の添加量を0.13mlとした。
1.2 Platinum precursor solution preparation process 0.232 g of tetraammineplatinum (II) chloride monohydrate, 0.0258-0.928 g of metal oxide, 2.5 ml of distilled water and 2.5 ml of EtOH as alcohol Sonic diffusion treatment was performed to prepare a platinum precursor solution. In addition, when PL-20 was used for colloidal silica and Pt was 10% by weight, the amount of EtOH added was 0.37 ml, and the amount of distilled water added was 0.13 ml.

1.3 噴霧工程
前記の白金前駆体溶液を、ハーダー&ステンベック社製の噴霧容器(コラーニ HA2400)に入れて、100℃に加熱した状態のガラス基板上に噴霧した。
1.3 Spraying Step The platinum precursor solution was sprayed onto a glass substrate in a state heated to 100 ° C. in a spray container (Korani HA2400) manufactured by Harder & Stenbeck.

1.4 回収工程
次に、基板を室温まで冷却した後、基板から金属酸化物白金複合物を回収した。
1.4 Recovery Step Next, after cooling the substrate to room temperature, the metal oxide platinum composite was recovered from the substrate.

1.5 焼成工程
次に、回収した金属酸化物白金複合物を、10%水素/窒素雰囲気下にて200℃に加熱した。加熱時間は2時間とした。
1.5 Firing Step Next, the recovered metal oxide platinum composite was heated to 200 ° C. in a 10% hydrogen / nitrogen atmosphere. The heating time was 2 hours.

2.評価方法
金属酸化物白金複合触媒の酸素還元活性は、サイクリックボルタンメトリー(「CV」と称する)およびリニアスイープボルタンメトリー(「LSV」と称する)という2通りの電気化学測定を行うことで評価した。また、起動停止を想定した加速劣化試験も行った。これらの電気化学測定には、北斗電工株式会社製のポテンショスタット(型式:HSV100)および回転ディスク電極制御システムと、日東計測株式会社製の三極式セルとを用いた。測定温度は、60℃とし、電解液には硫酸0.5M(pH:0.38)を用いた。電解液のpH調整は、和光純薬工業株式会社製の硫酸を蒸留水で希釈することで行った。作用極および参照極には、それぞれ、触媒10μg担持グラッシーカーボン(φ5mm、19.625mm)および株式会社ミクロ製の標準水素電極を用いた。また、対極には、株式会社ニラコ製のPtメッシュ(100メッシュ、20×30mm)を用いた。
2. Evaluation Method The oxygen reduction activity of the metal oxide platinum composite catalyst was evaluated by performing two electrochemical measurements, cyclic voltammetry (referred to as “CV”) and linear sweep voltammetry (referred to as “LSV”). In addition, an accelerated deterioration test was performed assuming start and stop. For these electrochemical measurements, a potentiostat (model: HSV100) and rotating disk electrode control system manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd. and a triode cell manufactured by Nitto Keiki Co., Ltd. were used. The measurement temperature was 60 ° C., and 0.5 M sulfuric acid (pH: 0.38) was used as the electrolyte. The pH of the electrolytic solution was adjusted by diluting sulfuric acid manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. with distilled water. As the working electrode and the reference electrode, 10 μg catalyst-supported glassy carbon (φ5 mm, 19.625 mm 2 ) and a standard hydrogen electrode manufactured by Micro Corporation were used, respectively. Further, Pt mesh (100 mesh, 20 × 30 mm) manufactured by Niraco Co., Ltd. was used for the counter electrode.

上記作用極は、次の方法により作製した。円柱状のグラッシーカーボン(底面直径:5mm)を#2000および#3000のエミリー紙(日本研紙株式会社製)を順に使用して研磨し、次に、平均粒径1μm、0.05μmのアルミナ研磨剤を順に使ってバフ研磨を5分行い鏡面に仕上げた。バフ研磨には、Engis社製の研磨機KENT3を用い、耐水研磨紙には、Buehler社製の研磨紙を使用した。鏡面研磨後、グラッシーカーボンを蒸留水に入れて2分間の超音波洗浄を行い、さらにエタノール中にて2分間の超音波洗浄を行い、最後に、蒸留水に入れて2分間の超音波洗浄を行った。その後、80℃にて1時間の乾燥を行い、デシケータに保管した。   The working electrode was produced by the following method. Polishing cylindrical glassy carbon (bottom diameter: 5 mm) using # 2000 and # 3000 Emily paper (manufactured by Nihon Kenshi Co., Ltd.) in turn, followed by alumina polishing with an average particle size of 1 μm and 0.05 μm Using the agents in order, buffing was performed for 5 minutes to finish the mirror surface. A polishing machine KENT3 manufactured by Engis was used for buffing, and a polishing paper manufactured by Buehler was used for the water-resistant polishing paper. After mirror polishing, put glassy carbon in distilled water and perform ultrasonic cleaning for 2 minutes, then perform ultrasonic cleaning in ethanol for 2 minutes, and finally put in distilled water and perform ultrasonic cleaning for 2 minutes. went. Then, it dried at 80 degreeC for 1 hour, and stored in the desiccator.

次に、ナフィオンアイオノマー(Aldrich社製の5wt%アルコール水混合溶液)1mlとエタノール300mlとを10分間の超音波処理にて十分に混合して、デシケータから取り出したグラッシーカーボンの底面に10μl供給し、25℃で1時間乾燥した。一方、焼成後の金属酸化物白金複合物10mgとエタノール水混合溶媒(エタノールと蒸留水を重量比にて9:1の割合で混合した溶媒)10mlとを30分間の超音波分散に供し、そこから10μlをとり出し、上記乾燥後のグラッシーカーボンの底面に供給した。その後、25℃で1時間乾燥し、さらに、80℃で1時間乾燥し、試験用の電極とした。   Next, 1 ml of Nafion ionomer (Aldrich 5 wt% alcohol water mixed solution) and 300 ml of ethanol are sufficiently mixed by ultrasonic treatment for 10 minutes, and 10 μl is supplied to the bottom surface of the glassy carbon taken out from the desiccator, Dried at 25 ° C. for 1 hour. On the other hand, 10 mg of the sintered metal oxide platinum composite and 10 ml of ethanol water mixed solvent (a solvent in which ethanol and distilled water are mixed at a weight ratio of 9: 1) are subjected to ultrasonic dispersion for 30 minutes. 10 μl was taken out and supplied to the bottom surface of the glassy carbon after the drying. Then, it dried at 25 degreeC for 1 hour, and also dried at 80 degreeC for 1 hour, and was set as the electrode for a test.

CVの評価条件は、走査速度:50mV/sec、走査範囲:0.02〜1.2V(vs.RHE)、雰囲気:窒素ガスで脱気した硫酸電解液中(以後、適宜、「窒素飽和雰囲気」という)とし、20サイクル安定化後に評価した。また、LSVは、走査速度:5mV/sec、走査範囲:1.05〜0.05V(vs.RHE)、雰囲気:酸素ガスで飽和した硫酸電解液中(以後、適宜、「酸素飽和雰囲気」という)とし、回転数:500、1000、1500、2000、2500、3000rpmの6条件でそれぞれ評価した。   CV evaluation conditions were: scanning speed: 50 mV / sec, scanning range: 0.02 to 1.2 V (vs. RHE), atmosphere: sulfuric acid electrolyte degassed with nitrogen gas (hereinafter referred to as “nitrogen saturated atmosphere” And evaluated after 20 cycles stabilization. The LSV is a scanning speed: 5 mV / sec, a scanning range: 1.05 to 0.05 V (vs. RHE), an atmosphere: a sulfuric acid electrolyte saturated with oxygen gas (hereinafter referred to as “oxygen saturated atmosphere” as appropriate). ) And the number of revolutions: 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 rpm, and 6 conditions, respectively.

加速劣化試験については、次の3通りの方法を採用した。
試験1:起動停止を想定し、走査速度:50mV/sec、雰囲気:酸素飽和電解液中において走査範囲:0.8〜1.3V(vs.RHE)で、20時間および40時間後に、上記CV、LSVの評価を行い、劣化を評価した。
For the accelerated deterioration test, the following three methods were adopted.
Test 1: Assuming start-stop, scanning speed: 50 mV / sec, atmosphere: oxygen-saturated electrolyte, scanning range: 0.8 to 1.3 V (vs. RHE), 20 hours and 40 hours later, the CV , LSV was evaluated to evaluate deterioration.

試験2:起動停止を想定し、走査速度:50mV/sec、雰囲気:酸素飽和電解液中において走査範囲:0.9〜1.3V(vs.RHE)で、20時間、40時間および60時間後に、上記CV、LSVの評価を行い、劣化を評価した。   Test 2: Assuming start and stop, scanning speed: 50 mV / sec, atmosphere: in oxygen-saturated electrolyte, scanning range: 0.9 to 1.3 V (vs. RHE), 20 hours, 40 hours and 60 hours later The above CV and LSV were evaluated to evaluate deterioration.

試験3:酸素飽和電解液中において、1.3V、1.4Vおよび1.5Vの3種の各定電位にて1時間保持を行った後、上記LSVの評価およびCVの評価を行い、劣化を評価した。CVの評価は、20サイクル安定化後に行うこととし、それ以外の条件は上記CVの評価条件と同一とした。   Test 3: In an oxygen-saturated electrolyte, after holding for 1 hour at three constant potentials of 1.3 V, 1.4 V, and 1.5 V, the above LSV and CV were evaluated and deteriorated. Evaluated. The CV evaluation was performed after 20 cycles stabilization, and the other conditions were the same as the CV evaluation conditions.

結晶構造解析には、株式会社リガク製のX線回折装置(型式:RINT2500HF)を用いた。測定条件は、CuKα線、走査速度:2度/min、ステップ幅:0.02度とした。また、微細構造観察には、日本電子株式会社製の透過型電子顕微鏡(型式:JEM2010)および株式会社日立製作所製の走査型電子顕微鏡(型式:S−5000)を用いた。   For the crystal structure analysis, an X-ray diffractometer (model: RINT2500HF) manufactured by Rigaku Corporation was used. The measurement conditions were CuKα line, scanning speed: 2 degrees / min, and step width: 0.02 degrees. For observation of the fine structure, a transmission electron microscope (model: JEM2010) manufactured by JEOL Ltd. and a scanning electron microscope (model: S-5000) manufactured by Hitachi, Ltd. were used.

白金活性比表面積(ECSA)は、CVにおける水素脱離波から算出した。具体的には、図1に示す斜線部分の面積(積分値)を水素の単分子吸着層脱離に要する電荷量 Q(μC)とし、白金単位面積当たりにおける吸着水素の電荷量 を210(μC/cm)として、白金活性比表面積=Q/(210×白金担持量)から求めた。The platinum active specific surface area (ECSA) was calculated from the hydrogen desorption wave in CV. Specifically, the area (integrated value) of the hatched portion shown in FIG. 1 is the charge amount Q H (μC) required for desorption of the monomolecular adsorption layer of hydrogen, and the charge amount of adsorbed hydrogen per unit area of platinum is 210 ( μC / cm 2 ) was determined from platinum active specific surface area = Q H / (210 × platinum supported amount).

金属酸化物白金複合触媒の過酸化水素の発生に関する定量的な評価は、回転リングディスク電極(RRDE)を用いて行った。CV測定を行った後のLSV測定時に触媒から発生する過酸化水素を、周囲の白金リング電極(幅1mm、ディスク電極との間隔0.5mm)で補足した際に流れる電流値を随時記録した。評価する触媒は作用極であるグラッシーカーボンディスク(φ6mm、28.26mm)に所定量担持した。これらの電気化学測定には、EcoChemie B.V.社製のデュアルポテンショスタット(型式:AUTOLAB)および北斗電工株式会社製の回転ディスク電極制御システムと、日東計測株式会社製の三極式セルとを用いた。測定温度は、60℃とし、電解液には過塩素酸水溶液0.1Mを用いた。電解液の濃度調整は、和光純薬工業株式会社製の過塩素酸(精密分析用)を蒸留水で希釈することで行った。参照極にはミクロ製の標準水素電極を用いた。また、対極には、株式会社ニラコ製のPtメッシュ(100メッシュ、20×30mm)を用いた。Quantitative evaluation on the generation of hydrogen peroxide of the metal oxide platinum composite catalyst was performed using a rotating ring disk electrode (RRDE). The value of the current flowing when hydrogen peroxide generated from the catalyst at the time of LSV measurement after CV measurement was supplemented by the surrounding platinum ring electrode (width 1 mm, interval 0.5 mm from the disk electrode) was recorded as needed. A predetermined amount of the catalyst to be evaluated was supported on a glassy carbon disk (φ6 mm, 28.26 mm 2 ) as a working electrode. For these electrochemical measurements, EcoChemie B. et al. V. A dual potentiostat (model: AUTOLAB) manufactured by the company, a rotating disk electrode control system manufactured by Hokuto Denko Corporation, and a triode cell manufactured by Nitto Keiki Co., Ltd. were used. The measurement temperature was 60 ° C., and 0.1 M perchloric acid aqueous solution was used as the electrolyte. The concentration of the electrolytic solution was adjusted by diluting perchloric acid (for precision analysis) manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. with distilled water. A micro standard hydrogen electrode was used as the reference electrode. Further, Pt mesh (100 mesh, 20 × 30 mm) manufactured by Niraco Co., Ltd. was used for the counter electrode.

金属酸化物白金複合触媒の過酸化水素の発生に関する評価のためのCVでは、走査速度:50mV/sec、走査範囲:0.02〜1.2V(vs.RHE)、雰囲気:窒素ガスで脱気した過塩素酸電解液中(以後、適宜、「窒素飽和雰囲気」という)とし、20サイクル安定化後に評価した。また、LSVは、走査速度:5mV/sec、走査範囲:1.05〜0.05V(vs.RHE)、雰囲気:酸素ガスで飽和した過塩素酸電解液中(以後、適宜、「酸素飽和雰囲気」という)とし、回転数:2000rpmで行った。この際、リング電極の電位を1.0V(vs.RHE)に調整し、この電極上での反応により流れる電流の数値を記録した。   In the CV for evaluating the generation of hydrogen peroxide of the metal oxide platinum composite catalyst, the scanning speed is 50 mV / sec, the scanning range is 0.02 to 1.2 V (vs. RHE), and the atmosphere is degassed with nitrogen gas. The perchloric acid electrolyte (hereinafter referred to as “nitrogen-saturated atmosphere” as appropriate) was evaluated after 20 cycles of stabilization. In addition, LSV is a scanning speed: 5 mV / sec, scanning range: 1.05-0.05 V (vs. RHE), atmosphere: perchloric acid electrolyte saturated with oxygen gas (hereinafter referred to as “oxygen saturated atmosphere” And the rotation speed was 2000 rpm. At this time, the potential of the ring electrode was adjusted to 1.0 V (vs. RHE), and the numerical value of the current flowing by the reaction on this electrode was recorded.

3.製造条件および評価結果
3.1 酸素還元活性試験
「実施例1」
コロイダルシリカに、平均粒径15nmのPL−1を用いて、白金担持量が35、43、75および90重量%となるように金属酸化物白金複合触媒を作製した。
3. Production conditions and evaluation results 3.1 Oxygen reduction activity test "Example 1"
Using colloidal silica, PL-1 having an average particle size of 15 nm, a metal oxide platinum composite catalyst was prepared so that the supported amount of platinum was 35, 43, 75, and 90% by weight.

表1に、金属酸化物白金複合触媒の特性を示す。図3に、CVの評価結果を示す。また、図4および図5に、LSVの評価結果のグラフおよびその一部拡大図を、それぞれ示す。   Table 1 shows the characteristics of the metal oxide platinum composite catalyst. FIG. 3 shows the evaluation results of CV. 4 and 5 show a graph of the LSV evaluation results and a partially enlarged view thereof, respectively.

表1に示すように、白金の担持量が増加するに伴い、白金活性比表面積、ik−massが大きくなることがわかった。また、ik−sは、白金担持量35wt%の場合を除き、0.2mA/cm以上であった。さらに、図3に示すように、白金担持量を問わず、アノード、カソード電流が、共に、0〜0.3V(vs.RHE)間で2つのピークを持つ特異な形状を示し、白金担持量の増加に伴いその形状が顕著になった。このように、2つの大きなピークを持つということは、水素が脱離する主な電位が2つ存在し、かつ白金の表面積が大きいことを意味する。白金の結晶面により水素脱離エネルギーが異なることから、この実施例にて製造した金属酸化物白金複合触媒は、主に2つの結晶面を有する表面積の大きな白金を担持したものであると考えられる。また、図4および図5に示すように、白金担持量の増加に伴い、酸素還元開始電位が高電位側にシフトすることがわかった。これらの結果から、コロイダルシリカにPL−1を用いた場合には、白金担持量が90重量%で酸素還元活性が最大になることがわかった。As shown in Table 1, it was found that the platinum active specific surface area and ik-mass increase as the amount of platinum supported increases. Moreover, ik-s was 0.2 mA / cm 2 or more except for the case where the platinum loading was 35 wt%. Further, as shown in FIG. 3, regardless of the amount of platinum supported, the anode and cathode currents both show a unique shape having two peaks between 0 and 0.3 V (vs. RHE). The shape became remarkable with the increase of. Thus, having two large peaks means that there are two main potentials at which hydrogen is desorbed, and the surface area of platinum is large. Since the hydrogen desorption energy differs depending on the crystal plane of platinum, it is considered that the metal oxide platinum composite catalyst produced in this example was mainly supported by platinum having two crystal planes and a large surface area. . Further, as shown in FIGS. 4 and 5, it was found that the oxygen reduction starting potential shifts to the high potential side with an increase in the amount of platinum supported. From these results, it was found that when PL-1 was used for colloidal silica, the oxygen reduction activity was maximized at a platinum loading of 90% by weight.

「実施例2」
コロイダルシリカに、平均粒径35nmのPL−3を用いて、白金担持量が50、70、75および80重量%となるように金属酸化物白金複合触媒を作製した。
"Example 2"
A metal oxide platinum composite catalyst was prepared by using PL-3 having an average particle diameter of 35 nm on colloidal silica so that the platinum loading was 50, 70, 75 and 80 wt%.

表2に、金属酸化物白金複合触媒の特性を示す。図6に、CVの評価結果を示す。また、図7および図8に、LSVの評価結果のグラフおよびその一部拡大図を、それぞれ示す。   Table 2 shows the characteristics of the metal oxide platinum composite catalyst. FIG. 6 shows CV evaluation results. 7 and 8 show a graph of LSV evaluation results and a partially enlarged view thereof, respectively.

表2に示すように、白金の担持量が75重量%で白金活性比表面積、ik−massが最大になることがわかった。その最大値は、40A/gを超えた。また、ik−sは、白金担持量50〜80wt%の全てにおいて0.2mA/cm以上であった。さらに、図6に示すように、白金担持量を問わず、アノード、カソード電流が、共に、0〜0.3V (vs.RHE)間で2つのピークを持つ特異な形状を示し、白金担持量が75重量%でその形状が最も顕著になった。さらに、図7および図8に示すように、白金担持量が75重量%で、酸素還元開始電位が最も高電位側にシフトし、80重量%になると酸素還元開始電位が逆に低くなることがわかった。これらの結果から、コロイダルシリカにPL−3を用いた場合には、白金担持量が75重量%で酸素還元活性が最大になることがわかった。As shown in Table 2, it was found that the platinum active specific surface area and ik-mass were maximized when the supported amount of platinum was 75% by weight. The maximum value exceeded 40 A / g. Moreover, i k-s was 0.2 mA / cm 2 or more in all of the platinum loading of 50 to 80 wt%. Furthermore, as shown in FIG. 6, regardless of the amount of platinum supported, the anode and cathode currents both show a unique shape having two peaks between 0 and 0.3 V (vs. RHE). Was 75% by weight, and the shape became most prominent. Further, as shown in FIGS. 7 and 8, when the platinum loading is 75% by weight, the oxygen reduction start potential shifts to the highest potential side, and when it reaches 80% by weight, the oxygen reduction start potential may be lowered. all right. From these results, it was found that when PL-3 was used as colloidal silica, the oxygen reduction activity was maximized at a platinum loading of 75% by weight.

図9および図10は、それぞれ、白金担持量50重量%および75重量%の各金属酸化物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。   9 and 10 are transmission electron micrographs of the respective metal oxide platinum composite catalysts having platinum loadings of 50 wt% and 75 wt%, respectively.

いずれの金属酸化物白金複合触媒も、白金とシリカとがナノレベルで混合した状態であることがわかった。   All the metal oxide platinum composite catalysts were found to be in a state where platinum and silica were mixed at the nano level.

「実施例3」
コロイダルシリカに、平均粒径75nmのPL−7を用いて、白金担持量が40、50、62.5および75重量%となるように金属酸化物白金複合触媒を作製した。
"Example 3"
A metal oxide platinum composite catalyst was prepared by using PL-7 with colloidal silica having an average particle diameter of 75 nm so that the supported amount of platinum was 40, 50, 62.5, and 75% by weight.

表3に、金属酸化物白金複合触媒の特性を示す。図11に、CVの評価結果を示す。また、図12および図13に、LSVの評価結果のグラフおよびその一部拡大図を、それぞれ示す。   Table 3 shows the characteristics of the metal oxide platinum composite catalyst. FIG. 11 shows CV evaluation results. 12 and 13 show a graph of LSV evaluation results and a partially enlarged view thereof, respectively.

表3に示すように、白金の担持量が50重量%で白金活性比表面積、ik−massが最大になることがわかった。その最大値は、40A/gを超えた。また、ik−sは、白金担持量40〜75wt%の全てにおいて0.2mA/cm以上であった。さらに、図11に示すように、白金担持量を問わず、アノード、カソード電流が、共に、0〜0.3V(vs.RHE)間で2つのピークを持つ特異な形状を示し、白金担持量が50重量%でその形状が最も顕著になった。さらに、図12および図13に示すように、白金担持量が50重量%で、酸素還元開始電位が最も高電位側にシフトし、62.5重量%になると酸素還元開始電位が逆に低くなることがわかった。これらの結果から、コロイダルシリカにPL−7を用いた場合には、白金担持量が50重量%で酸素還元活性が最大になることがわかった。As shown in Table 3, it was found that the platinum active specific surface area and ik-mass were maximized when the supported amount of platinum was 50% by weight. The maximum value exceeded 40 A / g. Moreover, i k-s was 0.2 mA / cm 2 or more in all of the platinum loading of 40 to 75 wt%. Furthermore, as shown in FIG. 11, regardless of the amount of platinum supported, the anode and cathode currents both show a unique shape having two peaks between 0 and 0.3 V (vs. RHE). Was 50% by weight, and the shape became most prominent. Furthermore, as shown in FIGS. 12 and 13, when the amount of platinum supported is 50% by weight, the oxygen reduction start potential shifts to the highest potential side, and when it reaches 62.5% by weight, the oxygen reduction start potential decreases. I understood it. From these results, it was found that when PL-7 was used as colloidal silica, the oxygen reduction activity was maximized at a platinum loading of 50% by weight.

図14および図15は、それぞれ、白金担持量50重量%の金属酸化物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真および走査電子顕微鏡写真である。   14 and 15 are a transmission electron micrograph and a scanning electron micrograph of a metal oxide platinum composite catalyst having a platinum loading of 50% by weight, respectively.

図14および図15に示すように、平均粒径75nmのコロイダルシリカ(PL−7)を用いた金属酸化物白金複合触媒は、シリカの粒子表面に白金ナノ粒子が樹状に絡みついた形態を有していることがわかった。   As shown in FIGS. 14 and 15, the metal oxide platinum composite catalyst using colloidal silica (PL-7) having an average particle diameter of 75 nm has a form in which platinum nanoparticles are entangled in a dendritic manner on the surface of the silica particles. I found out.

「実施例4」
コロイダルシリカに、平均粒径220nmのPL−20を用いて、白金担持量が10、20、30、40および50重量%となるように金属酸化物白金複合触媒を作製した。
Example 4
A metal oxide platinum composite catalyst was prepared using PL-20 with colloidal silica having an average particle diameter of 220 nm so that the supported amount of platinum was 10, 20, 30, 40 and 50% by weight.

表4に、金属酸化物白金複合触媒の特性を示す。図16に、CVの評価結果を示す。また、図17および図18に、それぞれ、白金担持量20重量%の金属酸化物白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真および白金担持量30重量%の金属酸化物白金複合触媒の走査電子顕微鏡写真である。   Table 4 shows the characteristics of the metal oxide platinum composite catalyst. FIG. 16 shows CV evaluation results. FIGS. 17 and 18 are a transmission electron micrograph of a metal oxide platinum composite catalyst having a platinum loading amount of 20% by weight and a scanning electron micrograph of a metal oxide platinum composite catalyst having a platinum load of 30% by weight, respectively. .

表4に示すように、白金の担持量が10重量%で白金活性比表面積、ik−massが最大になることがわかった。ik−massは、白金担持量50wt%の場合を除き、40A/gを超えた。また、ik−sは、白金担持量10〜50wt%の全てにおいて0.2mA/cm以上であった。さらに、図16に示すように、白金担持量10重量%以上にて、アノード、カソード電流が、共に、0〜0.3V(vs.RHE)間で2つのピークを持つ特異な形状を示した。ただし、白金担持量10重量%では、3つのピークが出現する場合もあり、若干不安定であった。また、図17および図18に示すように、平均粒径220nmのコロイダルシリカ(PL−20)を用いた金属酸化物白金複合触媒は、実施例3と同様、シリカの粒子表面に白金ナノ粒子が樹状に絡みついた形態を有していることがわかった。SEMおよびTEM観察の結果、各実施例における他の金属酸化物白金複合触媒も、同様に、白金粒子がシリカ粒子表面において樹状に連接して絡みついた形態を有していた。As shown in Table 4, it was found that the platinum active specific surface area and ik-mass were maximized when the supported amount of platinum was 10% by weight. The i k-mass exceeded 40 A / g except in the case of a platinum loading of 50 wt%. Moreover, i k-s was 0.2 mA / cm 2 or more in all of platinum loadings of 10 to 50 wt%. Furthermore, as shown in FIG. 16, when the amount of platinum supported was 10% by weight or more, both the anode and cathode currents showed a unique shape having two peaks between 0 and 0.3 V (vs. RHE). . However, at a platinum loading of 10% by weight, three peaks sometimes appeared and were slightly unstable. As shown in FIGS. 17 and 18, the metal oxide platinum composite catalyst using colloidal silica (PL-20) having an average particle size of 220 nm has platinum nanoparticles on the surface of the silica particles as in Example 3. It was found to have a tangled form. As a result of SEM and TEM observations, the other metal oxide platinum composite catalysts in the respective examples also had a form in which platinum particles were entangled in a dendritic manner on the silica particle surface.

「実施例1〜4のまとめ」
平均粒径の異なるコロイダルシリカを用いた各金属酸化物白金複合触媒の白金担持量、活性比白金質量ik−massおよび活性比白金表面積ik−sの関係を、それぞれ図19、図20および図21に示す。
"Summary of Examples 1-4"
Platinum content of each metal oxide platinum composite catalyst using different colloidal silica of average particle diameter, the relationship between the activity ratio platinum mass i k-mass and activity ratio platinum surface area i k-s, respectively 19, 20 and It shows in FIG.

コロイダルシリカ中のシリカの平均粒径が大きくなると、酸素還元活性のピークが白金担持量の低い側にシフトし、かつ絶対値も大きくなる傾向があることがわかった。この結果から、シリカとして平均粒径の比較的大きいものを使用することにより、白金の添加量を低減できることがわかった。   It was found that when the average particle size of silica in the colloidal silica increases, the peak of oxygen reduction activity tends to shift to a lower platinum loading amount and the absolute value tends to increase. From this result, it was found that the amount of platinum added can be reduced by using silica having a relatively large average particle diameter.

「実施例5〜9」
実施例5〜9では、表5の各金属酸化物を担体として用いた。具体的には、実施例5では、担体としてセリアを用いて、白金担持量を30,40,50,75,90wt%とした各試料について測定した。実施例6では、担体としてジルコニアを用いて白金担持量を30,40,50,75wt%とした各試料について測定した。た。実施例7では、担体として石原産業株式会社製チタニアを用いて、白金担持量を50,75,90wt%とした各試料について測定した。実施例8では、担体としてシグマアルドリッチジャパン株式会社製チタニアを用いて、白金担持量を50wt%および75wt%とした各試料について測定した。実施例9では、担体として酸化スズを用いて、白金担持量を50wt%および75wt%とした各試料について測定した。
"Examples 5 to 9"
In Examples 5 to 9, each metal oxide in Table 5 was used as a support. Specifically, in Example 5, measurement was performed for each sample using ceria as a carrier and platinum loadings of 30, 40, 50, 75, and 90 wt%. In Example 6, measurement was performed on each sample using zirconia as a carrier and platinum loadings of 30, 40, 50, and 75 wt%. It was. In Example 7, the measurement was performed for each sample with titania supported by Ishihara Sangyo Co., Ltd. and platinum loadings of 50, 75, and 90 wt%. In Example 8, measurement was performed on each sample with platinum loadings of 50 wt% and 75 wt% using Sigma Aldrich Japan Co., Ltd. titania as a carrier. In Example 9, measurement was performed on each sample using tin oxide as a carrier and having platinum loadings of 50 wt% and 75 wt%.

表6に、実施例5〜9の各金属酸化物白金複合触媒の特性を示す。また、実施例5〜9について得られたCVの波形を図22,24,26,28,30にそれぞれ示す。実施例5〜9について得られたLSVの波形を図23,25,27,29,31にそれぞれ示す。   In Table 6, the characteristic of each metal oxide platinum composite catalyst of Examples 5-9 is shown. Moreover, the waveform of CV obtained about Examples 5-9 is shown to FIG.22,24,26,28,30, respectively. The LSV waveforms obtained for Examples 5 to 9 are shown in FIGS. 23, 25, 27, 29, and 31, respectively.

「実施例5〜9のまとめ」
図22,24,26,28,30のCV波形に示すように、シリカ以外の金属酸化物を担体として用いた場合、アノード、カソード電流において、共に、0〜0.3V (vs.RHE)間で2つのピークを持つ特異な形状を示していた。また、各金属酸化物を担体として用いた各金属酸化物白金複合触媒の白金担持量あたりの活性化支配電流値ik−massおよび活性比表面積あたりの活性化支配電流値ik−sとの関係を、それぞれ図32、図33および図34に示す。
"Summary of Examples 5-9"
As shown in the CV waveforms of FIGS. 22, 24, 26, 28, and 30, when a metal oxide other than silica is used as the support, the anode and cathode currents are both 0 to 0.3 V (vs. RHE). It showed a unique shape with two peaks. Further, the activation dominant current value i k-mass per platinum supported amount of each metal oxide platinum composite catalyst using each metal oxide as a carrier and the activation dominant current value i k-s per active specific surface area The relationships are shown in FIGS. 32, 33 and 34, respectively.

表6に示すように、担体として、セリアおよびジルコニアを用いた場合には、担持する白金の割合が大きくなると、酸素還元活性は低くなる傾向があり、質量比で50%を下回る白金量で活性のピークがあることがわかった。また、シグマアルドリッチジャパン株式会社製のチタニアを担体として用いた場合には、白金の比率にかかわらず白金活性比表面積が増大する傾向に至らなかった。一方、石原産業株式会社製のチタニアを担体として用いた場合には50wt%以上の白金を担持することにより活性の向上を確認できた。酸化スズは導電性を有する金属酸化物であるが、これを担体とした場合でも同様に白金の酸素還元能を確認できた。これらの結果から、シリカ以外の電気伝導性を有さない金属酸化物(セリア、チタニア、ジルコニア)を担体として用いた材料も、白金の酸素還元活性能を発現できる触媒であることがわかった。   As shown in Table 6, when ceria and zirconia are used as the carrier, the oxygen reduction activity tends to decrease as the proportion of platinum carried increases, and the activity is reduced at a platinum amount of less than 50% by mass ratio. It was found that there was a peak. In addition, when titania manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd. was used as a carrier, the platinum active specific surface area did not tend to increase regardless of the ratio of platinum. On the other hand, when titania manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd. was used as the carrier, it was confirmed that the activity was improved by supporting 50 wt% or more of platinum. Tin oxide is a conductive metal oxide, but even when it was used as a support, the oxygen reducing ability of platinum could be confirmed. From these results, it was found that a material using a metal oxide having no electrical conductivity other than silica (ceria, titania, zirconia) as a carrier is also a catalyst capable of expressing the oxygen reduction activity of platinum.

図35〜37は、それぞれ、白金担持量75重量%のセリア白金複合触媒、白金担持量75%の酸化スズ白金副合触媒および白金担持量40%のジルコニア白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真である。   FIGS. 35 to 37 are transmission electron micrographs of a ceria platinum composite catalyst having a platinum loading of 75% by weight, a tin oxide platinum secondary catalyst having a platinum loading of 75%, and a zirconia platinum composite catalyst having a platinum loading of 40%, respectively. .

いずれの金属酸化物白金複合触媒も、白金と金属酸化物とがナノレベルで混合した状態であることがわかった。また、担体がセリアの場合、樹状に担体を覆う白金は、比較的線形であった。また、担体がジルコニアの場合、樹状に担体を覆う白金の枝状部分はより網目状に張り巡らされていた。   All metal oxide platinum composite catalysts were found to be in a state where platinum and metal oxide were mixed at the nano level. When the carrier was ceria, platinum covering the carrier in a dendritic manner was relatively linear. Further, when the carrier is zirconia, the platinum branch-like portions covering the carrier in a dendritic manner are stretched more like a mesh.

3.2 酸素還元活性の加速劣化試験
「実施例10」
金属酸化物として、コロイダルシリカにPL−7を用いた白金担持量50重量%の金属酸化物白金複合触媒(Pt50wt%/PL−7)およびコロイダルシリカにPL−20を用いた白金担持量20重量%の金属酸化物白金複合触媒(Pt20wt%/PL−20)の酸素還元活性の劣化を評価した。評価は、既述の3種類の試験方法の内、試験1を用いて行った。
3.2 Accelerated degradation test of oxygen reduction activity “Example 10”
Metal oxide platinum composite catalyst (Pt50 wt% / PL-7) with 50 wt% platinum support using PL-7 as colloidal silica and 20 wt% platinum support using PL-20 as colloidal silica. % Of the metal oxide platinum composite catalyst (Pt20 wt% / PL-20) was evaluated for deterioration in oxygen reduction activity. The evaluation was performed using Test 1 out of the three test methods described above.

「比較例1」
実施例10の評価対象とした金属酸化物白金複合触媒との比較として、カーボン粒子に白金粒子を担持させた市販のPt/C触媒(田中貴金属工業株式会社製、TEC10E50E、Pt46.4wt%)およびカーボン粒子に白金粒子およびコバルト粒子を担持させた市販のPtCo/C触媒(田中貴金属工業株式会社製、TEC36E52、Pt46.5wt%、Co4.7wt%)を用いた。
“Comparative Example 1”
As a comparison with the metal oxide platinum composite catalyst that was evaluated in Example 10, a commercially available Pt / C catalyst (made by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, Pt46.4 wt%) in which platinum particles are supported on carbon particles and A commercially available PtCo / C catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC36E52, Pt 46.5 wt%, Co 4.7 wt%) in which platinum particles and cobalt particles are supported on carbon particles was used.

図38および図39は、それぞれ、市販のPt/C触媒の低倍率および高倍率の走査型顕微鏡写真である。図40および図41は、それぞれ、市販のPtCo/C触媒の低倍率および高倍率の走査型顕微鏡写真である。   FIGS. 38 and 39 are low and high magnification scanning micrographs of a commercially available Pt / C catalyst, respectively. 40 and 41 are scanning micrographs of a commercially available PtCo / C catalyst at low and high magnification, respectively.

上記走査型顕微鏡写真から明らかなように、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒は、いずれも、カーボン粒子に白金微粒子が個々に分散担持した形態を有しており、実施例1〜4の金属酸化物白金複合触媒のように、担体表面に白金微粒子が樹状につながった形態ではない。   As is apparent from the above scanning micrograph, the commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst both have a form in which platinum fine particles are individually dispersed and supported on carbon particles. Examples 1-4 As in the case of the metal oxide platinum composite catalyst, platinum particles are not in a dendritic form on the support surface.

図42は、Pt50wt%/PL−3、Pt50wt%/PL−7、Pt50wt%/PL−20、Pt20wt%/PL−20および市販のPt/C触媒の各X線回折チャートである。   FIG. 42 is an X-ray diffraction chart of Pt 50 wt% / PL-3, Pt 50 wt% / PL-7, Pt 50 wt% / PL-20, Pt 20 wt% / PL-20 and a commercially available Pt / C catalyst.

図42に示すX線回折像の比較から、金属酸化物白金複合触媒は、市販の触媒に比べて、極めて高い結晶性を有する白金を担持したものであることがわかった。また、Pt(111)面のピーク(2θ=39°付近)の半値幅から、Scherrer式「D=Kλ/βcosθ、D:結晶子径、K:0.94、λ:X線の波長(ここでは、1.54056オングストローム)、β=半値幅(rad)−0.14×π/180(rad)」を用いて、結晶子径(nm)を算出した。その結果、Pt50wt%/PL−3の結晶子径=19.1nm、Pt50wt%/PL−7の結晶子径=21.3nm、Pt50wt%/PL−20の結晶子径=21.6nm、Pt20wt%/PL−20の結晶子径=21.9nmおよび市販のPt/C触媒の結晶子径=2.5nmであった。   From the comparison of the X-ray diffraction images shown in FIG. 42, it was found that the metal oxide platinum composite catalyst supported platinum having extremely high crystallinity as compared with a commercially available catalyst. Further, from the half width of the peak (around 2θ = 39 °) on the Pt (111) plane, the Scherrer equation “D = Kλ / βcos θ, D: crystallite diameter, K: 0.94, λ: wavelength of X-ray (here Then, the crystallite diameter (nm) was calculated using “1.54056 angstrom) and β = half-value width (rad) −0.14 × π / 180 (rad)”. As a result, the crystallite diameter of Pt50wt% / PL-3 = 19.1nm, the crystallite diameter of Pt50wt% / PL-7 = 21.3nm, the crystallite diameter of Pt50wt% / PL-20 = 21.6nm, Pt20wt% / PL-20 crystallite size = 21.9 nm and commercially available Pt / C catalyst crystallite size = 2.5 nm.

表7に、金属酸化物白金複合触媒および市販の触媒の特性を示す。図43に、劣化試験前のCVの評価結果を示す。   Table 7 shows the characteristics of the metal oxide platinum composite catalyst and the commercially available catalyst. FIG. 43 shows the evaluation results of CV before the deterioration test.

表7に示すように、Pt50wt%/PL−7およびPt20wt%/PL−20の金属酸化物白金複合触媒は、市販の触媒に比べて、白金の活性比表面積および白金の単位質量当たりの活性化支配電流値であるik−mass(A/g)が小さいが、白金の単位表面積当たりの活性化支配電流値であるik−s(mA/cm)は大きく、0.2mA/cmを超えていた。また、劣化試験前のCVを比較すると、Pt50wt%/PL−7およびPt20wt%/PL−20の金属酸化物白金複合触媒は、アノード、カソード電流が、共に、0〜0.3V (vs.RHE)間で2つのピークを持つ特異な形状を示していたが、市販の触媒では、明確な2つのピークを持つ形状は認められなかった。これら2つのピークは、水素脱離ピークである。As shown in Table 7, the Pt 50 wt% / PL-7 and Pt 20 wt% / PL-20 metal oxide platinum composite catalysts were compared with the commercially available catalysts in the active specific surface area of platinum and the activation per unit mass of platinum. Although i k-mass (A / g), which is the dominant current value, is small, i k-s (mA / cm 2 ), which is the activation dominant current value per unit surface area of platinum, is large, 0.2 mA / cm 2. It was over. Further, when comparing the CV before the deterioration test, the metal oxide platinum composite catalyst of Pt 50 wt% / PL-7 and Pt 20 wt% / PL-20 has both anode and cathode currents of 0 to 0.3 V (vs. RHE). ) Showed a peculiar shape with two peaks, but no shape having two distinct peaks was found in the commercially available catalyst. These two peaks are hydrogen desorption peaks.

図44は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の試験1による各劣化試験の結果を示すCVチャートである。また、図45は、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の試験1による各劣化試験の結果を示すLSVチャートである。   FIG. 44 is a CV chart showing the results of each deterioration test according to Test 1 for Pt50 wt% / PL-7, Pt20 wt% / PL-20, a commercially available Pt / C catalyst, and a PtCo / C catalyst. FIG. 45 is an LSV chart showing the results of each deterioration test according to Test 1 for Pt50 wt% / PL-7, Pt20 wt% / PL-20, a commercially available Pt / C catalyst, and a PtCo / C catalyst.

図44に示すように、Pt50wt%/PL−7(A)およびPt20wt%/PL−20(B)は、市販のPt/C触媒(C)およびPtCo/C触媒(D)に比べて、試験時間に対する水素吸脱着ピークの変化が小さかった。また、図45に示すように、Pt50wt%/PL−7(A)およびPt20wt%/PL−20(B)は、市販のPt/C触媒(C)およびPtCo/C触媒(D)に比べて、試験時間に対する酸素還元開始電位の低電位側(図45の左側)へのシフトが小さかった。この結果から、Pt50wt%/PL−7およびPt20wt%/PL−20は、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒に比べて、耐久性に優れた触媒であると考えられる。   As shown in FIG. 44, Pt 50 wt% / PL-7 (A) and Pt 20 wt% / PL-20 (B) were tested compared to commercially available Pt / C catalyst (C) and PtCo / C catalyst (D). The change in the hydrogen adsorption / desorption peak with respect to time was small. Further, as shown in FIG. 45, Pt 50 wt% / PL-7 (A) and Pt 20 wt% / PL-20 (B) are compared with commercially available Pt / C catalyst (C) and PtCo / C catalyst (D). The shift of the oxygen reduction starting potential to the low potential side (left side of FIG. 45) with respect to the test time was small. From these results, it is considered that Pt50 wt% / PL-7 and Pt20 wt% / PL-20 are excellent catalysts compared to commercially available Pt / C catalysts and PtCo / C catalysts.

表8〜11に、それぞれ、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の試験1による試験時間の推移に応じた各種特性の変化を示す。また、図46および図47は、それぞれ、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の試験1による試験時間とik−mass(A/g)との関係および試験時間とik−mass(A/g)の変化との関係を示すグラフである。図48および図49は、それぞれ、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒の試験1による試験時間と活性比表面積(ECSAという)との関係および試験時間とECSAの変化率との関係を示すグラフである。Tables 8 to 11 show changes in various characteristics according to the transition of the test time according to Test 1 of Pt50 wt% / PL-7, Pt20 wt% / PL-20, commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst, respectively. . FIG. 46 and FIG. 47 show the test time and ik -mass (A / P) for Pt 50 wt% / PL-7, Pt 20 wt% / PL-20, commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst, respectively. It is a graph which shows the relationship between g) and a test time, and the change of ik-mass (A / g). 48 and 49 show the test time and the active specific surface area (referred to as ECSA) according to Test 1 of Pt 50 wt% / PL-7, Pt 20 wt% / PL-20, commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst, respectively. It is a graph which shows the relationship between a relationship and test time, and the change rate of ECSA.

表8〜11、図46および図47に示すように、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒は、試験時間が長くなるに従い酸素還元活性が大きく低下するのに対して、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20は、酸素還元活性の低下が小さく、初期値に対して50%以上を維持しており、耐久性に優れていることがわかる。また、表6〜9、図48および図49に示すように、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒は、試験時間が長くなるに従い白金の活性比表面積が大きく低下するのに対して、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20は、活性比表面積の低下が小さく、形態が大きく変わらないと考えられる。以上の試験1に示す加速劣化試験後においても、Pt50wt%/PL−7、Pt20wt%/PL−20は活性比表面積(ECSA)の変化が小さく、白金の性能を回復する処理(電位走査等)により、その酸素還元活性は初期値に近い値まで回復させることも可能であると考えられる。一方、市販のPt/C触媒およびPtCo/C触媒は、白金粒子の粒子径が大きく変化しており、白金の性能を回復させる処理を行った場合においても、初期の酸素還元活性を回復できないと考えられる。   As shown in Tables 8 to 11 and FIGS. 46 and 47, the commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst showed a significant decrease in oxygen reduction activity as the test time increased, whereas Pt 50 wt% / PL It can be seen that −7, Pt20 wt% / PL-20 has a small decrease in oxygen reduction activity, maintains 50% or more of the initial value, and is excellent in durability. In addition, as shown in Tables 6 to 9, FIG. 48 and FIG. 49, the commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst greatly decrease the active specific surface area of platinum as the test time increases. Pt50 wt% / PL-7 and Pt20 wt% / PL-20 are considered to have a small decrease in active specific surface area and do not change greatly in form. Even after the accelerated deterioration test shown in Test 1 above, Pt50 wt% / PL-7 and Pt20 wt% / PL-20 have a small change in active specific surface area (ECSA) and recover the performance of platinum (potential scanning, etc.) Therefore, it is considered that the oxygen reduction activity can be recovered to a value close to the initial value. On the other hand, the commercially available Pt / C catalyst and PtCo / C catalyst have a large change in the particle size of platinum particles, and even when treatment for recovering the performance of platinum is performed, the initial oxygen reduction activity cannot be recovered. Conceivable.

「実施例11」
コロイダルシリカにPL−7を用いた白金担持量50重量%の金属酸化物白金複合触媒(Pt50wt%/PL−7)の酸素還元活性の劣化を評価した。評価は、既述の3種類の試験方法の内、試験2を用いて行った。
"Example 11"
Degradation of oxygen reduction activity of a metal oxide platinum composite catalyst (Pt 50 wt% / PL-7) having a platinum loading of 50 wt% using PL-7 as colloidal silica was evaluated. The evaluation was performed using Test 2 out of the three test methods described above.

「比較例2」
実施例11の評価対象とした金属酸化物白金複合触媒との比較として、カーボン粒子に白金粒子を担持させた市販のPt/C触媒(田中貴金属工業株式会社製、TEC10E50E、Pt46.4wt%)を用いた。
"Comparative Example 2"
As a comparison with the metal oxide platinum composite catalyst as an evaluation target of Example 11, a commercially available Pt / C catalyst (made by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, Pt46.4 wt%) in which platinum particles are supported on carbon particles is used. Using.

図50は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による各劣化試験の結果を示すCVチャートである。また、図51は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による各劣化試験の結果を示すLSVチャートである。   FIG. 50 is a CV chart showing the results of each deterioration test by Test 2 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. FIG. 51 is an LSV chart showing the results of the respective deterioration tests by Test 2 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst.

図50に示すように、Pt50wt%/PL−7(A)は、市販のPt/C触媒(B)に比べて、試験時間に対する水素吸脱着ピークの形状の変化が小さかった。また、図51に示すように、Pt50wt%/PL−7(A)は、市販のPt/C触媒(B)に比べて、試験時間に対する酸素還元開始電位の低電位側(図51の左側)へのシフトが小さかった。この結果から、Pt50wt%/PL−7は、市販のPt/C触媒に比べて、白金粒子の形状の変化が小さく、耐久性に優れた触媒であると考えられる。   As shown in FIG. 50, the change in the shape of the hydrogen adsorption / desorption peak with respect to the test time was small in Pt 50 wt% / PL-7 (A) compared to the commercially available Pt / C catalyst (B). In addition, as shown in FIG. 51, Pt50 wt% / PL-7 (A) is lower than the commercially available Pt / C catalyst (B) on the lower potential side of the oxygen reduction start potential with respect to the test time (left side of FIG. 51). The shift to was small. From this result, it is considered that Pt50 wt% / PL-7 is a catalyst having a small change in the shape of platinum particles and excellent in durability as compared with a commercially available Pt / C catalyst.

表12および表13に、それぞれ、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による試験時間の推移に応じた各種特性の変化を示す。また、図52および図53は、それぞれ、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による試験時間とik−mass(A/g)との関係および試験時間とik−mass(A/g)の変化との関係を示すグラフである。図54および図55は、それぞれ、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験2による試験時間とECSAとの関係および試験時間とECSAの変化率との関係を示すグラフである。Tables 12 and 13 show changes in various characteristics according to the transition of the test time according to Test 2 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst, respectively. FIG. 52 and FIG. 53 show the relationship between the test time by test 2 and i k-mass (A / g) of Pt 50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst, and the test time and i k−, respectively. It is a graph which shows the relationship with the change of mass (A / g). FIGS. 54 and 55 are graphs showing the relationship between the test time and ECSA, and the relationship between the test time and the ECSA change rate, respectively, according to Test 2 for Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst.

表12、表13、図52および図53に示すように、市販のPt/C触媒は、試験時間が長くなるに従い酸素還元活性が大きく低下するのに対して、Pt50wt%/PL−7は、酸素還元活性の低下が小さく、初期値に対して60%以上を維持しており、耐久性に優れていることがわかる。また、表12、表13、図54および図55に示すように、市販のPt/C触媒は、試験時間が長くなるに従い白金の活性比表面積が大きく低下するのに対して、Pt50wt%/PL−7は、活性比表面積の低下が小さく、形態が大きく変わらないと考えられる。以上の試験2に示す加速劣化試験後においても、Pt50wt%/PL−7は活性比表面積(ECSA)の変化が小さく、白金の性能を回復する処理(電位走査等)により、その酸素還元活性は初期値に近い値まで回復させることも可能であると考えられる。一方、市販のPt/C触媒は加速劣化試験によって、白金粒子の粒子径が大きく変化しており、白金の性能を回復させる処理を行った場合においても、初期の酸素還元活性を回復できないと考えられる。   As shown in Table 12, Table 13, FIG. 52, and FIG. 53, the commercially available Pt / C catalyst greatly decreases the oxygen reduction activity as the test time becomes longer, whereas Pt 50 wt% / PL-7 It can be seen that the decrease in oxygen reduction activity is small, maintaining 60% or more of the initial value, and excellent in durability. Further, as shown in Table 12, Table 13, FIG. 54, and FIG. 55, the commercially available Pt / C catalyst has a Pt 50 wt% / PL while the active specific surface area of platinum greatly decreases as the test time increases. -7 is considered that the decrease in active specific surface area is small and the form does not change greatly. Even after the accelerated deterioration test shown in Test 2 above, Pt50 wt% / PL-7 has a small change in the active specific surface area (ECSA), and the oxygen reduction activity of the Pt50 wt% / PL-7 is reduced by treatment (potential scanning, etc.) that restores the platinum performance It is considered possible to recover to a value close to the initial value. On the other hand, the commercially available Pt / C catalyst has a large change in the particle size of the platinum particles by the accelerated deterioration test, and it is considered that the initial oxygen reduction activity cannot be recovered even when the treatment for recovering the performance of platinum is performed. It is done.

「実施例12」
実施例11と同様、コロイダルシリカにPL−7を用いた白金担持量50重量%の金属酸化物白金複合触媒(Pt50wt%/PL−7)の酸素還元活性の劣化を評価した。評価は、既述の3種類の試験方法の内、試験3を用いて行った。
"Example 12"
In the same manner as in Example 11, the deterioration of the oxygen reduction activity of a platinum oxide composite catalyst (Pt50 wt% / PL-7) having a platinum loading of 50 wt% using PL-7 as colloidal silica was evaluated. Evaluation was performed using Test 3 out of the three test methods described above.

「比較例3」
実施例12の評価対象とした金属酸化物白金複合触媒との比較として、比較例2と同様、カーボン粒子に白金粒子を担持させた市販のPt/C触媒(田中貴金属工業株式会社製、TEC10E50E、Pt46.4wt%)を用いた。
“Comparative Example 3”
As a comparison with the metal oxide platinum composite catalyst used as the evaluation target of Example 12, as in Comparative Example 2, a commercially available Pt / C catalyst in which platinum particles are supported on carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, Pt 46.4 wt%) was used.

図56および図57は、それぞれ、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による劣化試験において、各種保持電位での時間の推移によるik−mass(A/g)の変化を示すグラフである。FIG. 56 and FIG. 57 show changes in ik -mass (A / g) depending on the transition of time at various holding potentials in the deterioration test by Test 3 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst, respectively. It is a graph which shows.

図56と図57を比較して明らかなように、1.3V、1.4Vおよび1.5Vの全ての保持電位において、Pt50wt%/PL−7は、市販のPt/C触媒に比べて、ik−mass(A/g)の変化が小さかった。また、市販のPt/C触媒は、保持電位が大きくなると流れる電流も大きくなった。このことから、市販のPt/C触媒の場合には、流れる電流値に、炭素担体の腐食電流が含まれるものと考えられる。As is clear from comparison between FIG. 56 and FIG. 57, at all holding potentials of 1.3 V, 1.4 V, and 1.5 V, Pt50 wt% / PL-7 is compared to the commercially available Pt / C catalyst. The change in i k-mass (A / g) was small. In addition, with the commercially available Pt / C catalyst, the flowing current increased as the holding potential increased. From this, in the case of a commercially available Pt / C catalyst, the flowing current value is considered to include the corrosion current of the carbon support.

図58は、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による各劣化試験の結果を示すCVチャートである。また、図59および図60は、Pt50wt%/PL−7の試験3による各劣化試験の結果を示すLSVチャートおよびその一部の拡大チャートである。図61および図62は、市販のPt/C触媒の試験3による各劣化試験の結果を示すLSVチャートおよびその一部の拡大チャートである。   FIG. 58 is a CV chart showing the results of each deterioration test by Test 3 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst. FIG. 59 and FIG. 60 are an LSV chart showing a result of each deterioration test by the test 3 of Pt50 wt% / PL-7 and a partial enlarged chart thereof. 61 and 62 are an LSV chart showing a result of each deterioration test by Test 3 of a commercially available Pt / C catalyst and a partial enlarged chart thereof.

図58に示すように、Pt50wt%/PL−7(A)は、市販のPt/C触媒(B)に比べて、初期に比べて定電位保持後の水素吸脱着ピークの変化が小さかった。また、図59〜図62に示すように、Pt50wt%/PL−7は、市販のPt/C触媒に比べて、1.5V保持後に酸素還元開始電位が低電位側にシフトする程度が小さかった。この結果から、Pt50wt%/PL−7は、市販のPt/C触媒に比べて、白金粒子の形状の変化が小さく、耐久性に優れた触媒であると考えられる。   As shown in FIG. 58, Pt 50 wt% / PL-7 (A) had a smaller change in the hydrogen adsorption / desorption peak after holding the constant potential than the initial Pt / C catalyst (B). In addition, as shown in FIGS. 59 to 62, Pt50 wt% / PL-7 had a smaller degree of shift of the oxygen reduction starting potential to the lower potential side after holding 1.5 V, as compared with the commercially available Pt / C catalyst. . From this result, it is considered that Pt50 wt% / PL-7 is a catalyst having a small change in the shape of platinum particles and excellent in durability as compared with a commercially available Pt / C catalyst.

表14および表15に、それぞれ、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による定電位保持後の各種特性の変化を示す。また、図63および図64は、それぞれ、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による保持電位とik−mass(A/g)との関係および保持電位とik−mass(A/g)の変化率との関係を示すグラフである。図65および図66は、それぞれ、Pt50wt%/PL−7および市販のPt/C触媒の試験3による保持電位とECSAとの関係および保持電位とECSAの変化率との関係を示すグラフである。Tables 14 and 15 show changes in various characteristics after holding a constant potential according to Test 3 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst, respectively. FIG. 63 and FIG. 64 show the relationship between the holding potential and i k-mass (A / g) of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst according to Test 3, and the holding potential and i k−, respectively. It is a graph which shows the relationship with the change rate of mass (A / g). FIG. 65 and FIG. 66 are graphs showing the relationship between the holding potential and ECSA and the relationship between the holding potential and the ECSA change rate according to Test 3 of Pt50 wt% / PL-7 and a commercially available Pt / C catalyst, respectively.

表14、表15、図63および図64に示すように、市販のPt/C触媒は、Pt50wt%/PL−7に比べて、保持電位が大きくなるに従い酸素還元活性が大きく低下するのに対して、Pt50wt%/PL−7は、酸素還元活性の低下が小さく、保持電位1.5Vでも初期に対して80%以上を維持しており、耐久性に優れていることがわかる。また、表14、表15、図65および図66に示すように、市販のPt/C触媒は、保持電位が大きくなるに従い白金の活性比表面積が大きく低下するのに対して、Pt50wt%/PL−7は、活性比表面積の低下が小さかった。このことから、Pt50wt%/PL−7は、保持電位が大きくなっても、白金の形態が大きく変わらないと考えられる。以上の過負荷試験後においても、Pt50wt%/PL−7は活性比表面積(ECSA)の変化が小さく、白金の性能を回復する処理(電位走査等)により、その酸素還元活性は初期値に近い値まで回復させることも可能であると考えられる。一方、市販のPt/C触媒は、過負荷試験によって白金粒子の粒子径が大きく変化しており、白金の性能を回復させる処理を行った場合においても、初期の酸素還元活性を回復できないと考えられる。   As shown in Table 14, Table 15, FIG. 63, and FIG. 64, the commercially available Pt / C catalyst has a significant decrease in oxygen reduction activity as the holding potential increases compared to Pt 50 wt% / PL-7. Thus, it can be seen that Pt50 wt% / PL-7 has a small decrease in oxygen reduction activity, maintains 80% or more of the initial value even at a holding potential of 1.5 V, and is excellent in durability. Moreover, as shown in Table 14, Table 15, FIG. 65, and FIG. 66, the commercially available Pt / C catalyst has a Pt 50 wt% / PL while the active specific surface area of platinum greatly decreases as the holding potential increases. In -7, the decrease in the active specific surface area was small. From this, it is considered that Pt50 wt% / PL-7 does not greatly change the form of platinum even when the holding potential is increased. Even after the above overload test, Pt 50 wt% / PL-7 has a small change in the active specific surface area (ECSA), and the oxygen reduction activity is close to the initial value by the treatment for recovering the performance of platinum (such as potential scanning). It is considered possible to recover to the value. On the other hand, the commercially available Pt / C catalyst has a large change in the particle size of the platinum particles due to the overload test, and it is considered that the initial oxygen reduction activity cannot be recovered even when treatment for recovering the performance of platinum is performed. It is done.

4.金属酸化物白金触媒の分散溶媒の検討および評価結果
「実施例13〜15」
実施例13〜15では、表9に示すように、白金前駆体溶液を作製または金属酸化物を分散する際に添加する溶媒に含まれるアルコールの種類に、それぞれ、EtOH、IPAおよびIBAを用いて作製した触媒の酸素活性の評価を行った。溶媒は、アルコールと水とから主に成り、アルコールは、水と同量とした。また、担体としては、シリカ(PL−7)を用いた。表16に、実施例13〜15の各金属酸化物白金複合触媒の特性を示す。また、実施例13〜15のシリカ白金複合触媒の透過電子顕微鏡写真を図67〜69にそれぞれ示す。実施例13〜15の各金属化合物白金複合触媒のCV波形を図70に示す。また、実施例13〜15の各金属化合物白金複合触媒のLSV波形を図71に示す。
4). Examination and Evaluation Results of Dispersion Solvent of Metal Oxide Platinum Catalyst “Examples 13 to 15”
In Examples 13 to 15, as shown in Table 9, EtOH, IPA and IBA were used as the types of alcohols contained in the solvent added when preparing the platinum precursor solution or dispersing the metal oxide, respectively. The oxygen activity of the produced catalyst was evaluated. The solvent was mainly composed of alcohol and water, and the amount of alcohol was the same as that of water. Further, silica (PL-7) was used as the carrier. In Table 16, the characteristic of each metal oxide platinum composite catalyst of Examples 13-15 is shown. In addition, transmission electron micrographs of the silica platinum composite catalysts of Examples 13 to 15 are shown in FIGS. The CV waveforms of the metal compound platinum composite catalysts of Examples 13 to 15 are shown in FIG. Moreover, the LSV waveform of each metal compound platinum composite catalyst of Examples 13-15 is shown in FIG.

「実施例16〜18」
表16の触媒活性比白金表面積ik−sに示されるように、溶媒としてIPAを用いた場合の金属化合物白金複合触媒の酸素還元活性が、最も高かった。
"Examples 16 to 18"
As shown in the catalytic activity specific platinum surface area ik-s in Table 16, the oxygen reduction activity of the metal compound platinum composite catalyst when IPA was used as the solvent was the highest.

次に、白金前駆体溶液を作製または金属酸化物を分散する際に添加する溶媒としてIPAを用いて、そのIPAと水との混合比を検討した。表17に示すように、実施例16では、担体としてシリカ(PL−7)を用いた。実施例17では、担体としてセリアを用いた。実施例18では、担体としてジルコニアを用いた。また、実施例16〜18の金属酸化物白金複合触媒のCV波形を、図72,74,76にそれぞれ示す。実施例16〜18の金属酸化物白金複合触媒のLSV波形を図73,75,77にそれぞれ示す。   Next, IPA was used as a solvent to be added when preparing the platinum precursor solution or dispersing the metal oxide, and the mixing ratio of the IPA and water was examined. As shown in Table 17, in Example 16, silica (PL-7) was used as a carrier. In Example 17, ceria was used as a carrier. In Example 18, zirconia was used as the carrier. 72, 74, and 76 show the CV waveforms of the metal oxide platinum composite catalysts of Examples 16 to 18, respectively. 73, 75, and 77 show the LSV waveforms of the metal oxide platinum composite catalysts of Examples 16 to 18, respectively.

表17に示すように、白金担持量が同じであっても、溶媒の構成により酸素還元活性が異なることがわかった。実施例16のik−massを比較すると、担体としてシリカを用いた場合、HOと同量よりも多いIPAを用いた場合、酸素還元活性に優れていた。また、実施例17より、担体としてセリアを用いた場合、混合比を変えたHOとIPAによる酸素還元活性への影響は見られなかった。さらに、実施例18より、担体としてジルコニアを用いた場合、HOと同量よりも多いIPAを添加した場合、最も高い酸素還元活性を示した。As shown in Table 17, it was found that even when the platinum loading was the same, the oxygen reduction activity was different depending on the solvent composition. Comparing the ik-mass of Example 16, when silica was used as the support, when IPA more than the same amount as H 2 O was used, the oxygen reduction activity was excellent. Further, from Example 17, when ceria was used as the carrier, no influence on the oxygen reduction activity by H 2 O and IPA with different mixing ratios was observed. Furthermore, from Example 18, when zirconia was used as the carrier, the highest oxygen reduction activity was exhibited when more IPA than H 2 O was added.

「実施例13〜18のまとめ」
実施例13〜15より、溶媒として用いるアルコールの種類により、金属化合物白金複合触媒の酸素還元活性が変化することがわかった。特に、溶媒としてIPAを用いた場合の金属化合物白金複合触媒の酸素還元活性が、最も高かった。また、実施例16〜18より、最も高い酸素還元活性を示す溶媒として用いるアルコールと水との比は、各担体の種類により決定されることがわかった。特に、担体としてシリカのPL−7およびジルコニアを用いた場合には、水に対してIPAの量が多いほど高い酸素還元活性を示した。
"Summary of Examples 13-18"
From Examples 13-15, it turned out that the oxygen reduction activity of a metal compound platinum composite catalyst changes with kinds of alcohol used as a solvent. In particular, the oxygen reduction activity of the metal compound platinum composite catalyst when IPA was used as the solvent was the highest. Moreover, from Examples 16-18, it turned out that the ratio of alcohol and water used as a solvent which shows the highest oxygen reduction activity is determined by the kind of each support | carrier. In particular, when silica PL-7 and zirconia were used as carriers, the higher the amount of IPA relative to water, the higher the oxygen reduction activity.

5.乾燥方法の検討および評価
「実施例19」
実施例19では、白金前駆体溶液作製工程にて得られた白金前駆体溶液を、ハンドスプレーで表面温度105℃の部分へ吹き付けるのではなく、設定温度105℃のスプレードライヤー(型式:SD−1、東京理化器械株式会社製)を用いて金属酸化物白金複合触媒を作製した。担体としては、シリカ(PL−7)を用いた。図78に、実施例19の白金複合触媒についてのCV波形を示す。図79に、実施例19の金属酸化物白金複合触媒についての回転電極で、回転数に応じて測定された電流値を示す。また、図78のCVから求められた実施例19の特性を表18に示す。
5. Examination and Evaluation of Drying Method “Example 19”
In Example 19, the platinum precursor solution obtained in the platinum precursor solution preparation step is not sprayed onto the portion having a surface temperature of 105 ° C. by hand spraying, but a spray dryer (model: SD-1) having a set temperature of 105 ° C. , Manufactured by Tokyo Rika Kikai Co., Ltd.) to produce a metal oxide platinum composite catalyst. Silica (PL-7) was used as the carrier. FIG. 78 shows the CV waveform for the platinum composite catalyst of Example 19. In FIG. 79, the electric current value measured according to rotation speed with the rotating electrode about the metal oxide platinum composite catalyst of Example 19 is shown. Table 18 shows the characteristics of Example 19 obtained from CV in FIG.

表17の結果と、実施例16の結果とを比較すると、スプレードライヤーを用いても、ハンドスプレーを用いても、ik−massの変化はなかった。したがって、スプレードライヤーを用いても、ハンドスプレーを用いた場合と同程度の活性を有する金属酸化物白金複合触媒を作製できた。When the results of Table 17 and the results of Example 16 were compared, there was no change in ik-mass using either a spray dryer or a hand spray. Therefore, even when a spray dryer was used, a metal oxide platinum composite catalyst having the same level of activity as when hand spray was used could be produced.

6.H生成量評価
たとえば、燃料電池では、酸素還元時の副生成物として過酸化水素(H)の発生が確認されている。Hの発生により、電解質膜(パーフルオロスルホン酸系膜など)が腐食あるいは破壊されるという問題がある。メンテナンスコストを低減し、あるいは装置寿命を向上するために、周辺部材の腐食あるいは破壊の原因となるHの発生量を小さくできる白金触媒が求められている。したがって、以下、Hの生成量について評価した。
6). Evaluation of H 2 O 2 Production Amount For example, in fuel cells, it has been confirmed that hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated as a byproduct during oxygen reduction. Due to the generation of H 2 O 2 , there is a problem that an electrolyte membrane (such as a perfluorosulfonic acid membrane) is corroded or broken. In order to reduce the maintenance cost or improve the life of the apparatus, there is a need for a platinum catalyst that can reduce the amount of H 2 O 2 that causes corrosion or destruction of peripheral members. Therefore, hereinafter, the amount of H 2 O 2 produced was evaluated.

「実施例20」
実施例20では、白金前駆体溶液を作製または金属酸化物を分散する際に添加する溶媒としてIPAとHOとの比がIPA:HO=7:3の金属酸化物白金複合触媒を作製した。評価する触媒重量を、0.5μg,1μg,2.5μg,5μg,10μg,15μgおよび25μgに変化させて、RRDEによりHの生成を評価した。実施例20の金属酸化物白金複合触媒についてのCV波形を図80に示す。図81に、実施例20の触媒を用いて回転電極によりLSV測定を行った場合に、リング電極にて検出した電流値を、評価した触媒重量に応じて測定した結果を示す。図82には、実施例20の触媒を用いて回転電極によりLSV測定を行った場合に、ディスク電極にて検出した電流値を、評価した触媒重量に応じて測定した結果を示す。なお、図82の縦軸方向上方へ向かうほどHの生成量が増加する傾向がある。
"Example 20"
In Example 20, the ratio of IPA and H 2 O as a solvent to be added upon dispersing the prepared or metal oxide of a platinum precursor solution IPA: H 2 O = 7: 3 of metal oxide platinum composite catalyst Produced. The catalyst weight to be evaluated was changed to 0.5 μg, 1 μg, 2.5 μg, 5 μg, 10 μg, 15 μg and 25 μg, and the production of H 2 O 2 was evaluated by RRDE. The CV waveform for the metal oxide platinum composite catalyst of Example 20 is shown in FIG. FIG. 81 shows the results of measuring the current value detected by the ring electrode in accordance with the evaluated catalyst weight when LSV measurement was performed with the rotating electrode using the catalyst of Example 20. FIG. 82 shows the results of measuring the current value detected at the disk electrode according to the evaluated catalyst weight when LSV measurement was performed with the rotating electrode using the catalyst of Example 20. Note that the amount of H 2 O 2 generated tends to increase as it goes upward in the vertical axis direction of FIG.

[比較例4]
比較例4では、実施例20の金属酸化物白金複合触媒との比較として、カーボン粒子に白金粒子を担持させた市販のPt/C触媒(田中貴金属工業株式会社製、TEC10E50E、Pt46.4wt%)を用いた。図83は、比較例4の触媒を用いて回転電極によりLSV測定を行った場合に、リング電極にて検出した電流値を測定した結果である。横軸が白金担持量、縦軸がリング電極にて検出された電流値である。図84は、実施例20の触媒について測定した図83と同様のグラフである。
[Comparative Example 4]
In Comparative Example 4, as a comparison with the metal oxide platinum composite catalyst of Example 20, a commercially available Pt / C catalyst having platinum particles supported on carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, Pt 46.4 wt%) Was used. FIG. 83 shows the result of measuring the current value detected by the ring electrode when LSV measurement was performed by the rotating electrode using the catalyst of Comparative Example 4. The horizontal axis represents the amount of platinum supported, and the vertical axis represents the current value detected by the ring electrode. 84 is a graph similar to FIG. 83 measured for the catalyst of Example 20. FIG.

図84では、回転ディスク電極の電位が0.6V以上の場合、捕捉電流値が担体としての炭素に白金を担持させた市販の触媒と比較して、Hの発生量が4分の1だった。したがって、実施例20の金属酸化物白金複合触媒は、比較例4の触媒よりも、Hの発生量が少なく、好ましいものとなった。In FIG. 84, when the potential of the rotating disk electrode is 0.6 V or more, the amount of H 2 O 2 generated is 4 minutes compared to a commercially available catalyst in which platinum is supported on carbon as a carrier. It was 1. Therefore, the metal oxide platinum composite catalyst of Example 20 was less preferable than the catalyst of Comparative Example 4, and the amount of H 2 O 2 generated was small.

「実施例21」
次に、実施例21では、実施例19と同様に、スプレードライヤーを用いて乾燥させた金属酸化物白金複合触媒を作製した。担体としては、シリカ(PL−7)を用いた。評価する触媒重量を、1μg,2.5μg,5μg,10μgに変化させて、RRDEによりHの生成を評価した。実施例21の金属酸化物白金複合触媒についてのCV波形を図85に示す。図86に、実施例21の触媒を用いて回転電極によりLSV測定を行った場合に、リング電極にて検出した電流値を、評価した触媒重量に応じて測定した結果を示す。図87には、実施例20の触媒を用いて回転電極によりLSV測定を行った場合に、ディスク電極にて検出した電流値を、評価した触媒重量に応じて測定した結果を示す。
"Example 21"
Next, in Example 21, similarly to Example 19, a metal oxide platinum composite catalyst dried using a spray dryer was produced. Silica (PL-7) was used as the carrier. The catalyst weight to be evaluated was changed to 1 μg, 2.5 μg, 5 μg, and 10 μg, and the generation of H 2 O 2 was evaluated by RRDE. The CV waveform for the metal oxide platinum composite catalyst of Example 21 is shown in FIG. FIG. 86 shows the results of measuring the current value detected by the ring electrode according to the evaluated catalyst weight when LSV measurement was performed with the rotating electrode using the catalyst of Example 21. FIG. 87 shows the results of measuring the current value detected by the disk electrode according to the evaluated catalyst weight when LSV measurement was performed with the rotating electrode using the catalyst of Example 20.

「実施例22」
図85〜87と図80〜82とを比較すると、Hの生成量についても、スプレードライヤーを用いても、ハンドスプレーを用いた場合と同様の金属酸化物白金複合触媒を作製できた。
"Example 22"
When comparing FIGS. 85 to 87 and FIGS. 80 to 82, the same metal oxide platinum composite catalyst as that in the case of using hand spray was able to be produced with respect to the production amount of H 2 O 2 and using a spray dryer. .

実施例22では、実施例19のうち、担体としてジルコニアを用いた。評価する触媒重量を、1μg,2μg,4μg,5μg10μgに変化させて、RRDEによりHの生成を評価した。図88に実施例22のCV波形を、図89に実施例22の触媒を用いて回転電極によりLSV測定を行った場合に、リング電極にて検出した電流値を、評価した触媒重量に応じて測定した結果を示す。図90には、実施例22の触媒を用いて回転電極によりLSV測定を行った場合に、ディスク電極にて検出した電流値を、評価した触媒重量に応じて測定した結果を示す。In Example 22, in Example 19, zirconia was used as a carrier. The catalyst weight to be evaluated was changed to 1 μg, 2 μg, 4 μg, 5 μg and 10 μg, and the production of H 2 O 2 was evaluated by RRDE. 88 shows the CV waveform of Example 22, and FIG. 89 shows the current value detected by the ring electrode when LSV measurement was performed with the rotating electrode using the catalyst of Example 22, according to the evaluated catalyst weight. The measurement results are shown. FIG. 90 shows the results of measuring the current value detected at the disk electrode according to the evaluated catalyst weight when LSV measurement was performed with the rotating electrode using the catalyst of Example 22.

図89より、担体としてジルコニアを用いた場合にも、金属酸化物白金複合触媒は、Hの発生量が少なく、好ましいものとなった。From FIG. 89, even when zirconia was used as the carrier, the metal oxide platinum composite catalyst was preferable because the amount of H 2 O 2 generated was small.

本発明は、例えば、触媒に利用可能である。   The present invention is applicable to, for example, a catalyst.

Claims (8)

シリカ、セリア、ジルコニアまたはチタニアの金属酸化物5〜95重量部と、
残部として白金95〜5重量部と、
を含み、
白金粒子が上記金属酸化物粒子の表面において連接して絡みついた形態を有し、
上記白金粒子の結晶子径は、10nm以上であることを特徴とする酸素還元用金属酸化物白金複合触媒。
5 to 95 parts by weight of a metal oxide of silica, ceria, zirconia or titania ;
95-5 parts by weight of platinum as the balance,
Including
The platinum particles have a form in which they are connected and entangled on the surface of the metal oxide particles ,
2. A metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction, wherein the platinum particles have a crystallite diameter of 10 nm or more.
走査速度20〜100mV/sec、走査範囲0.01〜1.5V(vs.RHE)、窒素ガスで脱気した硫酸電解液中にて5〜50サイクル安定化後のサイクリックボルタンメトリーにより評価されるサイクリックボルタモグラムにおいて、0〜0.4V間のアノード電流、カソード電流の曲線に2本のピークを示すことを特徴とする請求項1に記載の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒。Evaluated by cyclic voltammetry after stabilization for 5 to 50 cycles in a sulfuric acid electrolyte deaerated with nitrogen gas at a scanning speed of 20 to 100 mV / sec, a scanning range of 0.01 to 1.5 V (vs. RHE). 2. The metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to claim 1, wherein the cyclic voltammogram shows two peaks in a curve of an anode current and a cathode current between 0 to 0.4 V. 3. 走査速度5mV/sec、走査範囲1.5〜0.01V(vs.RHE)、酸素ガスで飽和した硫酸電解液中にて、回転数500〜3000rpmの条件下のリニアスイープボルタンメトリーにより評価した0.85Vの時の白金表面積当たりの活性化支配電流値が0.2mA/cm以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒。Evaluation was performed by linear sweep voltammetry under conditions of a scanning speed of 5 mV / sec, a scanning range of 1.5 to 0.01 V (vs. RHE), and a sulfuric acid electrolyte saturated with oxygen gas at a rotational speed of 500 to 3000 rpm. 3. The metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to claim 1, wherein the activation dominant current value per platinum surface area at 85 V is 0.2 mA / cm 2 or more. 前記リニアスイープボルタンメトリーにより評価した0.85Vの時の白金質量当たりの活性化支配電流値が40A/g以上であることを特徴とする請求項3に記載の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒。The metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to claim 3, wherein an activation dominant current value per platinum mass at 0.85 V evaluated by the linear sweep voltammetry is 40 A / g or more. 走査速度50mV/sec、酸素飽和電解液中、0.6〜1.4Vの繰り返し電位走査による加速劣化試験において、40時間後の0.85Vの時の白金質量当たりの活性化支配電流値が初期値の50%以上であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒。In an accelerated deterioration test with a scanning speed of 50 mV / sec and an oxygen-saturated electrolyte in a repetitive potential scan of 0.6 to 1.4 V, the activation dominant current value per platinum mass at 0.85 V after 40 hours is the initial value. The metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to any one of claims 1 to 4, wherein the value is 50% or more of the value. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒の製造方法であって、
金属酸化物5〜95重量部と、残部となる白金95〜5重量部とを含むように、金属含有材料と白金塩とを混合して白金前駆体溶液を作製する白金前駆体溶液作製工程と、
60〜200℃に加熱した基材に、前記白金前駆体溶液を噴霧する噴霧工程と、
前記基材から前記金属酸化物と前記白金とを含む金属酸化物白金複合物を回収する回収工程と、
回収した前記金属酸化物白金複合物を還元雰囲気下にて、前記噴霧工程時の前記基材の温度以上300℃以下の温度にて焼成する焼成工程と、
を含むことを特徴とする酸素還元用金属酸化物白金複合触媒の製造方法。
A method for producing a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to any one of claims 1 to 5,
A platinum precursor solution preparation step of preparing a platinum precursor solution by mixing a metal-containing material and a platinum salt so as to include 5 to 95 parts by weight of metal oxide and 95 to 5 parts by weight of platinum as a balance; ,
A spraying step of spraying the platinum precursor solution onto a substrate heated to 60 to 200 ° C .;
A recovery step of recovering a metal oxide platinum composite containing the metal oxide and the platinum from the substrate;
A firing step of firing the recovered metal oxide platinum composite in a reducing atmosphere at a temperature of not less than 300 ° C. and not less than the temperature of the substrate during the spraying step;
A method for producing a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction , comprising:
前記金属含有材料は、コロイダルシリカであることを特徴とする請求項6に記載の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒の製造方法。The method for producing a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to claim 6, wherein the metal-containing material is colloidal silica. 前記白金塩は、塩化テトラアンミン白金(II)一水和物であることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の酸素還元用金属酸化物白金複合触媒の製造方法。The method for producing a metal oxide platinum composite catalyst for oxygen reduction according to claim 6 or 7, wherein the platinum salt is tetraammineplatinum (II) chloride monohydrate.
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