JP5436059B2 - Method for producing platinum particle-supported carbon black catalyst - Google Patents
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Description
本発明は、白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst.
近年、地球環境問題が大きくクローズアップされてきている。燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有する上に、CO2の排出削減に寄与するだけでなく、酸性雨の原因や大気汚染の原因となるNOx、SOx、塵埃等の排出がほとんどないクリーンな電池である。さらに、静粛性も高いという利点がある。そのため、燃料電池は、21世紀に最適なエネルギー変換装置として一部実用化されつつある。特に、燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池(PEFC)は、作動温度が低くかつ出力密度が高いため、小型化が可能であるという長所を持っている。 In recent years, global environmental problems have been greatly highlighted. A fuel cell not only has high energy conversion efficiency but also contributes to the reduction of CO 2 emissions, and is also a clean cell that emits almost no NOx, SOx, dust, etc. that cause acid rain and air pollution. It is. Furthermore, there is an advantage that silence is also high. Therefore, some fuel cells are being put into practical use as an energy conversion device that is optimal for the 21st century. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) among fuel cells has an advantage that it can be miniaturized because of its low operating temperature and high output density.
図13は、固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図である。
固体高分子形燃料電池は、高分子固体電解質膜1を中心として酸素極2と水素極3とで挟んだ構成を有する。高分子固体電解質膜1は、例えば、炭素繊維性の多孔性クロス基材上に、高分子固体電解質を含むスラリーを塗布し、次いで焼成することにより得られたイオン交換膜である。
そして、酸素極2の外側の中央部は、集電体6に担持されるとともに、水素極3の外側の中央部は、集電体7に担持されている。集電体6は、良電導性かつ耐食性を有する材料からなり、通常、黒鉛、チタン、ステンレス等で形成されている。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing an example of a polymer electrolyte fuel cell.
The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a polymer solid electrolyte membrane 1 is sandwiched between an oxygen electrode 2 and a hydrogen electrode 3. The polymer solid electrolyte membrane 1 is an ion exchange membrane obtained by, for example, applying a slurry containing a polymer solid electrolyte on a carbon fiber porous cloth substrate and then baking the slurry.
The central portion outside the oxygen electrode 2 is carried by the current collector 6, and the central portion outside the hydrogen electrode 3 is carried by the current collector 7. The current collector 6 is made of a material having good electrical conductivity and corrosion resistance, and is usually formed of graphite, titanium, stainless steel or the like.
酸素極2の外側の周縁部には、枠形状のガスケット4の内側が接触し、さらにガスケット4の外側には、複数の凹部を内側の中央部に有するフレーム8の内側の突出周縁部が接触している。これにより、フレーム8の内側と酸素極2の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の酸素極室9が形成されている。また、フレーム8は、内側と外側とを貫通するように酸素極室9に連結する酸素ガス供給口12と、内側と外側とを貫通するように酸素極室9に連結する未反応酸素ガス及び生成水取出口13とを有する。
一方、水素極3の外側の周縁部には、枠形状のガスケット5の内側が接触し、さらにガスケット5の外側には、複数の凹部を内側の中央部に有するフレーム10の内側の突出周縁部が接触している。これにより、フレーム10の内側と水素極3の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の水素極室11が形成されている。また、フレーム10は、内側と外側とを貫通するように水素極室11に連結する水素ガス供給口14と、内側と外側とを貫通するように水素極室11に連結する未反応水素ガス取出口15とを有する。
The outer peripheral edge of the oxygen electrode 2 is in contact with the inside of the frame-shaped gasket 4, and the outer periphery of the gasket 4 is in contact with the protruding peripheral edge of the inner side of the frame 8 having a plurality of recesses at the inner central part. doing. Thus, a plurality of oxygen electrode chambers 9 are formed between the inside of the frame 8 and the outside of the oxygen electrode 2 so as to correspond to the plurality of recesses. The frame 8 includes an oxygen gas supply port 12 connected to the oxygen electrode chamber 9 so as to penetrate the inside and outside, an unreacted oxygen gas connected to the oxygen electrode chamber 9 so as to penetrate the inside and outside, and And a generated water outlet 13.
On the other hand, the outer peripheral edge of the hydrogen electrode 3 is in contact with the inner side of the frame-shaped gasket 5, and the outer peripheral edge of the gasket 5 is a protruding peripheral edge on the inner side of the frame 10 having a plurality of recesses at the inner central part. Are in contact. Thus, a plurality of hydrogen electrode chambers 11 are formed between the inside of the frame 10 and the outside of the hydrogen electrode 3 so as to correspond to the plurality of recesses. The frame 10 has a hydrogen gas supply port 14 connected to the hydrogen electrode chamber 11 so as to penetrate the inside and the outside, and an unreacted hydrogen gas intake connected to the hydrogen electrode chamber 11 so as to penetrate the inside and the outside. And an outlet 15.
このような酸素極2と水素極3とには、高い触媒活性を示す白金微粒子を担体に担持した触媒が通常使用される。そして、白金微粒子の製造方法としては、例えば、電着法、スパッタ法、白金錯体含浸−還元熱分解法、アルコール還元法、ホウ化水素還元法、酸化物気相還元法等の種々の方法が挙げられる。
ところで、このような固体高分子形燃料電池の普及を妨げる一因として、価格が高いことが挙げられている。特に、酸素極2と水素極3とに使用される白金は、極めて高価である。
For the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3, a catalyst in which platinum fine particles exhibiting high catalytic activity are supported on a carrier is usually used. Examples of the method for producing platinum fine particles include various methods such as electrodeposition, sputtering, platinum complex impregnation-reduction thermal decomposition, alcohol reduction, borohydride reduction, and oxide gas phase reduction. Can be mentioned.
By the way, as one factor that hinders the spread of such polymer electrolyte fuel cells, it is cited that the price is high. In particular, platinum used for the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 is extremely expensive.
そこで、固体高分子形燃料電池の酸素極2と水素極3とにおいて、平均粒径3nmの白金微粒子が使用されているが、反応に寄与する白金は、表面層のみであることが知られているので、粒径を小さくすることにより比表面積を増大させることが行われている。また、基体上に数原子層分の白金薄膜を形成することにより、白金の持つ触媒活性を維持したまま白金の低減を目指した触媒設計が行われている。
具体的には、膜厚が薄い白金薄膜の製造方法として、白金カルボニル錯体を有機溶媒に溶解させて白金カルボニル錯体溶液を得る調整工程と、白金カルボニル錯体溶液をイオン化傾向の大きな金属基体上に塗布した後、有機溶媒を除去することで白金薄膜が形成された金属基体を得る工程とを含む(例えば、特許文献1参照)。
なお、白金カルボニル錯体の製造方法としては、水溶液に、化学式(1)又は化学式(2)で示す白金化合物を溶解させて試料溶液を作製した後、試料溶液にCOをバブリング(泡入)して、白金カルボニル錯体溶液を作製している。
M2PtX6・・・(1)
M2PtX4・・・(2)
ここで、Mはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Xはハロゲン原子である。
Therefore, platinum fine particles having an average particle diameter of 3 nm are used in the oxygen electrode 2 and the hydrogen electrode 3 of the polymer electrolyte fuel cell, but it is known that platinum contributing to the reaction is only the surface layer. Therefore, the specific surface area is increased by reducing the particle size. In addition, by designing a platinum thin film of several atomic layers on a substrate, a catalyst design aiming at reducing platinum while maintaining the catalytic activity of platinum has been performed.
Specifically, as a method for producing a thin platinum film, an adjustment step in which a platinum carbonyl complex is dissolved in an organic solvent to obtain a platinum carbonyl complex solution, and the platinum carbonyl complex solution is applied onto a metal substrate having a large ionization tendency. Then, the process of obtaining the metal base | substrate with which the platinum thin film was formed by removing an organic solvent is included (for example, refer patent document 1).
As a method for producing a platinum carbonyl complex, a platinum compound represented by the chemical formula (1) or (2) is dissolved in an aqueous solution to prepare a sample solution, and then CO is bubbled into the sample solution. A platinum carbonyl complex solution is being prepared.
M 2 PtX 6 (1)
M 2 PtX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
しかしながら、上述したような膜厚が薄い白金薄膜の製造方法では、電着法、スパッタ法、白金錯体含浸−還元熱分解法、アルコール還元法、ホウ化水素還元法、酸化物気相還元法等の種々の方法より膜厚が薄い白金薄膜を得ることができるが、白金薄膜の膜厚を制御することができないという問題点があった。
一方、ケッチェンブラック表面に微粒子状の白金を担持している白金粒子担持カーボンブラック触媒も製造されている。このような白金粒子担持カーボンブラック触媒を基体上に塗布することにより、露出しない白金をできるだけ少なくすることも行われている。
However, in the method for producing a thin platinum film as described above, an electrodeposition method, a sputtering method, a platinum complex impregnation-reduction thermal decomposition method, an alcohol reduction method, a borohydride reduction method, an oxide vapor phase reduction method, etc. Although it is possible to obtain a platinum thin film having a thinner film thickness than the above various methods, there is a problem that the film thickness of the platinum thin film cannot be controlled.
On the other hand, a platinum particle-supporting carbon black catalyst in which finely divided platinum is supported on the ketjen black surface is also manufactured. By applying such a platinum particle-supporting carbon black catalyst on a substrate, the amount of unexposed platinum is reduced as much as possible.
そこで、本件発明者らは、上述したような白金カルボニル錯体溶液を用いることにより、ケッチェンブラック表面に粒子径が小さくかつ分布幅が狭い微粒子状の白金化合物を担持させることが可能である製造方法を見出した。
しかし、ケッチェンブラック表面に担持される白金化合物の平均粒子径を制御することができなかった。そのため、基体上に白金粒子を担持しても、膜厚が薄い白金薄膜を得ることができるが、白金薄膜の膜厚を制御することができなかった。
Therefore, the present inventors can use a platinum carbonyl complex solution as described above to support a fine platinum compound having a small particle diameter and a narrow distribution width on the ketjen black surface. I found.
However, the average particle size of the platinum compound supported on the ketjen black surface could not be controlled. Therefore, even if platinum particles are supported on the substrate, a thin platinum film can be obtained, but the thickness of the platinum thin film cannot be controlled.
そこで、本件発明者らは、上記課題を解決するために、カーボン表面に担持した微粒子状の白金の平均粒子径を制御することができる白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法について検討を行った。まず、上述したような製造方法では、水溶液に、化学式(1)又は化学式(2)で示される化合物を溶解させて試料溶液を作製していたが、水溶液に代えて、水とアセトニトリルとの混合溶媒や、エタノールや、ブタノールや、ヘキサノールを用いて試料溶液をそれぞれ作製した。そして、このようにして作製した各試料溶液を用いると、カーボン表面に担持した微粒子状の白金の平均粒子径がそれぞれ異なることがわかった。
図2〜図4は、白金粒子担持カーボンブラック触媒の透過型電子顕微鏡(TEM)写真と粒度分布のグラフとを示す図である。図2は、エタノールを用い、図3は、ブタノールを用い、図4は、ヘキサノールを用いたときのものである。なお、黒い円状のものがPt粒子であり、薄いグレーのものがカーボンブラック(KB)である。
図2に示すように、エタノールを選択すると、微粒子状の白金の平均粒子径が2.02±0.35nmとなり、図3に示すように、ブタノールを選択すると、微粒子状の白金の平均粒子径が2.28±0.31nmとなり、図4に示すように、ヘキサノールを選択すると、微粒子状の白金の平均粒子径が2.24±0.25nmとなった。
これにより、試料溶液を作製する際に、溶媒を選択することによって、カーボン表面に担持した微粒子状の白金の平均粒子径を制御することができることを見出した。
Therefore, in order to solve the above problems, the present inventors have studied a method for producing a platinum particle-supporting carbon black catalyst that can control the average particle diameter of fine platinum particles supported on the carbon surface. First, in the manufacturing method as described above, the sample solution is prepared by dissolving the compound represented by the chemical formula (1) or (2) in the aqueous solution. However, instead of the aqueous solution, mixing of water and acetonitrile is performed. Sample solutions were prepared using a solvent, ethanol, butanol, and hexanol, respectively. And when each sample solution produced in this way was used, it turned out that the average particle diameters of the particulate platinum carry | supported on the carbon surface differ, respectively.
2 to 4 are a transmission electron microscope (TEM) photograph of a platinum particle-supported carbon black catalyst and a graph of particle size distribution. 2 shows the case where ethanol is used, FIG. 3 shows the case where butanol is used, and FIG. 4 shows the case where hexanol is used. The black circles are Pt particles, and the light gray ones are carbon black (KB).
As shown in FIG. 2, when ethanol is selected, the average particle diameter of fine platinum particles is 2.02 ± 0.35 nm. When butanol is selected as shown in FIG. 3, the average particle diameter of fine particle platinum is Was 2.28 ± 0.31 nm. As shown in FIG. 4, when hexanol was selected, the average particle size of fine platinum particles was 2.24 ± 0.25 nm.
As a result, it was found that the average particle size of fine platinum particles supported on the carbon surface can be controlled by selecting a solvent when preparing the sample solution.
また、上述したような製造方法では、所定の温度で試料溶液を加熱しながら、試料溶液にCOをバブリングして、白金カルボニル錯体溶液を作製していたが、所定の温度を30℃や、50℃や、70℃で白金カルボニル錯体溶液をそれぞれ作製した。そして、このようにして作製した各白金カルボニル錯体溶液を用いると、カーボン表面に担持した微粒子状の白金の平均粒子径がそれぞれ異なることがわかった。
図6〜図8は、白金粒子担持カーボンブラック触媒の透過型電子顕微鏡写真と粒度分布のグラフとを示す図である。図6は、30℃で行い、図7は、50℃で行い、図8は、70℃で行ったときのものである。
図6に示すように、30℃を選択すると、微粒子状の白金の平均粒子径が1.81±0.30nmとなり、図7に示すように、50℃を選択すると、微粒子状の白金の平均粒子径が2.30±0.36nmとなり、図8に示すように、70℃を選択すると、微粒子状の白金の凝集体が形成された。
これにより、白金カルボニル錯体溶液を作製する際に、温度を選択することによって、カーボン表面に担持した微粒子状の白金の平均粒子径を制御することができることを見出した。
Further, in the manufacturing method as described above, while the sample solution is heated at a predetermined temperature, CO is bubbled into the sample solution to produce a platinum carbonyl complex solution. However, the predetermined temperature is 30 ° C. or 50 ° C. Platinum carbonyl complex solutions were prepared at 70 ° C. and 70 ° C., respectively. And when each platinum carbonyl complex solution produced in this way was used, it turned out that the average particle diameters of the particulate platinum supported on the carbon surface differ, respectively.
6 to 8 are diagrams showing transmission electron micrographs and graphs of particle size distribution of platinum particle-supported carbon black catalysts. 6 is performed at 30 ° C., FIG. 7 is performed at 50 ° C., and FIG. 8 is performed at 70 ° C.
As shown in FIG. 6, when 30 ° C. is selected, the average particle diameter of the fine platinum particles becomes 1.81 ± 0.30 nm. When 50 ° C. is selected as shown in FIG. The particle diameter was 2.30 ± 0.36 nm. As shown in FIG. 8, when 70 ° C. was selected, fine-particle platinum aggregates were formed.
As a result, it was found that the average particle size of fine platinum particles supported on the carbon surface can be controlled by selecting the temperature when preparing the platinum carbonyl complex solution.
すなわち、本発明の白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法は、水とアセトニトリルとの混合溶媒、エタノール、並びに、ブタノール或いはヘキサノールからなる群から選択される1種類の溶媒に、化学式(1)又は化学式(2)で示す白金化合物を溶解させて試料溶液を作製する試料溶液作製工程と、前記試料溶液を30℃以上40℃以下で加熱しながら、前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、白金カルボニル錯体溶液を作製する白金カルボニル錯体溶液作製工程と、前記試料溶液作製工程で選択された1種類の溶媒にカーボン粒子を分散させたカーボン粒子分散液に、前記白金カルボニル錯体溶液を混合する混合工程とを含み、白金粒子担持カーボンブラック触媒を焼成せず得るようにしている。
M2PtX6・・・(1)
M2PtX4・・・(2)
ここで、Mはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Xはハロゲン原子である。
That is, the method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst of the present invention includes a chemical formula (1) or a chemical formula in one solvent selected from the group consisting of a mixed solvent of water and acetonitrile, ethanol, and butanol or hexanol. A sample solution preparation step for preparing a sample solution by dissolving the platinum compound shown in (2), and bubbling carbon monoxide into the sample solution while heating the sample solution at 30 ° C. to 40 ° C. A platinum carbonyl complex solution preparation step for preparing a carbonyl complex solution, and a mixing step of mixing the platinum carbonyl complex solution in a carbon particle dispersion in which carbon particles are dispersed in one type of solvent selected in the sample solution preparation step wherein the door is taken to obtain without firing the platinum particles supported carbon black catalyst.
M 2 PtX 6 (1)
M 2 PtX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
本発明の白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法によれば、試料溶液を作製する際に、エタノールを選択すると、平均粒子径が2.00±0.35nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持することができ、ブタノール或いはヘキサノールを選択すると、平均粒子径が2.30±0.35nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持することができ、水とアセトニトリルとの混合溶媒を選択すると、平均粒子径が1.80±0.35nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持することができる。 According to the method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst of the present invention, when ethanol is selected when preparing a sample solution, fine platinum particles having an average particle diameter of 2.00 ± 0.35 nm are supported on the carbon surface. If butanol or hexanol is selected, fine particles of platinum with an average particle size of 2.30 ± 0.35 nm can be supported on the carbon surface, and if a mixed solvent of water and acetonitrile is selected, the average Fine platinum having a particle diameter of 1.80 ± 0.35 nm can be supported on the carbon surface.
以上のように、本発明の白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法によれば、カーボン表面に担持した微粒子状の白金の平均粒子径を制御することができる。 As described above, according to the method for producing a platinum particle-supporting carbon black catalyst of the present invention, the average particle diameter of fine platinum particles supported on the carbon surface can be controlled.
(他の課題を解決するための手段および効果)
また、本発明の白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法は、水とアセトニトリルとの混合溶媒に、化学式(1)又は化学式(2)で示す白金化合物を溶解させて試料溶液を作製する試料溶液作製工程と、25℃以上65℃以下の温度範囲から選択される所定の温度で試料溶液を加熱しながら、前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、白金カルボニル錯体溶液を作製する白金カルボニル錯体溶液作製工程と、水とアセトニトリルとの1:1の混合溶媒にカーボン粒子を分散させたカーボン粒子分散液に、前記白金カルボニル錯体溶液を混合する混合工程とを含み、白金粒子担持カーボンブラック触媒を焼成せず得るようにしている。
M2PtX6・・・(1)
M2PtX4・・・(2)
ここで、Mはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Xはハロゲン原子である。
(Means and effects for solving other problems)
Moreover, the method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst of the present invention comprises preparing a sample solution by dissolving a platinum compound represented by chemical formula (1) or chemical formula (2) in a mixed solvent of water and acetonitrile. A platinum carbonyl complex solution for producing a platinum carbonyl complex solution by bubbling carbon monoxide in the sample solution while heating the sample solution at a predetermined temperature selected from a step and a temperature range of 25 ° C. to 65 ° C. Including a preparation step and a mixing step of mixing the platinum carbonyl complex solution in a carbon particle dispersion in which carbon particles are dispersed in a 1: 1 mixed solvent of water and acetonitrile, and firing the platinum particle-supported carbon black catalyst. Trying to get without.
M 2 PtX 6 (1)
M 2 PtX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
ここで、「所定の温度」とは、任意の温度T℃のことをいい、選択される温度範囲T±2℃となってもよい。
本発明の白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法によれば、白金カルボニル錯体溶液を作製する際に、30℃を選択すると、平均粒子径が1.80±0.35nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持することができ、50℃を選択すると、平均粒子径が2.30±0.35nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持することができる。
以上のように、本発明の白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法によれば、カーボン表面に担持した微粒子状の白金の平均粒子径を制御することができる。
Here, the “predetermined temperature” means an arbitrary temperature T ° C., and may be a selected temperature range T ± 2 ° C.
According to the method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst of the present invention, when 30 ° C. is selected when preparing a platinum carbonyl complex solution, fine platinum particles having an average particle size of 1.80 ± 0.35 nm are carbonized. If it can be supported on the surface and 50 ° C. is selected, fine platinum having an average particle size of 2.30 ± 0.35 nm can be supported on the carbon surface.
As described above, according to the method for producing a platinum particle-supporting carbon black catalyst of the present invention, the average particle diameter of fine platinum particles supported on the carbon surface can be controlled.
また、本発明の白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法においては、前記カーボン粒子は、ケッチェンブラックであるようにしてもよい。
さらに、本発明の白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法においては、前記混合工程において、前記カーボン粒子分散液に、前記白金カルボニル錯体溶液を超音波処理を行いながら混合するようにしてもよい。
In the method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst of the present invention, the carbon particles may be ketjen black.
Furthermore, in the method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst of the present invention, in the mixing step, the platinum carbonyl complex solution may be mixed with the carbon particle dispersion while performing ultrasonic treatment.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and it goes without saying that various aspects are included without departing from the spirit of the present invention.
<第一の実施形態>
第一の実施形態に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法は、試料溶液を作製する試料溶液作製工程(A)と、白金カルボニル錯体溶液を作製する白金カルボニル錯体溶液作製工程(B)と、カーボン粒子分散液に白金カルボニル錯体溶液を混合してPt/CB溶液を得る混合工程(C)と、白金粒子担持カーボンブラック触媒を得る濾過工程(D)と、白金粒子担持カーボンブラック触媒を基体上に塗布する電極作製工程(E)とを含む。
<First embodiment>
The method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst according to the first embodiment includes a sample solution preparation step (A) for preparing a sample solution, a platinum carbonyl complex solution preparation step (B) for preparing a platinum carbonyl complex solution, A mixing step (C) for obtaining a Pt / CB solution by mixing a platinum carbonyl complex solution with a carbon particle dispersion, a filtration step (D) for obtaining a platinum particle-supporting carbon black catalyst, and a platinum particle-supporting carbon black catalyst on the substrate. And an electrode manufacturing step (E) to be applied.
(A)試料溶液作製工程
水とアセトニトリルとの混合溶媒、エタノール、並びに、ブタノール或いはヘキサノールからなる群から選択される1種類の溶媒に、化学式(1)又は化学式(2)で示す白金化合物を溶解させて試料溶液を作製する。
M2PtX6・・・(1)
M2PtX4・・・(2)
ここで、Mはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Xはハロゲン原子である。
(A) Sample solution preparation step A platinum compound represented by the chemical formula (1) or the chemical formula (2) is dissolved in one kind of solvent selected from the group consisting of a mixed solvent of water and acetonitrile, ethanol, and butanol or hexanol. To prepare a sample solution.
M 2 PtX 6 (1)
M 2 PtX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
化学式(1)で示す白金化合物としては、例えば、H2PtCl6、K2PtCl6、Na2PtCl6、K2PtBr6、K2PtBr6、(NH4)2PtCl6、(NH4)2PtBr6等が挙げられる。
化学式(2)で示す白金化合物としては、例えば、H2PtCl4、K2PtCl4、Na2PtCl4、K2PtBr4、K2PtBr4、(NH4)2PtCl4、(NH4)2PtBr4等が挙げられる。
Examples of the platinum compound represented by the chemical formula (1) include H 2 PtCl 6 , K 2 PtCl 6 , Na 2 PtCl 6 , K 2 PtBr 6 , K 2 PtBr 6 , (NH 4 ) 2 PtCl 6 , (NH 4 ). 2 PtBr 6 and the like.
Examples of the platinum compound represented by the chemical formula (2) include H 2 PtCl 4 , K 2 PtCl 4 , Na 2 PtCl 4 , K 2 PtBr 4 , K 2 PtBr 4 , (NH 4 ) 2 PtCl 4 , (NH 4 ). 2 PtBr 4 or the like.
水とアセトニトリルとの混合溶媒は、体積比で水:アセトニトリル=1:1であることが好ましい。
ブタノールは、1−ブタノールであることが好ましく、ヘキサノールは、1−ヘキサノールであることが好ましい。
そして、試料溶液作製工程で作製される試料溶液における白金化合物の濃度は、特に限定されず、0.1mmol/L以上10mmol/L以下であることが好ましい。
The mixed solvent of water and acetonitrile is preferably water: acetonitrile = 1: 1 by volume ratio.
The butanol is preferably 1-butanol, and the hexanol is preferably 1-hexanol.
And the density | concentration of the platinum compound in the sample solution produced at a sample solution preparation process is not specifically limited, It is preferable that they are 0.1 mmol / L or more and 10 mmol / L or less.
(B)白金カルボニル錯体溶液作製工程
試料溶液を30℃以上40℃以下で加熱しながら、試料溶液にCOをバブリングして、その後、攪拌することにより、白金カルボニル錯体溶液を作製する。
COをバブリングする時間は、1時間以上5時間以下であることが好ましい。
攪拌する時間は、30分以上50時間以下であることが好ましい。
なお、白金カルボニル錯体は、化学式(3)で示す化合物であることが好ましい。
[Pt3(CO)3(μ-CO)3]n 2- ・・・(3)
(B) Platinum carbonyl complex solution preparation process While heating a sample solution at 30 degreeC or more and 40 degrees C or less, CO is bubbled through a sample solution, Then, a platinum carbonyl complex solution is produced by stirring.
The time for bubbling CO is preferably 1 hour or more and 5 hours or less.
The stirring time is preferably from 30 minutes to 50 hours.
In addition, it is preferable that a platinum carbonyl complex is a compound shown by Chemical formula (3).
[Pt 3 (CO) 3 (μ-CO) 3 ] n 2- (3)
ここで、図1は、反応前と反応後との白金カルボニル錯体溶液の紫外可視吸収スペクトルを示すグラフである。
図1(a)に示すように、エタノールを選択したときには、反応後の紫外可視吸収スペクトルにおけるピーク値が420、795nmであり、すなわち文献等(420、820nm)により化学式(3)中のnが6である白金カルボニル錯体が形成されている。そして、図1(b)に示すように、ブタノールを選択したときには、反応後の紫外可視吸収スペクトルにおけるピーク値が423、824nmであり、すなわち文献等(421、825nm)により化学式(3)中のnが7以上である白金カルボニル錯体が形成されている。さらに、図1(c)に示すように、ヘキサノールを選択したときには、反応後の紫外可視吸収スペクトルにおけるピーク値が425、840nmであり、すなわち文献等(423、845nm)により化学式(3)中のnが8以上である白金カルボニル錯体が形成されている。
Here, FIG. 1 is a graph showing ultraviolet-visible absorption spectra of the platinum carbonyl complex solution before and after the reaction.
As shown in FIG. 1 (a), when ethanol is selected, the peak values in the UV-visible absorption spectrum after the reaction are 420 and 795 nm, that is, n in the chemical formula (3) is determined according to literature (420 and 820 nm). A platinum carbonyl complex of 6 is formed. And as shown in FIG.1 (b), when butanol is selected, the peak value in the ultraviolet visible absorption spectrum after reaction is 423,824 nm, that is, in the chemical formula (3) according to the literature etc. (421,825 nm). A platinum carbonyl complex in which n is 7 or more is formed. Furthermore, as shown in FIG. 1 (c), when hexanol is selected, the peak values in the UV-visible absorption spectrum after the reaction are 425 and 840 nm, that is, in the chemical formula (3) according to literatures (423 and 845 nm). A platinum carbonyl complex in which n is 8 or more is formed.
(C)混合工程
試料溶液作製工程で選択された1種類の溶媒にカーボン粒子を分散させたカーボン粒子分散液に、白金カルボニル錯体溶液を混合して、Pt/CB溶液を得る。
このとき、カーボン粒子分散液と白金カルボニル錯体溶液とを超音波処理を行いながら混合することが好ましい。そして、カーボン粒子分散液と白金カルボニル錯体溶液とを混合する時間は、30分以上90分以下であることが好ましい。
カーボン粒子としては、例えば、ケッチェンブラック等が挙げられる。
そして、カーボン粒子分散液におけるカーボン粒子の濃度は、特に限定されず、0.1mmol/L以上10mmol/L以下であることが好ましい。
ここで、図2〜図4は、白金粒子担持カーボンブラック触媒の透過型電子顕微鏡写真と粒度分布のグラフとを示す図である。
図2に示すように、エタノールを選択すると、平均粒子径が2.00±0.35nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持することができ、図3及び図4に示すように、ブタノール或いはヘキサノールを選択すると、平均粒子径が2.30±0.35nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持することができるようになる。
(C) Mixing step A platinum carbonyl complex solution is mixed with a carbon particle dispersion in which carbon particles are dispersed in one type of solvent selected in the sample solution preparation step to obtain a Pt / CB solution.
At this time, it is preferable to mix the carbon particle dispersion and the platinum carbonyl complex solution while performing ultrasonic treatment. The time for mixing the carbon particle dispersion and the platinum carbonyl complex solution is preferably from 30 minutes to 90 minutes.
Examples of the carbon particles include ketjen black.
And the density | concentration of the carbon particle in a carbon particle dispersion liquid is not specifically limited, It is preferable that they are 0.1 mmol / L or more and 10 mmol / L or less.
Here, FIGS. 2 to 4 are diagrams showing a transmission electron micrograph and a graph of particle size distribution of the platinum particle-supported carbon black catalyst.
As shown in FIG. 2, when ethanol is selected, fine particles of platinum having an average particle size of 2.00 ± 0.35 nm can be supported on the carbon surface. As shown in FIGS. 3 and 4, butanol or When hexanol is selected, fine particles of platinum having an average particle diameter of 2.30 ± 0.35 nm can be supported on the carbon surface.
(D)濾過工程
Pt/CB溶液を濾過することにより、白金粒子担持カーボンブラック触媒を得る。
(E)電極作製工程
白金粒子担持カーボンブラック触媒をエタノール中に分散して、懸濁液を得て、懸濁液を基体に塗布して、乾燥させることにより電極を得る。
(D) Filtration process Platinum particle carrying | support carbon black catalyst is obtained by filtering Pt / CB solution.
(E) Electrode preparation step A platinum particle-supported carbon black catalyst is dispersed in ethanol to obtain a suspension, and the suspension is applied to a substrate and dried to obtain an electrode.
<第二の実施形態>
第二の実施形態に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法は、試料溶液を作製する試料溶液作製工程(A)と、白金カルボニル錯体溶液を作製する白金カルボニル錯体溶液作製工程(B)と、カーボン粒子分散液に白金カルボニル錯体溶液を混合してPt/CB溶液を得る混合工程(C)と、白金粒子担持カーボンブラック触媒を得る濾過工程(D)と、白金粒子担持カーボンブラック触媒を基体上に塗布する電極作製工程(E)とを含む。なお、上述した第一の実施形態と同様のものについては、説明を省略する。
<Second Embodiment>
The method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst according to the second embodiment includes a sample solution preparation step (A) for preparing a sample solution, a platinum carbonyl complex solution preparation step (B) for preparing a platinum carbonyl complex solution, A mixing step (C) for obtaining a Pt / CB solution by mixing a platinum carbonyl complex solution with a carbon particle dispersion, a filtration step (D) for obtaining a platinum particle-supporting carbon black catalyst, and a platinum particle-supporting carbon black catalyst on the substrate. And an electrode manufacturing step (E) to be applied. In addition, description is abbreviate | omitted about the thing similar to 1st embodiment mentioned above.
(A)試料溶液作製工程
水とアセトニトリルとの混合溶媒に、化学式(1)又は化学式(2)で示す白金化合物を溶解させて試料溶液を作製する。
水とアセトニトリルとの混合溶媒は、体積比で水:アセトニトリル=1:1であることが好ましい。
そして、試料溶液作製工程で作製される試料溶液における白金化合物の濃度は、特に限定されず、0.1mmol/L以上10mmol/L以下であることが好ましい。
(A) Sample solution preparation process The platinum compound shown by Chemical formula (1) or Chemical formula (2) is dissolved in the mixed solvent of water and acetonitrile, and a sample solution is produced.
The mixed solvent of water and acetonitrile is preferably water: acetonitrile = 1: 1 by volume ratio.
And the density | concentration of the platinum compound in the sample solution produced at a sample solution preparation process is not specifically limited, It is preferable that they are 0.1 mmol / L or more and 10 mmol / L or less.
(B)白金カルボニル錯体溶液作製工程
25℃以上65℃以下の温度範囲から選択される所定の温度で試料溶液を加熱しながら、試料溶液にCOをバブリングして、その後、攪拌することにより、白金カルボニル錯体溶液を作製する。
所定の温度は、30℃や40℃や50℃や60℃であることが好ましい。
COをバブリングする時間は、1時間以上5時間以下であることが好ましい。
攪拌する時間は、30分以上50時間以下であることが好ましい。
なお、白金カルボニル錯体は、化学式(3)で示す化合物であることが好ましい。
(B) Platinum carbonyl complex solution preparation step While heating the sample solution at a predetermined temperature selected from a temperature range of 25 ° C. or higher and 65 ° C. or lower, CO is bubbled into the sample solution, and then stirred to obtain platinum. Make a carbonyl complex solution.
The predetermined temperature is preferably 30 ° C, 40 ° C, 50 ° C or 60 ° C.
The time for bubbling CO is preferably 1 hour or more and 5 hours or less.
The stirring time is preferably from 30 minutes to 50 hours.
In addition, it is preferable that a platinum carbonyl complex is a compound shown by Chemical formula (3).
ここで、図5は、第二の実施形態で得られる白金カルボニル錯体溶液の紫外可視吸収スペクトルを示すグラフである。
図5(a)に示すように、30℃を選択したときには、反応後の紫外可視吸収スペクトルにおけるピーク値が540nmであり、すなわち文献等(365、545nm)により化学式(3)中のnが3である白金カルボニル錯体が形成されている。また、図5(b)に示すように、40℃を選択したときには、反応後の紫外可視吸収スペクトルにおけるピーク値が490nmであり、図5(c)に示すように、50℃を選択したときには、反応後の紫外可視吸収スペクトルにおけるピーク値が470nmであり、図5(d)に示すように、60℃を選択したときには、反応後の紫外可視吸収スペクトルにおけるピーク値が420、700nmであり、図5(e)に示すように、70℃を選択したときには、反応後の紫外可視吸収スペクトルにおけるピーク値が405、700nmである。
Here, FIG. 5 is a graph showing an ultraviolet-visible absorption spectrum of the platinum carbonyl complex solution obtained in the second embodiment.
As shown in FIG. 5A, when 30 ° C. is selected, the peak value in the UV-visible absorption spectrum after the reaction is 540 nm, that is, n in the chemical formula (3) is 3 according to the literature (365, 545 nm). A platinum carbonyl complex is formed. Further, as shown in FIG. 5B, when 40 ° C. is selected, the peak value in the UV-visible absorption spectrum after the reaction is 490 nm, and when 50 ° C. is selected as shown in FIG. 5C. The peak value in the UV-visible absorption spectrum after the reaction is 470 nm. As shown in FIG. 5D, when 60 ° C. is selected, the peak value in the UV-visible absorption spectrum after the reaction is 420, 700 nm, As shown in FIG. 5 (e), when 70 ° C. is selected, the peak values in the UV-visible absorption spectrum after the reaction are 405 and 700 nm.
ここで、図6〜図8は、白金粒子担持カーボンブラック触媒の透過型電子顕微鏡写真と粒度分布のグラフとを示す図である。
これにより、図6に示すように、30℃を選択すると、平均粒子径が1.80±0.35nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持することができ、図7に示すように、50℃を選択すると、平均粒子径が2.30±0.35nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持することができるようになる。なお、図8に示すように、70℃を選択すると、微粒子状の白金の凝集体が形成された。
Here, FIGS. 6 to 8 are diagrams showing transmission electron micrographs and graphs of particle size distribution of the platinum particle-supported carbon black catalyst.
Thereby, as shown in FIG. 6, when 30 ° C. is selected, fine particles of platinum having an average particle diameter of 1.80 ± 0.35 nm can be supported on the carbon surface, and as shown in FIG. When the temperature is selected, fine particles of platinum having an average particle diameter of 2.30 ± 0.35 nm can be supported on the carbon surface. As shown in FIG. 8, when 70 ° C. was selected, fine-particle platinum aggregates were formed.
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらによりなんら制限されるものではない。
<実施例1>
(A)試料溶液作製工程
エタノールに、0.5mmol/LのH2PtCl6・6H2Oを溶解させた試料溶液を作製した。
(B)白金カルボニル錯体溶液作製工程
試料溶液を35℃で加熱しながら、試料溶液にArガスを20分間バブリングした後、COを4時間バブリングして、その後、32時間攪拌することにより、白金カルボニル錯体溶液を作製した。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
<Example 1>
(A) to the sample solution preparation step ethanol to prepare a sample solution obtained by dissolving H 2 PtCl 6 · 6H 2 O of 0.5 mmol / L.
(B) Step of preparing platinum carbonyl complex solution While heating the sample solution at 35 ° C., bubbling Ar gas into the sample solution for 20 minutes, then bubbling CO for 4 hours, and then stirring for 32 hours, platinum carbonyl A complex solution was prepared.
(C)混合工程
エタノール4mlにケッチェンブラック0.39mgを分散させたカーボン粒子分散液と、白金カルボニル錯体溶液とを、超音波処理を1時間行いながら混合して、Pt/CB溶液を得た。
(D)濾過工程
Pt/CB溶液を濾過することにより、実施例1に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒(以下、「Pt−et/CB」ともいう)を得た。
(E)電極作製工程
実施例1に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒をエタノール1.1ml中に分散して、懸濁液を得て、懸濁液20μlをマイクロピペットで直径5mmのグラッシーカーボン製円柱体の上面に滴下して、乾燥させることにより、実施例1に係る電極を得た。
(C) Mixing step A carbon particle dispersion in which 0.39 mg of ketjen black was dispersed in 4 ml of ethanol and a platinum carbonyl complex solution were mixed while performing ultrasonic treatment for 1 hour to obtain a Pt / CB solution. .
(D) Filtration Step By filtering the Pt / CB solution, a platinum particle-supported carbon black catalyst (hereinafter also referred to as “Pt-et / CB”) according to Example 1 was obtained.
(E) Electrode preparation step The platinum particle-supported carbon black catalyst according to Example 1 was dispersed in 1.1 ml of ethanol to obtain a suspension, and 20 μl of the suspension was made into a glassy carbon cylinder having a diameter of 5 mm with a micropipette. The electrode according to Example 1 was obtained by dropping on the upper surface of the body and drying.
<実施例2>
試料溶液作製工程と白金カルボニル錯体溶液作製工程とで、エタノールの代わりに、ブタノールを使用し、白金カルボニル錯体溶液作製工程において攪拌する時間を42時間としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒(以下、「Pt−but/CB」ともいう)と電極とを得た。
<実施例3>
試料溶液作製工程と白金カルボニル錯体溶液作製工程とで、エタノールの代わりに、ヘキサノールを使用し、白金カルボニル錯体溶液作製工程において攪拌する時間を40時間としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例3に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒(以下、「Pt−hex/CB」ともいう)と電極とを得た。
<Example 2>
In the sample solution preparation step and the platinum carbonyl complex solution preparation step, butanol was used instead of ethanol, and the stirring time in the platinum carbonyl complex solution preparation step was set to 42 hours. A platinum particle-supported carbon black catalyst (hereinafter also referred to as “Pt-but / CB”) and an electrode according to Example 2 were obtained.
<Example 3>
In the sample solution preparation step and the platinum carbonyl complex solution preparation step, hexanol was used instead of ethanol, and the stirring time in the platinum carbonyl complex solution preparation step was 40 hours, as in Example 1, A platinum particle-supported carbon black catalyst (hereinafter also referred to as “Pt-hex / CB”) and an electrode according to Example 3 were obtained.
<実施例4>
(A)試料溶液作製工程
水とアセトニトリルとの1:1の混合溶媒に、0.5mmol/LのH2PtCl6・6H2Oを溶解させた試料溶液を作製した。
(B)白金カルボニル錯体溶液作製工程
試料溶液を30℃で加熱しながら、試料溶液にArガスを20分間バブリングした後、COを4時間バブリングして、その後、4時間攪拌することにより、白金カルボニル錯体溶液を作製した。
<Example 4>
(A) Sample Solution Preparation Step A sample solution was prepared by dissolving 0.5 mmol / L H 2 PtCl 6 .6H 2 O in a 1: 1 mixed solvent of water and acetonitrile.
(B) Step of preparing platinum carbonyl complex solution While heating the sample solution at 30 ° C., Ar gas was bubbled into the sample solution for 20 minutes, then CO was bubbled for 4 hours, and then stirred for 4 hours, thereby producing platinum carbonyl. A complex solution was prepared.
(C)混合工程
水とアセトニトリルとの1:1の混合溶媒4mlにケッチェンブラック0.39mgを分散させたカーボン粒子分散液と、白金カルボニル錯体溶液とを、超音波処理を1時間行いながら混合して、Pt/CB溶液を得た。
(D)濾過工程
Pt/CB溶液を濾過することにより、実施例4に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒(以下、「Pt−30/CB」ともいう)を得た。
(E)電極作製工程
実施例4に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒をエタノール1.1ml中に分散して、懸濁液を得て、懸濁液20μlをマイクロピペットで直径5mmのグラッシーカーボン製円柱体の上面に滴下して、乾燥させることにより、実施例4に係る電極を得た。
(C) Mixing step A carbon particle dispersion obtained by dispersing 0.39 mg of Ketjen Black in 4 ml of a 1: 1 mixed solvent of water and acetonitrile and a platinum carbonyl complex solution are mixed while performing ultrasonic treatment for 1 hour. Thus, a Pt / CB solution was obtained.
(D) Filtration process By filtering the Pt / CB solution, a platinum particle-supporting carbon black catalyst (hereinafter also referred to as “Pt-30 / CB”) according to Example 4 was obtained.
(E) Electrode preparation step The platinum particle-supported carbon black catalyst according to Example 4 was dispersed in 1.1 ml of ethanol to obtain a suspension, and 20 μl of the suspension was made into a glassy carbon cylinder having a diameter of 5 mm with a micropipette. The electrode which concerns on Example 4 was obtained by dripping on the upper surface of a body and making it dry.
<実施例5>
白金カルボニル錯体溶液作製工程において50℃で加熱しながら、その後、90分攪拌したこと以外は実施例4と同様にして、実施例5に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒(以下、「Pt−50/CB」ともいう)と電極とを得た。
<Example 5>
The platinum particle-supported carbon black catalyst (hereinafter referred to as “Pt-50 / Pt”) according to Example 5 was used in the same manner as in Example 4 except that the mixture was heated at 50 ° C. in the platinum carbonyl complex solution preparation step and then stirred for 90 minutes. CB ”) and an electrode.
<比較例1>
Pt/CB触媒(田中貴金属製、商品名「TEC10E50E」)を比較例1に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒(以下、「Pt/CB−TKK」ともいう)とした。また、比較例1に係る電極を得た。
<比較例2>
白金カルボニル錯体溶液作製工程において70℃で加熱しながら、その後、1時間攪拌したこと以外は実施例4と同様にして、比較例2に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒(以下、「Pt−70/CB」ともいう)と電極とを得た。
<Comparative Example 1>
A platinum particle-supported carbon black catalyst (hereinafter also referred to as “Pt / CB-TKK”) according to Comparative Example 1 was used as a Pt / CB catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku, trade name “TEC10E50E”). Moreover, the electrode which concerns on the comparative example 1 was obtained.
<Comparative example 2>
The platinum particle-supported carbon black catalyst according to Comparative Example 2 (hereinafter referred to as “Pt-70 /”), except that the platinum carbonyl complex solution was heated at 70 ° C. and then stirred for 1 hour in the same manner as in Example 4. CB ”) and an electrode.
<物性評価>
(1)電解放射型透過電子顕微鏡写真
電解放射型透過電子顕微鏡(FE-TEM)(日立製作所社製、「HF-2000」、加速電圧200 kV)を用いて、TEM写真を撮影した。
図2〜図4、図6〜図9に、実施例1〜5及び比較例1〜2に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒のTEM写真と、粒度分布のグラフとを示す。
その結果、比較例1に係る白金粒子担持カーボンブラック触媒は、平均粒子径が3.19±0.68nmの微粒子状の白金をカーボン表面に担持していた。つまり、粒子径が大きくかつ分布幅が広い微粒子状の白金を担持している。
<Physical property evaluation>
(1) Electrolytic emission transmission electron microscope photograph A TEM photograph was taken using an electrolytic emission transmission electron microscope (FE-TEM) (manufactured by Hitachi, Ltd., "HF-2000", acceleration voltage 200 kV).
FIGS. 2 to 4 and FIGS. 6 to 9 show TEM photographs and graphs of particle size distribution of the platinum particle-supported carbon black catalysts according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.
As a result, the platinum particle-supported carbon black catalyst according to Comparative Example 1 supported fine platinum particles having an average particle diameter of 3.19 ± 0.68 nm on the carbon surface. That is, it carries fine platinum having a large particle size and a wide distribution width.
<性能評価>
(2)Tafelプロット
Tafelプロットを算出するための対流ボルタモグラムを測定するのに、回転電極用測定セルを使用した。ここで、図10は、回転電極用測定セルを示す図である。
回転電極用測定セルは、第一貯水槽31と、第二貯水槽32と、第一貯水槽31内の上部に配置される作用極21と、第一貯水槽31内の下部に配置される対極22と、第二貯水槽32内の上部に配置される参照極(RHE)23と、第一貯水槽31内と第二貯水槽32内とを連結するキャピラリー24と、第一貯水槽31内に連結される酸素ガス供給口25及び酸素ガス排出口26と、作用極21が下部に取り付けられる電極支持体30と、電極支持体30を回転させるモータ27と、回転電極用測定セルを制御するポテンシオスタット28とを備える。
<Performance evaluation>
(2) Tafel plot The measurement cell for rotating electrodes was used to measure the convection voltammogram for calculating the Tafel plot. Here, FIG. 10 is a diagram showing a measurement cell for a rotating electrode.
The rotating electrode measurement cell is arranged in the first water tank 31, the second water tank 32, the working electrode 21 arranged in the upper part in the first water tank 31, and the lower part in the first water tank 31. A counter electrode 22, a reference electrode (RHE) 23 disposed at an upper portion in the second water tank 32, a capillary 24 that connects the first water tank 31 and the second water tank 32, and the first water tank 31. The oxygen gas supply port 25 and the oxygen gas discharge port 26 connected to the inside, the electrode support 30 to which the working electrode 21 is attached at the bottom, the motor 27 for rotating the electrode support 30, and the measurement cell for the rotating electrode are controlled. And a potentiostat 28.
ポテンシオスタット28は、例えば、コンピュータ制御のポテンシオスタット「BASCV−50W」等である。
作用極21には、実施例1〜5及び比較例1〜2に係る電極を用いた。このとき、作用極21を、熱収縮チューブと銀ペーストとを用いて、グラッシーカーボン製円柱体の上面が下側となるように、電極支持体30の下部に取り付けた。さらに、メタクリル酸メチルポリマー(和光純薬工業社製、「138−02735」)のアセトン溶液を作用極21の側面に塗布した後、アセトンを除去することにより、作用極21の側面をメタクリル酸メチルポリマーで被覆した。
The potentiostat 28 is, for example, a computer-controlled potentiostat “BASCV-50W” or the like.
As the working electrode 21, the electrodes according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 were used. At this time, the working electrode 21 was attached to the lower part of the electrode support 30 using a heat-shrinkable tube and silver paste so that the upper surface of the glassy carbon cylinder was on the lower side. Further, an acetone solution of methyl methacrylate polymer (“138-02735” manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was applied to the side surface of the working electrode 21, and then the acetone was removed, so that the side surface of the working electrode 21 was methyl methacrylate. Coated with polymer.
なお、対極22は円形状の白金板で形成し、参照極23はHg/Hg2SO4電極で形成した。第一貯水槽31内と第二貯水槽32内とには、0.1mol/LのHClO4を電解液29として入れた。
また、測定中には、電解液29を25℃に保ち、酸素ガス供給口25から酸素ガスを流速20ml/minで導入しながら、0.05〜1.0V(vs.RHE)まで正電位方向に走査して行った。
そして、モータ27を各回転数(0、1600rpm)で回転させた際に得られる測定電流i及び電極電位Eを5回ずつ測定した。
The counter electrode 22 was formed of a circular platinum plate, and the reference electrode 23 was formed of an Hg / Hg 2 SO 4 electrode. In the first water tank 31 and the second water tank 32, 0.1 mol / L HClO 4 was put as the electrolyte solution 29.
During the measurement, the electrolytic solution 29 is kept at 25 ° C., and the oxygen gas is introduced from the oxygen gas supply port 25 at a flow rate of 20 ml / min, and the positive potential direction is 0.05 to 1.0 V (vs. RHE). Scanning was performed.
Then, the measurement current i and the electrode potential E obtained when the motor 27 was rotated at each rotation speed (0, 1600 rpm) were measured five times.
その結果、1600rpmの結果の平均値から0rpmの結果の平均値を差し引くことで、対流ボルタモグラムを得た。そして、式(1)を用いてPt実面積Sptを算出した。さらに、対流ボルタモグラムから式(2)を用いて活性化支配電流ikを算出し、活性化支配電流ikと電極電位Eとの関係からTafelプロットを描いた。図11及び図12に、実施例1〜5及び比較例1に係る電極のTafelプロットを示す。
Spt=Q/210・・・・・・(1)
ik=il×i/(il−i)・・・(2)
ここで、Qは水素の脱着電気量であり、ilは拡散限界電流であり、iは測定電流である。
As a result, a convection voltammogram was obtained by subtracting the average value of the result of 0 rpm from the average value of the result of 1600 rpm. And Pt real area Spt was computed using Formula (1). Furthermore, the activation dominant current ik was calculated from the convection voltammogram using the equation (2), and a Tafel plot was drawn from the relationship between the activation dominant current ik and the electrode potential E. 11 and 12 show Tafel plots of the electrodes according to Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. FIG.
S pt = Q / 210 (1)
i k = i l × i / (i l −i) (2)
Here, Q is the amount of electricity desorbed from hydrogen, i l is the diffusion limit current, and i is the measurement current.
本発明は、白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造等に利用することができる。 The present invention can be used for the production of platinum particle-supported carbon black catalysts.
1 高分子固体電解質膜
2 酸素極
3 水素極
4、5 ガスケット
6、7 集電体
8、10 フレーム
9 酸素極室
11 水素極室
12 酸素ガス供給口
13 未反応酸素ガス及び生成水取出口
14 水素ガス供給口
15 未反応水素ガス取出口
21 作用極
22 対極
23 参照極
24 キャピラリー
25 酸素ガス供給口
26 酸素ガス排出口
27 モータ
28 ポテンシオスタット
30 電極支持体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer solid electrolyte membrane 2 Oxygen electrode 3 Hydrogen electrode 4, 5 Gasket 6, 7 Current collector 8, 10 Frame 9 Oxygen electrode chamber 11 Hydrogen electrode chamber 12 Oxygen gas supply port 13 Unreacted oxygen gas and generated water outlet 14 Hydrogen gas supply port 15 Unreacted hydrogen gas outlet 21 Working electrode 22 Counter electrode 23 Reference electrode 24 Capillary 25 Oxygen gas supply port 26 Oxygen gas discharge port 27 Motor 28 Potentiostat 30 Electrode support
Claims (4)
前記試料溶液を30℃以上40℃以下で加熱しながら、前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、白金カルボニル錯体溶液を作製する白金カルボニル錯体溶液作製工程と、
前記試料溶液作製工程で選択された1種類の溶媒にカーボン粒子を分散させたカーボン粒子分散液に、前記白金カルボニル錯体溶液を混合する混合工程とを含み、
白金粒子担持カーボンブラック触媒を焼成せず得ることを特徴とする白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法。
M2PtX6・・・(1)
M2PtX4・・・(2)
ここで、Mはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Xはハロゲン原子である。 A platinum compound represented by chemical formula (1) or chemical formula (2) is dissolved in one kind of solvent selected from the group consisting of a mixed solvent of water and acetonitrile, ethanol, and butanol or hexanol to prepare a sample solution. A sample solution preparation process;
A step of preparing a platinum carbonyl complex solution by bubbling carbon monoxide to the sample solution while heating the sample solution at 30 ° C. or higher and 40 ° C. or lower;
Wherein the sample solution preparation step of carbon particle dispersion obtained by dispersing carbon particles into one solvent selected in, and a mixing step of mixing the platinum carbonyl complex solution,
A method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst, characterized in that the platinum particle-supported carbon black catalyst can be obtained without firing.
M 2 PtX 6 (1)
M 2 PtX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
25℃以上65℃以下の温度範囲から選択される所定の温度で試料溶液を加熱しながら、前記試料溶液に一酸化炭素をバブリングして、白金カルボニル錯体溶液を作製する白金カルボニル錯体溶液作製工程と、
水とアセトニトリルとの混合溶媒にカーボン粒子を分散させたカーボン粒子分散液に、前記白金カルボニル錯体溶液を混合する混合工程とを含み、
白金粒子担持カーボンブラック触媒を焼成せず得ることを特徴とする白金粒子担持カーボンブラック触媒の製造方法。
M2PtX6・・・(1)
M2PtX4・・・(2)
ここで、Mはアルカリ金属、アンモニウム基又は水素であり、Xはハロゲン原子である。 A sample solution preparation step of preparing a sample solution by dissolving a platinum compound represented by chemical formula (1) or chemical formula (2) in a mixed solvent of water and acetonitrile;
A platinum carbonyl complex solution preparation step of preparing a platinum carbonyl complex solution by bubbling carbon monoxide to the sample solution while heating the sample solution at a predetermined temperature selected from a temperature range of 25 ° C. to 65 ° C. ,
The carbon particle dispersion obtained by dispersing carbon particles in a mixed solvent of water and acetonitrile, and a mixing step of mixing the platinum carbonyl complex solution,
A method for producing a platinum particle-supported carbon black catalyst, characterized in that the platinum particle-supported carbon black catalyst can be obtained without firing.
M 2 PtX 6 (1)
M 2 PtX 4 (2)
Here, M is an alkali metal, an ammonium group or hydrogen, and X is a halogen atom.
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