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JP6859731B2 - Fuel cell cathode catalyst - Google Patents

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JP6859731B2 JP2017020393A JP2017020393A JP6859731B2 JP 6859731 B2 JP6859731 B2 JP 6859731B2 JP 2017020393 A JP2017020393 A JP 2017020393A JP 2017020393 A JP2017020393 A JP 2017020393A JP 6859731 B2 JP6859731 B2 JP 6859731B2
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Description

本発明は、燃料電池カソード用触媒に関し、さらに詳しくは、金属元素Mを含む白金ブロンズを含む燃料電池カソード用触媒に関する。 The present invention relates to a fuel cell cathode catalyst, and more particularly to a fuel cell cathode catalyst containing platinum bronze containing a metal element M.

固体高分子形燃料電池の触媒層には、通常、触媒粒子を担持した担体(電極触媒)と、固体高分子電解質(触媒層アイオノマ)との混合物が用いられている。また、触媒粒子には、通常、白金又は白金合金が用いられている。
一般に、触媒粒子の担持量が多くなるほど、電極触媒の性能は向上する。しかし、白金又は白金合金は高価であるため、白金の使用量が多くなるほど、燃料電池のコストが上昇する。燃料電池を低コスト化するためには、触媒層全体に含まれる白金量を低減する必要がある。また、燃料電池における白金使用量を低減するには、少ない白金量で高い性能を示す電極触媒が必要である。
For the catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, a mixture of a carrier (electrode catalyst) carrying catalyst particles and a solid polymer electrolyte (catalyst layer ionoma) is usually used. Further, platinum or a platinum alloy is usually used as the catalyst particles.
Generally, the larger the amount of catalyst particles supported, the better the performance of the electrode catalyst. However, since platinum or a platinum alloy is expensive, the cost of the fuel cell increases as the amount of platinum used increases. In order to reduce the cost of the fuel cell, it is necessary to reduce the amount of platinum contained in the entire catalyst layer. Further, in order to reduce the amount of platinum used in the fuel cell, an electrode catalyst that exhibits high performance with a small amount of platinum is required.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、非特許文献1には、MxPt34型(M=Li、Na、Mg、Ca、Zn、Cd、Co、及びNi)の白金金属酸化物(Platinum Metal Oxides)の合成方法が開示されている。
同文献には、LixPt34、CoxPt34、及びNixPt34は、高い酸素還元活性と、Pt34電極と同等のボルタンメトリック特性とを持つ点が記載されている。
Therefore, in order to solve this problem, various proposals have been made conventionally.
For example, Non-Patent Document 1 describes a method for synthesizing platinum metal oxides of M x Pt 3 O 4 type (M = Li, Na, Mg, Ca, Zn, Cd, Co, and Ni). It is disclosed.
According to the same document, Li x Pt 3 O 4 , Co x Pt 3 O 4 , and Ni x Pt 3 O 4 have high oxygen reduction activity and voltanmetric properties equivalent to those of the Pt 3 O 4 electrode. Is described.

また、非特許文献2には、ニッケル−白金酸化物ブロンズ(NixPt34、x=0.4〜0.5)の合成法及びその物性(サイクリックボルタンメトリー、X線回折、X線光電子分光(XPS)、X線吸収微細構造(XAFS))が開示されている。
同文献には、ニッケル−白金酸化物ブロンズは、熱酸中における溶解度が低く、メタル白金(metallic platinum)に近い触媒活性を示すため、カソード触媒として使用可能である点が記載されている。
In addition, Non-Patent Document 2 describes a method for synthesizing nickel-platinum oxide bronze (Ni x Pt 3 O 4 , x = 0.4 to 0.5) and its physical properties (cyclic voltammetry, X-ray diffraction, X-ray). Photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption fine structure (XAFS)) are disclosed.
The document describes that nickel-platinum oxide bronze can be used as a cathode catalyst because it has low solubility in thermal acid and exhibits catalytic activity close to that of metallic platinum.

燃料電池において、カソード用触媒には、一般に、白金が用いられている。また、白金は、一般に、カーボン担体表面に担持された状態で用いられている。しかし、白金は、高価であるため、燃料電池を低コスト化するために白金使用量の低減が求められている。 In a fuel cell, platinum is generally used as the catalyst for the cathode. Further, platinum is generally used in a state of being supported on the surface of a carbon carrier. However, since platinum is expensive, it is required to reduce the amount of platinum used in order to reduce the cost of the fuel cell.

一方、非特許文献1、2には、白金ブロンズをカソード用触媒として使用可能である点が記載されている。しかし、これらの文献においては、白金ブロンズ表面(すなわち、酸化物表面)のみの酸素還元及び水電解性能の評価(すなわち、メタル白金が生成しない0.6Vより高い電位での評価)が行われているだけであり、メタル化した表面の活性を評価していない。また、白金ブロンズ表面(酸化物表面)の酸素還元活性は、白金に比べて低い。そのため、車載用などの高い出力が求められるデバイスにおいて白金ブロンズを触媒として使用する場合、多量の触媒が必要となる。さらに、非特許文献1、2では、白金ブロンズの耐久性についても評価されていない。 On the other hand, Non-Patent Documents 1 and 2 describe that platinum bronze can be used as a catalyst for a cathode. However, in these documents, the oxygen reduction and water electrolysis performance of only the platinum bronze surface (that is, the oxide surface) is evaluated (that is, the evaluation at a potential higher than 0.6 V in which metal platinum is not produced). However, the activity of the metallized surface has not been evaluated. Moreover, the oxygen reduction activity of the platinum bronze surface (oxide surface) is lower than that of platinum. Therefore, when platinum bronze is used as a catalyst in a device such as an in-vehicle device that requires high output, a large amount of catalyst is required. Furthermore, Non-Patent Documents 1 and 2 do not evaluate the durability of platinum bronze.

R.D.Shannon et al., Inorg. Chem., 21, 3372(1982)R.D. Shannon et al., Inorg. Chem., 21, 3372 (1982) D.A.Tryk et al., Proceeding of the Symposium on Electrode Materials and Processed for Energy Conversion and Strage, 408-417(1994)D.A.Tryk et al., Proceeding of the Symposium on Electrode Materials and Processed for Energy Conversion and Strage, 408-417 (1994)

本発明が解決しようとする課題は、白金ブロンズを含む新規な燃料電池カソード用触媒を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、カソード環境下においても高い耐久性を示す新規な燃料電池カソード用触媒を提供することにある。
An object to be solved by the present invention is to provide a novel fuel cell cathode catalyst containing platinum bronze.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a novel catalyst for a fuel cell cathode that exhibits high durability even in a cathode environment.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池カソード用触媒は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記燃料電池カソード用触媒は、金属元素Mを含む白金ブロンズを含む。
(2)前記金属元素Mは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pd、Bi、及びランタノイドからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素からなる。
(3)前記白金ブロンズは、表面の一部がメタル白金層からなる。
In order to solve the above problems, it is a gist that the fuel cell cathode catalyst according to the present invention has the following configurations.
(1) The fuel cell cathode catalyst contains platinum bronze containing a metal element M.
(2) The metal element M is Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge. , Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pd, Bi, and lanthanoids. Consists of any one or more elements selected from.
(3) A part of the surface of the platinum bronze is made of a metal platinum layer.

白金ブロンズをカソード環境下で使用した場合、白金ブロンズの表面は酸化物のままであり、白金ブロンズ表面の一部がメタル白金化することはない。しかし、白金ブロンズに対して所定の処理を施すと、白金ブロンズ表面の一部がメタル白金化する。表面の一部がメタル白金化した白金ブロンズの比活性(酸素還元活性)は、白金担持カーボンとほぼ同等の値を示す。そのため、これを燃料電池カソード用触媒として用いると、白金担持カーボンと同等以上の酸素還元活性が得られる。また、白金ブロンズは、白金に比べてカソード環境下における白金の溶出率が低く、耐久性も高い。
さらに、表面の一部がメタル白金化した白金ブロンズを触媒として用いると、メタル白金を触媒に用いた場合に比べて、白金使用量を削減することができる。
When platinum bronze is used in a cathode environment, the surface of the platinum bronze remains an oxide, and a part of the platinum bronze surface does not become metal platinum. However, when the platinum bronze is subjected to a predetermined treatment, a part of the platinum bronze surface becomes metal platinum. The specific activity (oxygen reduction activity) of platinum bronze whose surface is partially metal-platinated shows almost the same value as platinum-supported carbon. Therefore, when this is used as a catalyst for a fuel cell cathode, oxygen reduction activity equal to or higher than that of platinum-supported carbon can be obtained. In addition, platinum bronze has a lower elution rate of platinum in a cathode environment and higher durability than platinum.
Further, when platinum bronze having a part of the surface plated with metal is used as a catalyst, the amount of platinum used can be reduced as compared with the case where metal platinum is used as a catalyst.

白金ブロンズの結晶構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of platinum bronze. 熱処理後の試料(CoxPt34+Pt)及び熱処理前の原料混合物(PtO2+Co硝酸塩)のXRDパターンである。It is an XRD pattern of the sample after the heat treatment (Co x Pt 3 O 4 + Pt) and the raw material mixture before the heat treatment (Pt O 2 + Co nitrate). 熱処理後の試料(図3(A))及び熱処理前の原料混合物(図3(B))のSEM像である。3 is an SEM image of the sample after the heat treatment (FIG. 3 (A)) and the raw material mixture before the heat treatment (FIG. 3 (B)). 王水処理前後の試料のXRDパターンである。It is an XRD pattern of a sample before and after aqua regia treatment.

CoxPt34(図5(A))、及びPt/Vulcan(登録商標)(図5(B))のコンディショニング時のサイクリックボルタモグラムである。Co x Pt 3 O 4 (FIG. 5 (A)), and Pt / Vulcan (registered trademark) is a cyclic voltammogram at conditioning (Fig. 5 (B)). CoxPt34、及びPt/Vulcan(登録商標)の酸素雰囲気でのサイクリックボルタモグラムである。Co x Pt 3 O 4, and is a cyclic voltammogram of an oxygen atmosphere of Pt / Vulcan (registered trademark). CoxPt34、及びPt/Vulcan(登録商標)の電気化学的有効比表面積(ECSA)、重量活性、及び比活性である。Co x Pt 3 O 4, and Pt / Vulcan electrochemically effective specific surface area of (R) (ECSA), by weight active, and specific activity. Pt/Vulcan(登録商標)、及びMxPt34(M=Co、Ce、Li、Mn、Cu、In、Na、Ca)の酸素還元活性である。Pt / Vulcan® and M x Pt 3 O 4 (M = Co, Ce, Li, Mn, Cu, In, Na, Ca) oxygen reduction activity.

電気化学評価後のCoxPt34/GCのXRDパターンである。Is an XRD pattern of Co x Pt 3 O 4 / GC after electrochemical evaluation. 電気化学評価後のCoxPt34のSTEM像(図10(A):低倍率像、図10(B):高倍率像)である。STEM images of Co x Pt 3 O 4 after the electrochemical evaluation (FIG. 10 (A): Higher magnification: low magnification image, FIG. 10 (B)) is. 電気化学評価前後のCoxPt34のXPSスペクトルである。Is an XPS spectrum of the electrochemical evaluation before and after Co x Pt 3 O 4. 表面及びバルク層にある原子のXPSスペクトルのシグナルへの寄与を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the contribution to the signal of the XPS spectrum of the atom on the surface and the bulk layer. メタルPtの厚み(Δx/λ')とΔS'/SPtとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness (Δx / λ') of metal Pt, and ΔS'/ S Pt.

CoxPt34、及び白金ブラックの耐久試験時の白金溶出率を示す図である。Co x Pt 3 O 4, and illustrates a platinum dissolution rate during the durability test of the platinum black. 80wt%エタノールで処理したCoxPt34のコンディショニング時のサイクリックボルタモグラムである。Is a cyclic voltammogram at conditioning Co x Pt 3 O 4 treated with 80 wt% ethanol. 処理方法の異なるCoxPt34の電気化学的有効比表面積(ECSA)の比較である。A comparison of processing different Co x Pt 3 electrochemically effective specific surface area of the O 4 of the process (ECSA). 処理方法の異なるCoxPt34の白金被覆率(ECSA/BET比表面積)の比較である。A comparison of a different Co x Pt 3 platinum coverage O 4 of processing method (ECSA / BET specific surface area).

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 燃料電池カソード用触媒]
本発明に係る燃料電池カソード用触媒は、以下の構成を備えている。
(1)前記燃料電池カソード用触媒は、金属元素Mを含む白金ブロンズを含む。
(2)前記金属元素Mは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pd、Bi、及びランタノイドからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素からなる。
(3)前記白金ブロンズは、表面の一部がメタル白金層からなる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Fuel cell cathode catalyst]
The fuel cell cathode catalyst according to the present invention has the following configurations.
(1) The fuel cell cathode catalyst contains platinum bronze containing a metal element M.
(2) The metal element M is Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge. , Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pd, Bi, and lanthanoids. Consists of any one or more elements selected from.
(3) A part of the surface of the platinum bronze is made of a metal platinum layer.

[1.1. 白金ブロンズ]
図1に、白金ブロンズの結晶構造を示す。「白金ブロンズ」とは、白金、酸素、及び、第三成分として金属元素Mのイオンを含む複合金属酸化物をいう。白金ブロンズの組成式は、一般にMxPt34で表される。白金ブロンズの空間群はPm3nであり、白金原子が6cサイト、酸素原子が8eサイト、金属元素Mが2aサイトに位置する。金属元素Mの量xは、合成条件(金属仕込み量、合成温度など)により異なる。xは、通常、0<x≦1である。
[1.1. Platinum bronze]
FIG. 1 shows the crystal structure of platinum bronze. "Platinum bronze" refers to a composite metal oxide containing platinum, oxygen, and ions of the metal element M as a third component. The composition formula of platinum bronze is generally represented by M x Pt 3 O 4. The space group of platinum bronze is Pm3n, and the platinum atom is located at 6c site, the oxygen atom is located at 8e site, and the metal element M is located at 2a site. The amount x of the metal element M differs depending on the synthesis conditions (metal charge amount, synthesis temperature, etc.). x is usually 0 <x ≦ 1.

本発明に係る燃料電池カソード用触媒は、白金ブロンズのみからなるものでも良く、あるいは、白金ブロンズを適切な担体(例えば、カーボン担体、導電性酸化物担体、金属担体)の表面に担持したものでも良い。さらに、白金ブロンズは、単独で用いても良く、あるいは、他の触媒と併用しても良い。 The fuel cell cathode catalyst according to the present invention may consist of only platinum bronze, or may have platinum bronze supported on the surface of an appropriate carrier (for example, carbon carrier, conductive oxide carrier, metal carrier). good. Furthermore, platinum bronze may be used alone or in combination with other catalysts.

[1.2. 金属元素M]
金属元素Mは、
(a)Li、Na、K、Rb、Cs、
(b)Mg、Ca、Sr、Ba、
(c)Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、
(d)Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、
(e)Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pd、Bi、又はランタノイドからなる。白金ブロンズには、これらのいずれか1種の金属元素Mが含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
[1.2. Metal element M]
The metal element M is
(A) Li, Na, K, Rb, Cs,
(B) Mg, Ca, Sr, Ba,
(C) Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge,
(D) Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb,
(E) Consists of Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pd, Bi, or lanthanoids. The platinum bronze may contain any one of these metal elements M, or may contain two or more of them.

これらの中でも、金属元素Mは、Co、Ce、Li、Mn、Cu、In、Na、及びCaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素が好ましい。これらの金属元素Mを含む白金ブロンズは、いずれも相対的に高い酸素還元活性を示し、かつ、カソード環境下における耐久性も高い。 Among these, the metal element M is preferably any one or more elements selected from the group consisting of Co, Ce, Li, Mn, Cu, In, Na, and Ca. All of the platinum bronze containing these metal elements M show relatively high oxygen reduction activity and also have high durability in a cathode environment.

[1.3. 白金ブロンズの表面状態]
合成直後の白金ブロンズの表面は、酸化物の状態になっていると考えられる。しかし、白金ブロンズを所定の条件下で処理すると、白金ブロンズが還元され、表面の一部がメタル白金層となる。但し、理由の詳細は不明であるが、長時間処理しても、白金ブロンズの表面全面がメタル白金層となることはない。
白金ブロンズの表面積に対するメタル白金層の面積の割合は、金属元素Mの種類や処理条件により異なる。メタル白金層の被覆率=電気化学有効表面積(ECSA)÷BET比表面積×100(%)と定義すると、被覆率は、10〜40%、あるいは、それ以上となる。
[1.3. Surface condition of platinum bronze]
The surface of platinum bronze immediately after synthesis is considered to be in an oxide state. However, when the platinum bronze is treated under predetermined conditions, the platinum bronze is reduced and a part of the surface becomes a metal platinum layer. However, although the details of the reason are unknown, the entire surface of the platinum bronze does not become a metal platinum layer even after long-term treatment.
The ratio of the area of the metal platinum layer to the surface area of the platinum bronze varies depending on the type of the metal element M and the treatment conditions. If the coverage of the metal platinum layer is defined as = electrochemical effective surface area (ECSA) ÷ BET specific surface area × 100 (%), the coverage is 10 to 40% or more.

白金ブロンズの表面が還元されることにより生成するメタル白金層の厚みは、極めて薄い。そのため、白金ブロンズに対してX線回折測定を行った場合、白金に由来するピークは認められない。
一方、XPS測定を行うと、メタル白金層の厚みを見積もることができる。後述する方法を用いると、XPS測定から求められるメタル白金層の厚みは、1.6nm以下と見積もられる。
The thickness of the metal platinum layer formed by reducing the surface of platinum bronze is extremely thin. Therefore, when X-ray diffraction measurement is performed on platinum bronze, no peak derived from platinum is observed.
On the other hand, the thickness of the metal platinum layer can be estimated by performing XPS measurement. Using the method described below, the thickness of the metal platinum layer determined from XPS measurement is estimated to be 1.6 nm or less.

[1.4. 用途]
本発明に係る触媒は、種々の燃料電池のカソード用触媒として使用することができる。本発明が適用可能な燃料電池としては、例えば、固体高分子形燃料電池、アルカリ形燃料電池、リン酸形燃料電池などがある。
[1.4. Use]
The catalyst according to the present invention can be used as a cathode catalyst for various fuel cells. Examples of the fuel cell to which the present invention can be applied include a polymer electrolyte fuel cell, an alkaline fuel cell, and a phosphoric acid fuel cell.

[2. 燃料電池カソード用触媒の製造方法]
[2.1. 白金ブロンズの製造]
白金ブロンズは、
(a)白金源に対して所定量の金属元素Mの原料を添加し、
(b)原料混合物を所定の条件下で固相反応させ、
(c)必要に応じて、得られた反応物から副生したメタル白金を除去し、
(d)白金ブロンズ表面を還元処理する
ことにより得られる。
[2. Manufacturing method of catalyst for fuel cell cathode]
[2.1. Manufacture of platinum bronze]
Platinum bronze
(A) A predetermined amount of the raw material of the metal element M is added to the platinum source, and the raw material is added.
(B) The raw material mixture is subjected to a solid phase reaction under predetermined conditions.
(C) If necessary, remove the by-produced metal platinum from the obtained reactant, and remove it.
(D) Obtained by reducing the surface of platinum bronze.

[2.1.1. 配合工程]
まず、白金源に対して所定量の金属元素Mの原料(以下、「金属源」ともいう)を添加する(配合工程)。
白金源は、白金ブロンズを合成可能なものである限りにおいて、特に限定されない、白金源としては、例えば、
(a)酸化白金(PtO2)、
(b)白金の硝酸塩、クロロ錯体、アンミン塩、ヒドロキシ錯体
などがある。
金属源は、白金ブロンズを合成可能なものである限りにおいて、特に限定されない。金属源としては、例えば、
(a)硝酸塩、フッ化物塩、塩化物塩、臭化物塩、ヨウ化物塩、炭酸塩、過塩素酸塩、リン酸塩、硫酸塩、ホウ酸塩などの無機アニオンとの塩、
(b)酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩などの有機アニオンとの塩、
などがある。
金属源の添加量は、目的に応じて最適な添加量を選択する。一般に、金属源の添加量が多くなるほど、xの大きな白金ブロンズが得られる。
[2.1.1. Blending process]
First, a predetermined amount of a raw material of the metal element M (hereinafter, also referred to as “metal source”) is added to the platinum source (blending step).
The platinum source is not particularly limited as long as platinum bronze can be synthesized, and examples of the platinum source include, for example.
(A) Platinum oxide (PtO 2 ),
(B) Platinum nitrate, chloro complex, ammine salt, hydroxy complex and the like.
The metal source is not particularly limited as long as platinum bronze can be synthesized. As a metal source, for example
(A) Salts with inorganic anions such as nitrates, fluoride salts, chloride salts, bromide salts, iodide salts, carbonates, perchlorates, phosphates, sulfates, borates, etc.
(B) Salts with organic anions such as acetates, oxalates, citrates,
and so on.
For the amount of the metal source added, the optimum amount to be added is selected according to the purpose. In general, the larger the amount of the metal source added, the more platinum bronze having a large x can be obtained.

[2.1.2. 反応工程]
次に、原料混合物を所定の条件下で固相反応させる(反応工程)。反応条件は、白金ブロンズの組成や原料の種類に応じて最適な条件を選択する。反応温度は、白金ブロンズの組成等にもよるが、通常、650〜700℃である。反応時間は、通常、数分〜数時間程度である。原料混合物を所定の条件下で熱処理すると、白金ブロンズが生成すると同時に、メタル白金が副生する。
[2.1.2. Reaction process]
Next, the raw material mixture is subjected to a solid phase reaction under predetermined conditions (reaction step). As the reaction conditions, the optimum conditions are selected according to the composition of platinum bronze and the type of raw material. The reaction temperature is usually 650 to 700 ° C., although it depends on the composition of platinum bronze and the like. The reaction time is usually about several minutes to several hours. When the raw material mixture is heat-treated under predetermined conditions, platinum bronze is produced and at the same time, metal platinum is produced as a by-product.

[2.1.3. 精製工程]
次に、必要に応じて、得られた反応物から副成したメタル白金を除去する(精製工程)。メタル白金の除去は、王水処理により行うのが好ましい。所定の条件下で王水処理を行うと、反応物から白金ブロンズを単離することができる。
[2.1.3. Purification process]
Next, if necessary, the metal platinum by-product is removed from the obtained reactant (purification step). The removal of metallic platinum is preferably carried out by aqua regia treatment. When aqua regia treatment is performed under predetermined conditions, platinum bronze can be isolated from the reaction product.

[2.1.4. 還元工程]
次に、白金ブロンズ表面を還元処理し、表面の一部をメタル白金化させる。還元処理方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の方法を用いることができる。
還元処理方法としては、例えば、電位サイクル法、還元剤法などがある。これらの方法は、いずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。特に、電位サイクルと還元剤法とを併用すると、電位サイクル法のみを用いた場合に比べて、高いECSAが得られる。
[2.1.4. Reduction process]
Next, the platinum bronze surface is reduced and a part of the surface is metal platinumized. The reduction treatment method is not particularly limited, and various methods can be used depending on the purpose.
Examples of the reduction treatment method include a potential cycle method and a reducing agent method. Any one of these methods may be used, or two or more of these methods may be used in combination. In particular, when the potential cycle and the reducing agent method are used in combination, higher ECSA can be obtained as compared with the case where only the potential cycle method is used.

[A. 電位サイクル法]
「電位サイクル法」とは、不活性ガス(例えば、Ar)雰囲気下において、白金ブロンズに電位サイクルを付与する方法をいう。処理条件は、白金ブロンズの組成に応じて最適な条件を選択することができる。
[A. Potential cycle method]
The "potential cycle method" refers to a method of imparting a potential cycle to platinum bronze in an atmosphere of an inert gas (for example, Ar). As the treatment conditions, the optimum conditions can be selected according to the composition of the platinum bronze.

例えば、電位サイクル付与時の電圧範囲は、白金ブロンズ表面の還元処理が進行する範囲であれば良い。電圧範囲は、通常、0.05〜1.2Vとするのが好ましい。
電位サイクル付与時の走査速度は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な速度を選択することができる。
For example, the voltage range at the time of applying the potential cycle may be a range in which the reduction treatment of the platinum bronze surface proceeds. The voltage range is usually preferably 0.05 to 1.2 V.
The scanning speed at the time of applying the potential cycle is not particularly limited, and the optimum speed can be selected according to the purpose.

一般に、電位サイクルの回数が多くなるほど、白金ブロンズ表面の還元が進行する。高い酸素還元活性を得るためには、電位サイクルの回数は、50サイクル以上が好ましい。電位サイクルの回数は、さらに好ましくは、100サイクル以上、さらに好ましくは、300サイクル以上である。
一方、必要以上に電位サイクルを付与しても、効果に差がなく、実益がない。従って、電位サイクルの回数は、目的に応じて最適な回数を選択するのが好ましい。
In general, as the number of potential cycles increases, the reduction of the platinum bronze surface progresses. In order to obtain high oxygen reduction activity, the number of potential cycles is preferably 50 or more. The number of potential cycles is more preferably 100 cycles or more, still more preferably 300 cycles or more.
On the other hand, even if the potential cycle is applied more than necessary, there is no difference in the effect and there is no actual benefit. Therefore, it is preferable to select the optimum number of potential cycles according to the purpose.

[B. 還元剤法]
「還元剤法」とは、白金ブロンズ表面を、酸化還元電位が白金のそれより低い還元剤で還元処理する方法をいう。このような還元剤としては、例えば、エタノールなどのアルコール類、水素ガス、ヒドラジンなどがある。処理条件は、白金ブロンズの組成や還元剤の種類に応じて、最適な条件を選択するのが好ましい。
一般に、還元温度が高くなるほど、及び/又は還元剤による処理時間が長くなるほど、白金ブロンズ表面の還元が進行する。一方、必要以上の高温処理及び/又は長時間処理は、効果に差が無く、実益がない。
[B. Reducing agent method]
The "reducing agent method" refers to a method of reducing the surface of platinum bronze with a reducing agent having an oxidation-reduction potential lower than that of platinum. Examples of such reducing agents include alcohols such as ethanol, hydrogen gas, and hydrazine. It is preferable to select the optimum treatment conditions according to the composition of platinum bronze and the type of reducing agent.
In general, the higher the reduction temperature and / or the longer the treatment time with the reducing agent, the more the reduction of the platinum bronze surface progresses. On the other hand, treatment at a higher temperature than necessary and / or long-term treatment has no difference in effect and has no actual benefit.

[2.2. 燃料電池カソード用触媒の製造]
得られた白金ブロンズは、そのまま触媒として用いても良く、あるいは、適切な担体の表面に担持させた状態で使用しても良い。
担体表面に白金ブロンズを担持させた触媒は、白金ブロンズの粉末及び担体を適切な溶媒中に分散させ、溶媒を除去することにより得られる。
[2.2. Manufacture of catalysts for fuel cell cathodes]
The obtained platinum bronze may be used as it is as a catalyst, or may be used in a state of being supported on the surface of an appropriate carrier.
The catalyst in which platinum bronze is supported on the surface of the carrier is obtained by dispersing the platinum bronze powder and the carrier in a suitable solvent and removing the solvent.

[3. 作用]
白金ブロンズをカソード環境下で使用した場合、白金ブロンズの表面は酸化物のままであり、白金ブロンズ表面の一部がメタル白金化することはない。しかし、白金ブロンズに対して所定の処理を施すと、白金ブロンズ表面の一部がメタル白金化する。表面の一部がメタル白金化した白金ブロンズの比活性(酸素還元活性)は、白金担持カーボンとほぼ同等の値を示す。そのため、これを燃料電池カソード用触媒として用いると、白金担持カーボンと同等以上の酸素還元活性が得られる。
[3. Action]
When platinum bronze is used in a cathode environment, the surface of the platinum bronze remains an oxide, and a part of the platinum bronze surface does not become metal platinum. However, when the platinum bronze is subjected to a predetermined treatment, a part of the platinum bronze surface becomes metal platinum. The specific activity (oxygen reduction activity) of platinum bronze whose surface is partially metal-platinated shows almost the same value as platinum-supported carbon. Therefore, when this is used as a catalyst for a fuel cell cathode, oxygen reduction activity equal to or higher than that of platinum-supported carbon can be obtained.

また、白金ブロンズは、王水に溶けないため、強酸条件も溶出せず、高い電位に曝されても劣化しない。また、酸素発生活性を有するため、高電位においてもカーボン担体を腐食しない。そのため、触媒としての耐久性も高い。
さらに、表面の一部がメタル白金化した白金ブロンズを触媒として用いると、メタル白金を触媒に用いた場合に比べて、白金使用量を削減することができる。
Moreover, since platinum bronze is insoluble in aqua regia, it does not elute strong acid conditions and does not deteriorate even when exposed to a high potential. Moreover, since it has oxygen-evolving activity, it does not corrode the carbon carrier even at a high potential. Therefore, the durability as a catalyst is also high.
Further, when platinum bronze having a part of the surface plated with metal is used as a catalyst, the amount of platinum used can be reduced as compared with the case where metal platinum is used as a catalyst.

白金ブロンズは、金属元素Mの種類によらず酸素還元活性を示す。これは、酸素還元活性がメタル化処理で生成したメタル白金に由来するもであり、第三成分の金属によらないためと考えられる。 Platinum bronze exhibits oxygen reduction activity regardless of the type of metal element M. It is considered that this is because the oxygen reduction activity is derived from the metal platinum produced by the metalization treatment and does not depend on the metal of the third component.

(実施例1〜10、比較例1〜2)
[1. 試料の作製]
非特許文献1を参考にし、次に記載する方法で白金ブロンズを合成した。酸化白金(PtO2)と金属硝酸塩とをモル比で3:1になるように秤取し、乳鉢で混合した。金属硝酸塩には、Co(NO3)2・6H2O(実施例1)、Ce(NO3)3・6H2O(実施例2)、
Ca(NO3)2・4H2O(実施例3)、LiNO3(実施例4)、
NaNO3(実施例5)、Bi(NO3)3・5H2O(実施例6)、
AgNO3(実施例7)、Cu(NO3)2・3H2O(実施例8)、
Mn(NO3)2・6H2O(実施例9)、又はIn(NO3)3・5H2O(実施例10)
を用いた。
(Examples 1 to 10, Comparative Examples 1 to 2)
[1. Preparation of sample]
Platinum bronze was synthesized by the method described below with reference to Non-Patent Document 1. Platinum oxide (PtO 2 ) and metal nitrate were weighed in a molar ratio of 3: 1 and mixed in a mortar. The metal nitrate, Co (NO 3) 2 · 6H 2 O ( Example 1), Ce (NO 3) 3 · 6H 2 O ( Example 2),
Ca (NO 3) 2 · 4H 2 O ( Example 3), LiNO 3 (Example 4),
NaNO 3 (Example 5), Bi (NO 3) 3 · 5H 2 O ( Example 6),
AgNO 3 (Example 7), Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O ( Example 8),
Mn (NO 3) 2 · 6H 2 O ( Example 9), or In (NO 3) 3 · 5H 2 O ( Example 10)
Was used.

次に、混合物を、空気通気下(1L/min)、650℃で5時間熱処理した。さらに、得られた反応物(白金ブロンズとメタル白金の混合物)を熱王水に30分間浸漬し、上澄み液を除去することでメタル白金を除去した。
比較として、白金担持カーボンの代表例としてPt/Vulcan(登録商標)(COパルス比表面積:158m2/g)(比較例1)、及びCoxPt34と同程度の粒子径の白金ブラック(BET比表面積:12.7m2/g、粒径:22.0nm)(比較例2)を用いた。
The mixture was then heat treated at 650 ° C. for 5 hours under air aeration (1 L / min). Further, the obtained reaction product (mixture of platinum bronze and metal platinum) was immersed in hot aqua regia for 30 minutes, and the supernatant liquid was removed to remove the metal platinum.
For comparison, Pt / Vulcan® (CO pulse specific surface area: 158 m 2 / g) (Comparative Example 1) as a representative example of platinum-supported carbon, and platinum black having a particle size similar to that of Co x Pt 3 O 4 (BET specific surface area: 12.7 m 2 / g, particle size: 22.0 nm) (Comparative Example 2) was used.

[2. 評価]
[2.1. 合成直後の白金ブロンズのXRD測定及びSEM観察]
図2に、熱処理後の試料(CoxPt34+Pt)及び熱処理前の原料混合物(PtO2+Co硝酸塩)のXRDパターンを示す。また、図3に、熱処理後の試料(図3(A))及び熱処理前の原料混合物(図3(B))のSEM像を示す。図2及び図3より、
(a)粗大な原料混合物から、微細な反応物が得られること、及び、
(b)反応物は、白金ブロンズ(CoxPt34)とメタル白金との混合物からなること、
がわかる。
図4に、王水処理前後の試料のXRDパターンを示す。図4より、王水処理によりメタル白金が除去され、白金ブロンズが単離されたことが確認できる。
[2. Evaluation]
[2.1. XRD measurement and SEM observation of platinum bronze immediately after synthesis]
2 shows an XRD pattern of the sample after the heat treatment (Co x Pt 3 O 4 + Pt) and the heat treatment prior to the raw material mixture (PtO 2 + Co nitrate). Further, FIG. 3 shows an SEM image of the sample after the heat treatment (FIG. 3 (A)) and the raw material mixture before the heat treatment (FIG. 3 (B)). From FIGS. 2 and 3,
(A) A fine reactant can be obtained from a coarse raw material mixture, and
(B) reaction, platinum bronze (Co x Pt 3 O 4) and consist of a mixture of the metal platinum,
I understand.
FIG. 4 shows the XRD pattern of the sample before and after the aqua regia treatment. From FIG. 4, it can be confirmed that the metal platinum was removed by the aqua regia treatment and the platinum bronze was isolated.

[2.2. BET比表面積]
各白金ブロンズについて、窒素吸着測定によりBET比表面積を求めた。表1に、その結果を示す。得られた白金ブロンズは、いずれも高い比表面積を有していた。
[2.2. BET specific surface area]
For each platinum bronze, the BET specific surface area was determined by nitrogen adsorption measurement. The results are shown in Table 1. All of the obtained platinum bronze had a high specific surface area.

Figure 0006859731
Figure 0006859731

[2.3. 酸素還元性能の評価]
白金ブロンズ粉末をアセトンに分散させた後、グラッシーカーボン(GC)電極表面に塗布して乾燥させた。これを作用極として電気化学測定を行い、酸素還元活性(ORR)を評価した。参照電極は可逆水素電極(RHE)、対極は金メッシュ、電解液は0.1Mの過塩素酸とし、液温は30℃とした。白金の有効表面積は、不活性雰囲気でのサイクリックボルタモグラムにより、水素の吸着波の電気量と脱着波の電気量との平均値から求めた。酸素還元活性は、酸素雰囲気で、電極を400rpmで回転させながら評価し、0.9Vでの電流値を白金有効表面積で規格化した値を指標とした。
[2.3. Evaluation of oxygen reduction performance]
After the platinum bronze powder was dispersed in acetone, it was applied to the surface of a glassy carbon (GC) electrode and dried. Using this as the working electrode, electrochemical measurement was performed to evaluate the oxygen reduction activity (ORR). The reference electrode was a reversible hydrogen electrode (RHE), the counter electrode was a gold mesh, the electrolytic solution was 0.1 M perchloric acid, and the solution temperature was 30 ° C. The effective surface area of platinum was determined from the average value of the electric amount of the adsorption wave and the electric amount of the desorption wave of hydrogen by a cyclic voltammogram in an inert atmosphere. The oxygen reduction activity was evaluated in an oxygen atmosphere while rotating the electrode at 400 rpm, and the current value at 0.9 V was normalized by the platinum effective surface area as an index.

図5に、CoxPt34(図5(A))、及びPt/Vulcan(登録商標)(図5(B))のコンディショニング時のサイクリックボルタモグラムを示す。電位サイクルによるコンディショニング(0.05〜1.2V、500mV/sec、Ar雰囲気)を実施したところ、CoxPt34では、電位サイクルを繰り返すとメタル白金と同様の形状(水素吸脱着波及び白金の酸化還元波が見られる)のサイクリックボルタモグラムに変化した。これは、白金ブロンズ表面にメタル白金が生成したことを示している。 Figure 5 shows the Co x Pt 3 O 4 (FIG. 5 (A)), and Pt / Vulcan (TM) cyclic voltammograms when conditioning (Fig. 5 (B)). Conditioning by potential cycles (0.05~1.2V, 500mV / sec, Ar atmosphere) was carried out, Co x Pt 3 In O 4, the same shape as the metal platinum Repeating potential cycles (hydrogen desorption wave and It changed to a cyclic voltammogram (where the redox wave of platinum can be seen). This indicates that metal platinum was formed on the platinum bronze surface.

図6に、CoxPt34、及びPt/Vulcan(登録商標)の酸素雰囲気でのサイクリックボルタモグラムを示す。コンディショニング前のCoxPt34のORR活性は小さいが、コンディショニング後のボルタモグラムは、Pt/Vulcan(登録商標)のそれと同様となった。 Figure 6 shows the cyclic voltammogram of an oxygen atmosphere of Co x Pt 3 O 4, and Pt / Vulcan (registered trademark). ORR activity of conditioning before the Co x Pt 3 O 4 is small, the voltammogram after conditioning became similar to that of Pt / Vulcan (registered trademark).

図7に、CoxPt34、及びPt/Vulcan(登録商標)のECSA、重量活性、及び比活性を示す。図7より、CoxPt34は、触媒としての粒子径が大きいために、そのECSA及び重量活性はPt/Vulcan(登録商標)より小さいが、比活性は同等であることがわかる。 Figure 7 shows a Co x Pt 3 O 4, and Pt / Vulcan ECSA (registered trademark), the weight activity, and specific activity. From FIG 7, Co x Pt 3 O 4, because the particle size of the catalyst is large, the ECSA and weight activity Pt / Vulcan (registered trademark) smaller than the specific activity is found to be equivalent.

図8に、Pt/Vulcan(登録商標)、及びMxPt34(M=Co、Ce、Li、Mn、Cu、In、Na、Ca)の酸素還元活性を示す。図8より、白金面積当たりの酸素還元活性は、いずれの白金ブロンズも100μA/cm2以上であることがわかる。 FIG. 8 shows the oxygen reduction activity of Pt / Vulcan® and M x Pt 3 O 4 (M = Co, Ce, Li, Mn, Cu, In, Na, Ca). From FIG. 8, it can be seen that the oxygen reduction activity per platinum area is 100 μA / cm 2 or more for all platinum bronze.

[2.4. 電気化学評価後の白金ブロンズのXRD測定、TEM観察及びXPS測定]
電気化学評価後の試料をXRD測定、TEM観察、及びXPS測定で評価した。
図9に、電気化学評価後のCoxPt34/GCのXRDパターンを示す。なお、図9には、GC、Ptmetal(シミュレーションパターン)、及びCoxPt34(粉末)のXRDパターンも併せて示した。図9に示すように、電気化学評価後のCoxPt34/GCのXRDパターンにおいて、CoxPt34のピークは見られるが、メタル白金のピークは見られない。従って、電位サイクルにより、バルク相は白金ブロンズのまま、表層のみがXRD測定では検出できないくらい小さい粒子又は薄い層のメタル白金になったと推定される。これは、以下のSTEM像からも確認できる。
[2.4. XRD measurement, TEM observation and XPS measurement of platinum bronze after electrochemical evaluation]
The sample after the electrochemical evaluation was evaluated by XRD measurement, TEM observation, and XPS measurement.
Figure 9 shows the XRD pattern of Co x Pt 3 O 4 / GC after electrochemical evaluation. Incidentally, in FIG. 9, GC, Pt metal (simulation patterns), and showed XRD patterns together of Co x Pt 3 O 4 (powder). As shown in FIG. 9, in the XRD pattern after electrochemical evaluation Co x Pt 3 O 4 / GC , the peak of Co x Pt 3 O 4 is seen, the peak of metal platinum can not be seen. Therefore, it is presumed that due to the potential cycle, the bulk phase remained platinum bronze, and only the surface layer became metal platinum having particles or a thin layer that could not be detected by XRD measurement. This can also be confirmed from the following STEM image.

図10に、電気化学評価後のCoxPt34のSTEM像(図10(A):低倍率像、図10(B):高倍率像)を示す。図10(B)は、図10(A)の破線で囲った領域を拡大したものである。図10より、白金ブロンズの表面に粒子状又はアイランド状のメタル白金があることが分かる。
図11に、電気化学評価前後のCoxPt34のXPSスペクトルを示す。図11より、白金層の厚みは、1.6nm以下と推定される。計算の詳細は、後述の通りである。
Figure 10, STEM images after electrochemical evaluation Co x Pt 3 O 4 (FIG. 10 (A): Higher magnification: low magnification image, FIG. 10 (B)) shows a. FIG. 10B is an enlarged view of the area surrounded by the broken line in FIG. 10A. From FIG. 10, it can be seen that there are particulate or island-shaped metal platinum on the surface of the platinum bronze.
Figure 11 shows the XPS spectrum of the electrochemical evaluation before and after Co x Pt 3 O 4. From FIG. 11, the thickness of the platinum layer is estimated to be 1.6 nm or less. The details of the calculation will be described later.

[2.5. 白金ブロンズ表面のメタル白金層の厚みの計算]
図12に、表面及びバルク層にある原子のXPSスペクトルのシグナルへの寄与を説明するための模式図を示す。一般に、表面及びバルク層にある原子のXPSのシグナルへの寄与は、図12(A)に示すように、指数関数的に減衰する(参考文献1、2)。
[参考文献1] Carley, A. F.; Robert, M. W. Proc. R. Soc. London, Ser. A, 363, 403-424(1978)
[参考文献2] Tanuma, S.; Powell, C. J.; Penn, D. R. Surf. Interface Anal. 11, 577-589(1988)
[2.5. Calculation of the thickness of the metal platinum layer on the platinum bronze surface]
FIG. 12 shows a schematic diagram for explaining the contribution of the atoms on the surface and bulk layer to the signal in the XPS spectrum. In general, the contribution of atoms on the surface and bulk layer to the signal of XPS is exponentially attenuated, as shown in FIG. 12 (A) (references 1 and 2).
[Reference 1] Carley, AF; Robert, MW Proc. R. Soc. London, Ser. A, 363, 403-424 (1978)
[Reference 2] Tanuma, S .; Powell, CJ; Penn, DR Surf. Interface Anal. 11, 577-589 (1988)

ここで、強度が1/eとなる表面からの距離は、非弾性平均自由工程(IMFP、以下、「λ」という)とcosφの積λ'(=λ×cosφ)で近似できる。φは、検出角度で、45°である。
白金ブロンズ表面の厚みΔxの部分がメタル白金化した場合のO1sピークの強度変化を考える。この場合、Δxの領域の酸素原子が失われるため、O1sシグナル強度は、図12(B)の上図のハッチングを施した部分の面積の分だけ減少する。その減少率は、次の式(1)で表される。
Here, the distance from the surface where the strength is 1 / e can be approximated by the product λ'(= λ × cosφ) of the inelastic mean free path (IMFP, hereinafter referred to as “λ”) and cosφ. φ is the detection angle, which is 45 °.
Consider the change in the intensity of the O 1s peak when the portion of the platinum bronze surface thickness Δx is metal platinumized. In this case, since the oxygen atom in the region of Δx is lost, the O 1s signal intensity is reduced by the area of the hatched portion in the upper figure of FIG. 12 (B). The rate of decrease is expressed by the following equation (1).

Figure 0006859731
Figure 0006859731

以上は、白金ブロンズ表面のすべての領域でメタル白金が生成した場合の考察である。CoxPt34の場合、実際には、BET比表面積:18.8m2/gに対して、電気化学測定により求めたメタル白金の有効表面積(ECSA)は3.7m2/gであったことから、白金ブロンズ表面の20%がメタル白金化したと考えられる。従って、実際のO1sシグナルの減少率は、式(2)で表される。 The above is a consideration when metal platinum is formed in all regions of the platinum bronze surface. In the case of Co x Pt 3 O 4 , the BET specific surface area: 18.8 m 2 / g, whereas the effective surface area (ECSA) of metal platinum determined by electrochemical measurement is 3.7 m 2 / g. Therefore, it is considered that 20% of the platinum bronze surface was metal platinumized. Therefore, the actual reduction rate of the O 1s signal is expressed by the equation (2).

Figure 0006859731
Figure 0006859731

図13に、式(2)より見積もられた、メタルPtの厚み(Δx/λ')とΔS'/SPtとの関係を示す。ここで、横軸(厚みのスケール)は、λ’との比で表した。白金ブロンズのIMFPの文献値は見つかっていないが、文献値が得られた白金族酸化物のIMFPの中で最も大きな値(λ=2.3nm for IrO2、@電子エネルギー958eV(X線源: AlKα(1486.6eV))の場合)を用いると、λ’=1.6nmが得られる。図13から分かる通り、仮にΔx=λ’であったとすると、O1sシグナルの減少率は、0.12〜0.13になる。 FIG. 13 shows the relationship between the thickness (Δx / λ') of the metal Pt and ΔS' / S Pt estimated from the equation (2). Here, the horizontal axis (thickness scale) is expressed as a ratio to λ'. No literature value has been found for the platinum bronze IMFP, but the largest value among the platinum group oxide IMPVs for which the literature value was obtained (λ = 2.3 nm for IrO 2 , @ electron energy 958 eV (X-ray source: In the case of AlKα (1486.6 eV))), λ'= 1.6 nm can be obtained. As can be seen from FIG. 13, assuming that Δx = λ', the reduction rate of the O 1s signal is 0.12 to 0.13.

表2に、今回の実験で得られた、メタル白金生成前後のO1sシグナル強度の変化を示す。なお、表2では、メタル化前後で白金ブロンズ重量当たりの原子数が変化しないPtのシグナル強度で規格化している。上で見積もられたように、仮に1.6nmのメタル白金層が生成していれば、O1sシグナル強度が10%以上減少するはずであるが、今回の実験では実質的にO1sシグナル強度は減少していない。従って、生成したメタル白金層は、1.6nmより非常に薄いこと(せいぜい、1ML程度の厚みであること)が示唆される。この結果は、XRDの結果とも整合している。 Table 2 shows the changes in O 1s signal intensity before and after metal platinum formation obtained in this experiment. In Table 2, the signal intensity of Pt, in which the number of atoms per weight of platinum bronze does not change before and after metallization, is standardized. As estimated above, if a 1.6 nm metal platinum layer were formed, the O 1s signal intensity should decrease by 10% or more, but in this experiment, the O 1s signal intensity was substantially reduced. Has not decreased. Therefore, it is suggested that the formed metal platinum layer is much thinner than 1.6 nm (at most, the thickness is about 1 ML). This result is also consistent with the XRD result.

Figure 0006859731
Figure 0006859731

[2.6. 耐久性の評価]
白金ブロンズ粉末をアセトンに分散させた後、グラッシーカーボン(GC)電極表面に塗布して乾燥させた。これを作用極として、液相にて燃料電池作動条件(0.4〜1.0V)における電位変動耐久試験を実施した。参照電極は可逆水素電極(RHE)、対極は金メッシュ(塩橋で隔離)、電解液は0.1Mの過塩素酸とし、液温は60℃に調節した。また、劣化を加速させるため、塩化物イオンを電解液中の濃度が50ppmとなるように添加した。比較試料には、白金ブラック(比較例2)を用いた。表3に、各触媒のGCへの担持量を示す。
[2.6. Evaluation of durability]
After the platinum bronze powder was dispersed in acetone, it was applied to the surface of a glassy carbon (GC) electrode and dried. With this as the working electrode, a potential fluctuation endurance test was carried out in the liquid phase under fuel cell operating conditions (0.4 to 1.0 V). The reference electrode was a reversible hydrogen electrode (RHE), the counter electrode was a gold mesh (isolated by a salt bridge), the electrolytic solution was 0.1 M perchloric acid, and the liquid temperature was adjusted to 60 ° C. Further, in order to accelerate the deterioration, chloride ions were added so that the concentration in the electrolytic solution was 50 ppm. Platinum black (Comparative Example 2) was used as a comparative sample. Table 3 shows the amount of each catalyst supported on the GC.

Figure 0006859731
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不活性雰囲気(Arガスにより脱気)で、電極を400rpmで回転させながら、上限:1.0V、下限:0.4Vとし、それぞれ3秒ずつ保持する電位変動サイクルを10000回実施した。0、100、200、1000、2000及び10000回の電位変動後の電解液中の白金濃度を、ストリッピングボルタンメトリー法(参考文献3、4)で定量した。
[参考文献3] J. Wang, et al., J. Electroanal. Chem., 237, 281(1987)
[参考文献4] H. Obata, et al., Anal. Chim. Acta, 580, 32(2006)
In an inert atmosphere (degassed with Ar gas), while rotating the electrode at 400 rpm, the upper limit was 1.0 V and the lower limit was 0.4 V, and a potential fluctuation cycle of holding each for 3 seconds was carried out 10,000 times. The platinum concentration in the electrolytic solution after 0, 100, 200, 1000, 2000 and 10000 potential fluctuations was quantified by the stripping voltammetry method (References 3 and 4).
[Reference 3] J. Wang, et al., J. Electroanal. Chem., 237, 281 (1987)
[Reference 4] H. Obata, et al., Anal. Chim. Acta, 580, 32 (2006)

図14に、CoxPt34、及び白金ブラックの耐久試験時の白金溶出率を示す。図14より、10000サイクル後のCoxPt34の白金溶出量は、白金ブラックのそれより小さく(約1/10)、燃料電池作動条件における耐久性が高いことがわかる。 Figure 14 shows a Co x Pt 3 O 4, and platinum dissolution rate during the durability test of the platinum black. Than 14, platinum elution amount of Co x Pt 3 O 4 after 10000 cycles is smaller than that of platinum black (about 1/10), it can be seen that high durability in a fuel cell operating conditions.

[2.7. 電位サイクル以外の方法による白金ブロンズ表面のメタル白金化]
CoxPt34粉末を80wt%エタノール溶液に分散させ、3日間静置した。その後、粉末をグラッシーカーボン(GC)電極表面に塗布して乾燥させた。これを作用極として電気化学測定を行い、ECSAを評価した。参照電極は可逆水素電極(RHE)、対極は金メッシュ、電解液は0.1Mの過塩素酸とし、液温は30℃とした。この条件下で、電位サイクルによるコンディショニング(0.05〜1.2V、500mV/sec、50サイクル、Ar雰囲気)を実施した。白金の有効表面積は、不活性雰囲気でのサイクリックボルタモグラムより、水素の吸着波と脱着波の電気量との平均値から求めた。
[2.7. Metal platinumization of platinum bronze surface by methods other than potential cycle]
The Co x Pt 3 O 4 powder was dispersed in 80 wt% ethanol solution and allowed to stand for 3 days. Then, the powder was applied to the surface of the glassy carbon (GC) electrode and dried. Using this as the working electrode, electrochemical measurement was performed to evaluate ECSA. The reference electrode was a reversible hydrogen electrode (RHE), the counter electrode was a gold mesh, the electrolytic solution was 0.1 M perchloric acid, and the solution temperature was 30 ° C. Under these conditions, conditioning by potential cycle (0.05 to 1.2 V, 500 mV / sec, 50 cycles, Ar atmosphere) was performed. The effective surface area of platinum was determined from the average value of the amount of electricity of the adsorption wave and the desorption wave of hydrogen from the cyclic voltammogram in an inert atmosphere.

図15に、80wt%エタノールで処理したCoxPt34のコンディショニング時のサイクリックボルタモグラムを示す。図15より、粉末を80%エタノールに分散させた場合、粉末のサイクリックボルタモグラムは、電位サイクルの初期からメタル白金のそれと同様の形状を示すことがわかる。この結果は、エタノールによっても、白金ブロンズ表面をメタル白金化させることが可能であることを示している。なお、エタノール以外にも、水素ガス、アルコール類、ヒドラジンなど、酸化還元電位が白金のそれより低い還元剤であれば、利用できる。 Figure 15 shows the cyclic voltammograms when the conditioning of Co x Pt 3 O 4 treated with 80 wt% ethanol. From FIG. 15, it can be seen that when the powder is dispersed in 80% ethanol, the cyclic voltammogram of the powder shows a shape similar to that of metal platinum from the beginning of the potential cycle. This result indicates that it is possible to metallize the platinum bronze surface with ethanol as well. In addition to ethanol, any reducing agent having a redox potential lower than that of platinum, such as hydrogen gas, alcohols, and hydrazine, can be used.

図16に、処理方法の異なるCoxPt34の電気化学的有効比表面積(ECSA)の比較を示す。図16より、エタノール処理及び電位サイクル処理した粉末は、電位サイクル処理のみの粉末よりECSAが高くなることがわかる。
図17に、処理方法の異なるCoxPt34の白金被覆率(ECSA/BET比表面積)の比較を示す。図17より、エタノール処理及び電位サイクル処理した粉末は、電位サイクル処理のみの粉末に比べて、白金ブロンズ表面でのメタル白金の被覆率が高くなることがわかる。なお、還元処理の程度(還元剤の種類や処理時間・温度などの条件)によって、メタル白金の被覆率を制御することができる。
Figure 16 shows a comparison of different Co x Pt 3 electrochemically effective specific surface area of the O 4 of processing method (ECSA). From FIG. 16, it can be seen that the powder treated with ethanol and treated with potential cycle has a higher ECSA than the powder treated with only potential cycle treatment.
Figure 17 shows a comparison of different platinum coverage of Co x Pt 3 O 4 with processing method (ECSA / BET specific surface area). From FIG. 17, it can be seen that the powder treated with ethanol and treated with potential cycle has a higher coverage of metal platinum on the surface of platinum bronze than the powder treated with only potential cycle treatment. The coverage of metal platinum can be controlled by the degree of reduction treatment (conditions such as the type of reducing agent, treatment time, and temperature).

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る燃料電池カソード用触媒は、各種の燃料電池のカソード触媒として使用することができる。 The fuel cell cathode catalyst according to the present invention can be used as a cathode catalyst for various fuel cells.

Claims (3)

以下の構成を備えた燃料電池カソード用触媒。
(1)前記燃料電池カソード用触媒は、金属元素Mを含む白金ブロンズを含む。
(2)前記金属元素Mは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Au、Tl、Pd、Bi、及びランタノイドからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素からなる。
(3)前記白金ブロンズは、表面の一部がメタル白金層からなる。
(4)前記メタル白金層の被覆率(=電気化学有効表面積(ECSA)÷BET比表面積×100(%))は、10%以上100%未満である。
A catalyst for a fuel cell cathode having the following configuration.
(1) The fuel cell cathode catalyst contains platinum bronze containing a metal element M.
(2) The metal element M is Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge. , Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Au, Tl, Pd, Bi, and lanthanoids. Consists of any one or more elements selected from.
(3) A part of the surface of the platinum bronze is made of a metal platinum layer.
(4) The coverage of the metal platinum layer (= electrochemical effective surface area (ECSA) ÷ BET specific surface area × 100 (%)) is 10% or more and less than 100%.
前記白金ブロンズは、
(a)X線回折測定を行った時に、白金に由来するピークがなく、かつ、
(b)XPS測定から求められる前記メタル白金層の厚みが1.6nm以下である
請求項1に記載の燃料電池カソード用触媒。
The platinum bronze
(A) When the X-ray diffraction measurement was performed, there was no peak derived from platinum, and there was no peak.
(B) The catalyst for a fuel cell cathode according to claim 1, wherein the thickness of the metal platinum layer obtained from XPS measurement is 1.6 nm or less.
前記金属元素Mは、Co、Ce、Li、Mn、Cu、In、Na、及びCaからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素からなる請求項1又は2に記載の燃料電池カソード用触媒。 The catalyst for a fuel cell cathode according to claim 1 or 2, wherein the metal element M is any one or more elements selected from the group consisting of Co, Ce, Li, Mn, Cu, In, Na, and Ca.
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