(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）少なくとも１つの第１の金属前駆体、液体ビヒクル及び基質粒子に対する基質前駆体を含む前駆物質を提供する工程、
ｂ）該前駆物質を霧化して前駆体液滴にする工程、
ｃ）該前駆体液滴を７００℃以下の反応温度に加熱して、少なくとも一部が酸化物の形態で該基質粒子上に分散した該第１の金属を含む複合粒子を形成する工程、及び
ｄ）該複合粒子を還元性雰囲気下で周囲温度から５０℃〜２５０℃の第１の処理温度に１〜１０℃／分の割合で加熱して、該還元性雰囲気を該第１の処理温度で０．５時間〜１０時間保持し、該酸化物の形態を少なくとも部分的に金属へ変換する加熱工程
を含む、粒子状電極触媒用組成物の製造方法。
【請求項２】
前記還元性雰囲気が水素又は窒素と水素の混合物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
（ｅ）前記加熱工程（ｄ）の後、前記複合粒子を還元性雰囲気下で前記第１の処理温度よりも高いが５００℃以下の第２の処理温度で加熱する工程をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の処理温度での加熱工程が１時間〜８時間実施される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の金属が白金を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記前駆物質が少なくとも１つの第２の金属前駆体を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の金属がルテニウムを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
炭素の基質粒子と、該基質粒子の表面上に配置された白金−ルテニウムの二元合金を含む２〜５ｎｍの数平均粒径を有するナノ粒子とを含む請求項７に記載の方法によって製造された電極触媒用組成物であって、該電極触媒用組成物が、０．５ＭのＨ2ＳＯ4中６０℃及び２０ｍＶ／ｓでＣＯストリッピングボルタンメトリーにかけた場合に、０．４６Ｖ未満にＣＯストリッピングピークを示し、該ピークが０．０５Ｖ超の半値全幅を有する、電極触媒用組成物。
【請求項９】
炭素の基質粒子と、該基質粒子の表面上に配置された白金−ルテニウムの二元合金を含む２〜５ｎｍの数平均粒径を有するナノ粒子とを含む請求項７に記載の方法によって製造された電極触媒用組成物であって、該電極触媒用組成物が、０．５ＭのＨ2ＳＯ4中６０℃及び２０ｍＶ／ｓでＣＯストリッピングボルタンメトリーにより測定した場合に、白金−ルテニウム１ｇあたり少なくとも８０ｍ2の電気化学的に接触可能な表面積を有する、電極触媒用組成物。
【請求項１０】
前記炭素の基質粒子が１０〜１００ｎｍの数平均粒径を有する、請求項８又は９に記載の電極触媒用組成物。
【請求項１１】
前記炭素の基質粒子が１〜１０μｍの重量平均粒径を有する球状のメソ多孔質の凝集体に凝集している、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電極触媒用組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極触媒用組成物、その製造、及び燃料電池電極におけるその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学反応からのエネルギーが直流電流に変換される電気化学デバイスである。燃料電池の操作の際には、燃料、例えば、水素（又はメタノールなどの液体燃料）の連続流がアノードに供給される一方で、同時に、酸化剤、例えば、空気の連続流がカソードに供給される。燃料は、触媒作用を介して電子の放出が起こるアノードにおいて酸化される。次いで、これらの電子は外部負荷を通ってカソードへ導かれ、酸化剤が減少して、再び触媒作用を介して電子が消費される。アノードからカソードへの電子の一定の流れが、有用な仕事をすることができる電流を構成する。
【０００３】
高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、固定及びポータブルのパワーデバイスを含む市場においてより効率的でより低い排出発電技術として、また、輸送手段の内燃機関に代わるものとして、幅広い用途を見出しうる燃料電池の１つのタイプである。ＰＥＭ燃料電池では、電解質として固体ポリマーが使用され、そして白金触媒を含む多孔質の炭素電極が使用される。ＰＥＭ燃料電池では、その操作において水素と空気からの酸素しか必要とされず、一部の燃料電池のように腐食性流体は必要とされない。ＰＥＭ燃料電池では、典型的には、貯蔵タンク又は機内に搭載された改質器から供給される水素によって燃料を得る。
【０００４】
直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、電解質がポリマーであり、電荷キャリアが水素イオン（プロトン）であるという点でＰＥＭＦＣと類似している。しかしながら、液体メタノール（ＣＨ3ＯＨ）が水の存在下においてアノードで酸化され、ＣＯ2、水素イオン及び電子が生成して、この電子が燃料電池の電気出力として外部回路を通って移動する。水素イオンは電解質中を移動し、空気からの酸素及び外部回路からの電子と反応してカソードで水を形成し、回路が完了する。
【０００５】
ＰＥＭＦＣ及びＤＭＦＣでは、膜と２つの電極から形成される複合積層構造が、膜電極接合体（ＭＥＡ）として知られている。ＭＥＡは、複数の層を典型的に含むが、その基本的なレベルでは、主としてその機能によって規定される５つの層を一般に有するとみなすことができる。膜のいずれかの側にアノード及びカソード電極触媒が組み込まれ、所望の電極反応の速度を向上させる。膜と接触している面とは反対側の面で、アノード及びカソードのガス拡散基材層が電極触媒を含む層と接触している。
【０００６】
アノードのガス拡散基材は、多孔質であるよう設計され、そして反応体の水素又はメタノールが、反応体の燃料供給にさらされた基材の面から入り、次いで基材の厚さを通って電極触媒、通常、白金又は白金−ルテニウム金属系の電極触媒を含む層に拡散して、水素又はメタノールの電気化学的酸化を最大にするよう設計される。アノード電極触媒層はまた、同じ電極触媒の反応サイトに接触している、ある程度プロトン伝導性の電解質を含むよう設計される。酸性電解質のタイプでは、プロトンは、アノードで起こる反応の生成物として生成され、次いで、これらのプロトンは、アノードの反応サイトから電解質を通ってカソード層へ効率的に輸送することができる。
【０００７】
カソードのガス拡散基材も同様に、多孔質であるよう設計され、そして酸素又は空気が基材に入り、電極触媒層の反応サイトに拡散するよう設計される。カソード電極触媒では、プロトンと酸素が組み合わされて水が生成し、そしてカソード電極触媒も同様に、同じ電極触媒の反応サイトに接触している、ある程度プロトン伝導性の電解質を含むよう設計される。次いで、生成物の水はカソードの構造から拡散する必要がある。カソードの構造は、生成した水を効率的に除去できるように設計すべきである。
【０００８】
完全なＭＥＡは、複数の方法で構成することができる。電極触媒層は、ガス拡散基材の一方の面と結合してガス拡散電極として知られるものを形成することができる。次いで、ＭＥＡは、２つのガス拡散電極を固体のプロトン伝導性膜と組み合わせることによって形成される。あるいはまた、ＭＥＡは、（触媒被覆膜又はＣＣＭとも称される）両側に電極触媒層を有する固体のプロトン伝導性ポリマー膜が間に挟まれた２つの多孔質ガス拡散基材から形成することができるか、又は、実際、ＭＥＡは、１つのガス拡散電極、１つの液体拡散基材、及びガス／液体拡散基材に面する側に電極触媒層を有する固体のプロトン伝導性ポリマーから形成することもできる。
【０００９】
燃料電池操作の理論は長年の間にわたって知られているが、技術的な障害のために、そして石油など、よりコスト効率のよいエネルギー源が利用できることから、商業的に実現可能な燃料電池を製造することは困難であった。しかしながら、石油製品を用いた装置、例えば、自動車は、重大な汚染を生じさせ、石油資源の枯渇とともに最終的には使用されなくなる可能性がある。結果として、エネルギーを生成するための代替手段が必要とされている。燃料電池は、比較的に無公害であり、一見無限の燃料源である水素を利用するという点で、将来有望な代替エネルギー源である。
【００１０】
中でも、燃料電池の商業化を成功させるために取り組まなければならない重要な課題は、ＤＭＦＣシステムのための特定の作動電圧、典型的には０．４〜０．５５Ｖにおいて、単位面積あたりの電力密度（ｍＷ／ｃｍ2）として表される可能な限り最も高い性能を示すＭＥＡを開発することである。高い絶対的な性能を有するＭＥＡを製造することは、より小さく、より軽く、より寿命が長く、そしてより効率の良いＤＭＦＣ系電源の製造が可能となるので非常に望ましい。コスト及び耐久性は、ＤＭＦＣ用ＭＥＡの他の２つの主要な要件である。
【００１１】
ＤＭＦＣ構造において高性能のＭＥＡを確実にする上で幾つかの重要な構成要素があり、それらは、電極触媒、印刷層、ＭＥＡ構造体、膜及びガス拡散電極である。当然ながら、電極触媒は最も重要な性能及びコストの因子である。Ｐｔ及びＰｔＲｕブラックは高い電力密度を達成するために広く用いられている電極触媒であるが、それらは電極層において印刷される場合に本質的に少量しか用いられない。さらに、それらは要求される耐久性を十分に満足せず、商業化するには高価すぎる。したがって、最近の応用では、電極触媒材料、特にはＰｔ及びＰｔＲｕは、粒子状の担体材料、例えば、カーボンブラック又は金属酸化物の上にナノ粒子として分散されている。
【００１２】
担持触媒を開発するための動機は、貴金属の高度な利用の可能性であり、それはＤＭＦＣデバイスを大規模に市場へ導入することを目標とする場合に特に重要になってくる。高価な貴金属触媒の高度な利用を達成することは、性能とコストの両方にインパクトがあるので非常に望ましい。最少量の貴金属による最高の電力で表される最も高い性能値（ｍＷ／ｍｇＰｔ）を達成する能力により、確実にＤＭＦＣデバイスを既存の電源とコスト競争力のあるものにでき、そしてそれをうまく商業化することができる。ＤＭＦＣの商業化の目的を満足させる上で別の重要な因子は、耐久性の目標を満足させることであり、それは典型的には数千時間にも及ぶ。担持電極触媒は、金属ブラックと比較した場合に改善された耐久性を典型的に示す。
【００１３】
カーボン担持Ｐｔ及びＰｔＲｕ電極触媒の典型的な製造方法はバッチプロセスであり、それはＰｔ金属前駆体の析出又は含浸から始めて、その後にカーボンブラックのスラリー中での化学還元技術が続く。必要に応じて、第２金属（Ｒｕ）の添加／合金化がＰｔクラスター上に第２の前駆体を析出させることにより達成され、そしてＰｔＲｕの合金化が高温での水素還元を通して達成される（例えば、米国特許第６，３２６，０９８号明細書を参照）。別のアプローチ（例えば、米国特許第５，０６８，１６１号明細書、及びＷａｔａｎａｂｅらによる「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｉｇｈｌｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  Ｐｔ＋Ｒｕ  Ａｌｌｏｙ  Ｃｌｕｓｔｅｒｓ  ａｎｄ  ｔｈｅ  Ａｃｔｉｖｉｔｙ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ」，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，２２９（１９８７）３９５−４０６頁を参照）は、カーボン担体上へのＰｔＲｕコロイド粒子のコロイド沈殿及び堆積に依存している。これらすべての合成方法は、高分散、高度の結晶化、及び高い安定性（又はＤＭＦＣ操作の際に酸性環境にさらされた場合の耐久性）を同時には満足しないＰｔＲｕクラスターが形成される場合が非常に多い。ＰｔＲｕ合金の安定性が十分でないことや、長時間のＤＭＦＣ操作の際にＲｕが溶解することは、初期性能の損失や十分でない長期耐久性の大きな要因となる。高度の規格化された性能（ｍＷ／ｍｇＰｔ）及び利用を有する高性能で耐久性のあるＰｔＲｕ触媒を生成できることが直接メタノール型燃料電池の商業化にとって必要である。
【００１４】
最近では、高度に再現性があり、低コストの噴霧変換に基づく連続粉末製造プロセスが開発されており、それは、無類の電気化学的性能をもたらす電極触媒用組成物の分散、組成及び製造に対して優れた制御を達成することができる。噴霧変換プロセスでは、溶解した不揮発性の電極触媒前駆体と懸濁した固体を含む液体含有原料が霧化されて液滴を形成し、この液滴が加熱されて粉末が形成される。このプロセスは、ミクロンサイズの凝集体構造を有するメソ多孔質のカーボン担体上に高活性の分散ナノ粒子を組み合わせたものを含む特有の形態を有する電極触媒の粉末が生成されるという利点を与える。この組み合わせは、触媒がポリマー電解質膜上に印刷された場合に最も有利な層構造を提供すると考えられる。加えて、ＰｔＲｕ合金系担持触媒が噴霧系技術によって生成された場合には、同時に、燃料電池の操作条件において利用された場合に高度の合金化と長期間の耐久性とともに、高結晶質のＰｔＲｕ分散体を得ることができる。
【００１５】
噴霧変換プロセスの代表的な例は、米国特許出願公開第２００４／００７２６８３号明細書に見出すことができ、それは、ａ）液体含有前駆体組成物を電極触媒の粉末に提供する工程、ｂ）該液体含有前駆体を霧化して前駆体液滴にする工程、ｃ）該前駆体液滴を約７００℃以下の反応温度に加熱して電極触媒粒子を形成する工程、及びｄ）該電極触媒粒子を捕集する工程を含む電極触媒の粉末バッチを製造する方法を開示している。１つの実施態様では、電極触媒粒子は、担持相、例えば、粒状カーボン、及び該担持相上に分散された活性種相、例えば、白金及び／又はルテニウムを含む複合電極触媒粒子である。活性種相が金属又は金属合金である場合には、１つ又は複数の金属前駆体を工程（ｃ）の温度で金属／合金に還元できる添加物が液体含有前駆体組成物中に含められ、所望の還元が噴霧変換プロセスの際に達成されるようにされる。
【００１６】
本発明によれば、噴霧変換が電極触媒用組成物を製造するのに用いられる場合に、還元、妥当な場合には、合金化の工程を、噴霧変換プロセスの際に還元が起こるように、液体含有前駆体組成物に還元剤を添加するよりはむしろ、還元性雰囲気中で別の低温（２５０℃以下）の後処理として達成できることが今回見出された。驚くべきことに、このような低温の後処理工程の生成物は、高い表面積及び特有の活性を有する新規の電極触媒用組成物であることが見出された。
【発明の概要】
【００１７】
一形態において本発明は、
ａ）少なくとも１つの第１の金属前駆体、液体ビヒクル及び基質粒子に対する基質前駆体を含む前駆物質を提供する工程、
ｂ）該前駆物質を霧化して前駆体液滴にする工程、
ｃ）該前駆体液滴を７００℃以下の反応温度に加熱して、少なくとも一部が酸化物の形態で該基質粒子上に分散した該第１の金属を含む複合粒子を形成する工程、及び
ｄ）該複合粒子を還元性雰囲気下で２５０℃以下の第１の処理温度で加熱して、該酸化物の形態を少なくとも部分的に金属へ変換する加熱工程
を含む、粒子状電極触媒用組成物の製造方法にある。
【００１８】
該加熱工程（ｄ）は好適には、約５０℃〜２５０℃、例えば、約６０℃〜約２００℃、例えば、約８０℃〜約１８０℃、例えば、約１００℃〜約１５０℃の少なくとも１つの第１の処理温度で実施される。
【００１９】
該加熱工程（ｄ）は好適には、約０．５時間〜約１０時間、例えば、約１時間〜約８時間、例えば、約１時間〜約４時間実施される。
【００２０】
一実施形態において該還元性雰囲気は水素を含み、例えば、窒素と水素の混合物を含む。
【００２１】
一実施形態において本方法は、（ｅ）前記複合粒子を還元性雰囲気下で前記第１の処理温度よりも高いが５００℃以下の第２の処理温度で加熱する工程を含む。好適には該第２の処理温度での加熱工程は、約０．５時間〜約８時間、例えば、約１時間〜約４時間実施される。
【００２２】
好適には本方法は、該粒子を該処理温度から窒素などの非酸化性雰囲気下で冷却する工程をさらに含む。
【００２３】
好適には該第１の金属は白金を含む。
【００２４】
好適には該前駆物質は少なくとも１つの第２の金属前駆体を含み、一実施形態において該第２の金属はルテニウムを含む。
【００２５】
一実施形態において、該電極触媒用組成物は活性種として白金とルテニウムの二元合金を含み、該加熱工程（ｄ）は白金及びルテニウムの酸化物の少なくとも一部をそれぞれの金属へ変換し、該二元合金も製造する。
【００２６】
好適には該基質粒子は炭素粒子を含む。
【００２７】
また別の形態において本発明は、炭素の基質粒子と、該基質粒子の表面上に配置された白金−ルテニウムの二元合金を含むナノ粒子とを含む電極触媒用組成物であって、該電極触媒用組成物が、０．５ＭのＨ2ＳＯ4中６０℃及び２０ｍＶ／ｓでＣＯストリッピングボルタンメトリーにかけた場合に、０．４６Ｖ未満、例えば、０．４４Ｖ未満にＣＯストリッピングピークを示し、該ピークが０．０５Ｖ超、例えば、０．０８Ｖ超の半値幅を有する、電極触媒用組成物にある。
【００２８】
好適には該ＣＯストリッピングピークは０．１Ｖ以下の半値幅を有する。
【００２９】
さらに別の形態において本発明は、炭素の基質粒子と、該基質粒子の表面上に配置された白金−ルテニウムの二元合金を含むナノ粒子とを含む電極触媒用組成物であって、該電極触媒用組成物が、０．５ＭのＨ2ＳＯ4中６０℃及び２０ｍＶ／ｓでＣＯストリッピングボルタンメトリーにより測定した場合に、白金−ルテニウム１ｇあたり少なくとも８０ｍ2、例えば、少なくとも９０ｍ2の電気化学的に接触可能な表面積を有する電極触媒用組成物にある。
【００３０】
好適には該ナノ粒子は、約２〜約５ｎｍ、例えば、約２．５〜約４ｎｍ、例えば、約２．５〜約３．５ｎｍの数平均粒径を有する。
【００３１】
好適には該炭素粒子は、約１０〜約１００ｎｍ、例えば、約２０〜約８０ｎｍ、例えば、約３０〜約５０ｎｍの数平均粒径を有する。
【００３２】
好適には該炭素の基質粒子は、約１〜約１０μｍ、例えば、約３〜約８μｍ、例えば、約５〜約６μｍの重量平均粒径を有するほぼ球状のメソ多孔質の凝集体に凝集している。
【００３３】
さらにまた別の形態において本発明は、炭素粒子と、該基質粒子の表面上に配置された白金−ルテニウムの二元合金を含むナノ粒子とを含む電極触媒用組成物であって、該電極触媒用組成物がアノード層とカソード層を有する膜・電極一体構造のアノード層において用いられる場合に、及び該電極触媒用組成物が該アノード層１ｃｍ2あたりＰｔＲｕ３ｍｇの充填量で該アノード層中に存在する場合に、及び１分あたり３ｍｌの割合における１Ｍのメタノールの該アノード層への供給、加湿Ｈ2２００ｓｃｃｍの該カソード層への供給、出力電圧０．４Ｖ及び温度６０℃を含む条件下で運転する直接メタノール型燃料電池において該膜・電極一体構造が用いられる場合に、該電極触媒用組成物が、該アノード層中の白金−ルテニウム１ｍｇあたり少なくとも７０ｍＡ、例えば、少なくとも９０ｍＡの質量活性を有する電極触媒用組成物にある。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１のスプレー乾燥した炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物（後処理なし）の透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）である。
【図２】Ａは、実施例１のスプレー乾燥した炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物（後処理なし）のＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルである。Ｂは、実施例２の後処理後の実施例１の炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物のＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルである。Ｃは、実施例３の後処理後の実施例１の炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物のＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルである。Ｄは、実施例４の後処理後の実施例１の炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物のＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルである。Ｅは、実施例５Ａの後処理後の実施例１の炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物のＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルである。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例５Ａの後処理後の実施例１の炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物の、異なる倍率でのＴＥＭである。
【図４】アノード触媒として実施例５Ａの後処理を施した炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物及び市販のＰｔＲｕブラックを含むＭＥＡそれぞれの、６０℃で直接メタノール型燃料電池中で試験を行った場合の０．４５Ｖ及び０．４Ｖでの絶対的パフォーマンスを比較するグラフである。
【図５】実施例５Ａの後処理を施した炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物をアノード触媒として用いて作成した直接メタノール型燃料電池のためのＭＥＡの、アノード分極グラフである。
【図６】温度が５０℃、６０℃及び７０℃での、実施例５Ａの後処理を施した炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物をアノード触媒として用いて作成した直接メタノール型燃料電池のためのＭＥＡの、電気性能のグラフである。
【図７】市販の炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒をアノード触媒として用いて作成した直接メタノール型燃料電池のためのＭＥＡの、アノード分極グラフである。
【図８】温度が５０℃、６０℃及び７０℃での、市販の炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒をアノード触媒として用いて作成した直接メタノール型燃料電池のためのＭＥＡの、電気性能のグラフである。
【図９】図５及び図７に示された６０℃におけるＭＥＡのアノード分極グラフから導いた、０．４Ｖにおけるアノード分極電流密度を比較し、さらに図６及び図８に示されたＭＥＡのメタノール−空気分極曲線から導いた、６０℃における電力密度を比較する。
【図１０】実施例５Ａの後処理を施した炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物を用いて作成した電極の、アルゴン除去した０．５ＭＨ2ＳＯ4溶液中６０℃及び２０ｍＶ／ｓでのサイクリックボルタモグラムである。
【図１１】実施例５Ａ、５Ｂ、６及び７の後処理を施した炭素担持ＰｔＲｕ電極触媒用組成物及び２つの市販の電極触媒用組成物を用いて作成した電極上の、０．５ＭＨ2ＳＯ4中６０℃及び２０ｍＶ／ｓでのＣＯストリッピングボルタンメトリーの結果を示している。
【図１２】図１１に示される電極の第２の正の掃引方向へのボルタモグラムの減算後に得られ、対応するピーク最大値へ標準化されたＣＯストリッピングピークを示している。
【図１３】図１１に示される電極のＨupd吸着等温線を示している。
【図１４】絶対活性及び０．４ＶRHEで１０分間電位保持した後の市販の非担持ＰｔＲｕ電極触媒へ標準化された質量活性の観点での、担持及び非担持ＰｔＲｕ触媒の質量−比活性を示している。
【図１５】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＣＯストリッピングピークの位置関数としての担持及び非担持ＰｔＲｕ電極触媒に関する０．４ＶRHEでのメタノール電極酸化の表面−比活性（図１５Ａ）及びＣＯストリッピングピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）（図１５Ｂ）を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明は、粒子状電極触媒用組成物及びこのような組成物の製造方法に関する。一形態において本発明は、活性種が白金などの金属、又はより詳細には粒子状の基質上にナノ粒子として担持されている白金−ルテニウム合金などの二元合金である電極触媒用組成物の製造への噴霧変換（ｓｐｒａｙ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）の使用に関する。この方法では、最終金属又は合金組成物への前駆体は、分散した基質粒子を含む溶媒に溶解している。この懸濁液の液滴が形成され、キャリアガス中に取り込まれ、溶媒を気化するのに効果的な条件下で加熱される。溶媒が気化すると、前駆体は基質粒子上に配置された金属酸化物種のよく混合された混合物に変換される。触媒粒子は収集された後、還元性雰囲気下２５０℃以下の温度で熱処理され、前記酸化物種の少なくとも一部が金属の形に変換され、適用可能であれば前記金属の合金化が達成される。噴霧変換プロセスによって形成された金属含有組成物は粒径が小さくよく混合されているため、驚くべきことに、２５０℃以下（９０℃〜２００℃など）の後処理温度は、前記酸化物種の十分な還元だけでなく得られた金属の大幅な合金化をもたらすのに十分であることが見いだされた。
【００３６】
得られた電極触媒用組成物は基質粒子を含み、その上には金属／金属合金活性種が、典型的には約２〜約５ｎｍ、例えば、約２．５〜約４ｎｍ、例えば、約２．５〜約３．５ｎｍの数平均粒径を有するナノ粒子として高度に分散している。噴霧変換工程及び後処理工程において、この触媒粒子及び特にその金属／合金粒子は本質的に同じ時間−温度にさらされているため、これらは粒子間で高い均一度を有する。
【００３７】
前記基質粒子は通常、約１０〜約１００ｎｍ、例えば、約２０〜約８０ｎｍ、例えば、約３０〜約５０ｎｍの数平均粒径を有し、約１〜約１０μｍ、例えば、約３〜約８μｍ、例えば、約５〜約６μｍの重量平均粒径を有する実質的に球状のメソ多孔性凝集体に凝集している。
【００３８】
一実施形態では、前記基質粒子は炭素から形成され、前記金属ナノ粒子は白金−ルテニウム二元合金を含む。本方法によって製造される電極触媒用組成物は固有の電気化学的特性を示す。電極触媒用組成物はとりわけ、０．５ＭＨ2ＳＯ4中６０℃及び２０ｍＶ／ｓでＣＯストリッピングボルタンメトリーにかけた時に、０．０８Ｖより大きいなど０．０５Ｖより大きい、例えば０．１Ｖより大きい半値幅を有するＣＯストリッピングピーク及び／又は白金及びルテニウム１ｇあたり少なくとも９０ｍ2など、少なくとも８０ｍ2の電気化学的に接触可能な表面積を示す。
【００３９】
［噴霧変換］
本方法の噴霧変換工程では、液体ビヒクル、基質粒子に対する基質前駆体、通常白金である第１の電極触媒金属に対する少なくとも１つの第１の金属前駆体、任意に第１の触媒金属とともに二元合金を形成する、通常ルテニウムである第２の電極触媒金属に対する第２の金属前駆体、及び通常１つ以上の添加剤又はその他の組成物を含む前駆物質を調製する。前駆物質はその後霧化され、前駆物質の液滴を生成する。液滴はその後７００℃以下の反応温度まで加熱され、液体ビヒクルを気化して少なくとも一部が酸化物の形態で該基質粒子上に分散した該第１の金属を含む複合粒子を形成する。
【００４０】
本明細書において用いられる用語「前駆体」は、前駆物質中第１の形態を有し、任意には第１の形態と第２の形態の間で１つ以上の中間体形態を経て、最終電極触媒の複合粒子中、第１の形態とは異なる第２の形態へ変換されうる化合物を意味する。前駆物質中に存在する二種類の前駆体は、（１）１つ又は複数の金属前駆体及び（２）１つ又は複数の基質前駆体を含む。具体的には、前記の単数又は複数のそれぞれの金属前駆体は、（金属酸化物中間体を経て）その対応する金属へ変換され、一般的に前記前駆物質が第１の金属前駆体及び第２の金属前駆体を含む場合、前記金属前駆体から形成された金属は、その後合金化され二元合金ナノ粒子を形成する。同様に、前記基質前駆体はその上に金属／合金ナノ粒子が配置された基質粒子、典型的には基質微粒子に変換される。
【００４１】
前記液体ビヒクルは前駆物質に流動性を与えるために用いられ、使いやすく、前記前駆物質に含まれる前駆体及び試薬を処理するのに相性がよい液体であればよい。液体ビヒクルは単独の液体組成物を含んでいてもよく、あるいは互いに相溶性があってもなくてもよい２つ又はそれ以上の液体組成物の混合物であってもよい。ある場合には液体ビヒクルは、前駆物質に含まれる１つ以上の前駆体の溶媒として働くように選択することができる。別の場合において液体ビヒクルは、その揮発度に基づいて選択してもよい。例えば粒子形成中に液体ビヒクルが容易に気化し液滴からエアロゾルの気相へ除去されるように、高い蒸気圧を有する液体ビヒクルを選択することができる。また別の場合において液体ビヒクルは、粘度特性などの流体力学的性質によって選択してもよい。例えばもし１つ以上の前駆体が、分散した粒子の形で前駆物質に含まれるのであれば、前駆体粒子の硬化を抑制するために比較的粘度の高い液体ビヒクルを選択することができる。別の例としては、エアロゾル生成の過程において前駆物質のより小さい液滴を製造することが望まれる場合、比較的粘度の低い液体ビヒクルを選択することができる。さらに別の場合において液体ビヒクルは、エアロゾル生成又は複合粒子形成の過程において、特に液体ビヒクル中で有機組成物を用いる場合、複合粒子の汚染及び／又は望ましくない副生成物の製造を減少させるあるいは最小化するように選択することができる。
【００４２】
前記液体ビヒクルは水性液体、有機液体、又は水性液体と有機液体の組み合わせであってもよい。コストが低く比較的安全で使いやすいため、一般的には水性液体が好ましい。例えば水は不燃性で、粒子形成の過程で気化した場合に工程を複雑にしたり粒子を汚染する可能性のある副生成物の形成に寄与する傾向がないという利点を有する。いくつかの材料に関しては所望のレベルの溶解度に達することでｐＨ調整などによる水性液体の改質を必要とする可能性があるが、水性液体はなお多くの前駆体材料にとって好ましい溶媒である。しかしながら、場合によっては液体ビヒクルとして有機液体が望ましいこともある。例えば前駆体が水性液体に十分に溶解しない又はそうでなければ水性液体が前駆体に有害である状況で、前駆体を液体ビヒクル中に溶解することが望まれる場合がそうである。いくつかの有機又は有機金属前駆体材料を可溶化するのに、例えば有機液体ビヒクルが必要となるかもしれない。
【００４３】
さらに前記前駆物質は１つ以上の基質前駆体を含む。本明細書において用いられる「基質前駆体」は、最終電極触媒用組成物中で基質粒子へ変換可能なあるいは基質粒子を形成する組成物を意味する。一実施形態では、基質前駆体は液体媒体中に（例えばコロイド懸濁液として）懸濁した基質粒子を含む。この懸濁した基質粒子は、前駆物質から液体ビヒクルが除去されると、電極触媒の基質粒子を形成する。また別の態様では、基質前駆体はある反応を経て複合粒子のための基質を提供する。例えば基質前駆体は上昇した温度において任意に熱分解されているか、あるいは複合粒子中で基質を形成するために任意に還元されている。別の実施態様では、基質前駆体は反応を伴わずに処理することができる。例えば基質前駆体を任意に初めから液体ビヒクル中に溶解させると、液体ビヒクルが液滴から除去される時、例えば複合粒子が形成される時に、基質前駆体の基質沈殿物が形成される。これは例えば、基質前駆体が液体媒体中に溶解した有機塩、有機化合物又はポリマーを含み、複合粒子形成中に液体ビヒクルが気化されると、この有機塩、有機化合物又はポリマーは沈殿し基質の全部あるいは一部を形成する場合がそうである。
【００４４】
一実施形態において、前記基質前駆体は炭素、任意には官能化された炭素を含み、基質前駆体は懸濁したカーボンブラック又は変性カーボンブラック粒子を含む。例えば基質前駆体は前駆物質中コロイドサイズの炭素粒子の形でもよく、このコロイドサイズの炭素粒子は複合粒子形成中に作られる複合粒子の基質となる。コロイドサイズの基質粒子のいくつかは、複合粒子形成中に互いに融合又は凝集してもしなくてもよい。前駆物質がコロイドサイズの基質粒子、例えば炭素粒子を含む場合、前駆物質は任意に６０重量パーセント以下、４０重量パーセント以下又は２０重量パーセント以下でコロイドサイズの基質粒子を含む。さらに、このようなコロイドサイズの基質粒子は好ましくは約３００ｎｍ以下、例えば約１５０ｎｍ以下、約１００ｎｍ以下又は５０ｎｍ以下の平均サイズを有する。コロイドサイズの炭素粒子の代わりに、あるいはその追加として、基質前駆体は炭素繊維、カーボンナノチューブ又はカーボンフレークを含んでいてもよい。
【００４５】
前記前駆物質はさらに第１の触媒金属（特に白金）に対する少なくとも１つの前駆体、及び第２の触媒金属（特にルテニウム）に対する少なくとも１つの前駆体を含む。本明細書において用いられる用語「金属前駆体」は、液体ビヒクル中に溶解又は分散し、少なくとも一部が（通常金属酸化物中間体を経て）対応する元素金属へ変換可能であり、最終的に合金化されて最終電極触媒粒子中の基質上に分散する合金ナノ粒子を形成することができる、金属含有化合物を意味する。
【００４６】
第１の触媒金属が白金である場合、適当な前駆体には、テトラアミン白金水酸化物（Ｐｔ（ＮＨ3）4（ＯＨ）2）；テトラアミン白金（ＩＩ）硝酸塩（Ｐｔ（ＮＨ3）4（ＮＯ3）2）；ヒドロキソ第２白金酸（Ｈ2Ｐｔ（ＯＨ）6）；白金硝酸塩；白金アミン硝酸塩；白金四塩化物（ＰｔＣｌ4）；ヘキサヒドロキシ白金ナトリウム（Ｎａ2Ｐｔ（ＯＨ）6）；ヘキサヒドロキシ白金カリウム（Ｋ2Ｐｔ（ＯＨ）6）及びＮａ2ＰｔＣｌ4が含まれる。第２の触媒金属がルテニウムである場合、適当な前駆体には、ルテニウムβ−ジケトナート；ルテニウムニトロシル硝酸塩（Ｒｕ（ＮＯ）（ＮＯ3）3）；過ルテニウム酸カリウム（Ｋ3ＲｕＯ4）；過ルテニウム酸ナトリウム（Ｎａ3ＲｕＯ4）；（ＮＨ4）3Ｒｕ2Ｏ7；ＮＨ4Ｒｕ2Ｏ7；Ｒｕ3（ＣＯ）12及びルテニウムアミン酢酸塩が含まれる。
【００４７】
上記組成物に加えて、前駆物質は任意に１つ以上の添加剤又は試薬を含む。適当な添加剤には、噴霧変換工程において前記金属前駆体の酸化物種への変換を補助する酸化剤及び、例えばそのスプレー処理を促進するなど前記前駆物質の性質を改良するポリマー及び／又は界面活性剤が含まれる。
【００４８】
前記前駆物質は形成後霧化され、キャリアガス中に分散及び懸濁した前駆物質の液滴を含むエアロゾルを生成する。液滴は、液体を微細に分離し液滴を製造するための適当な装置を用いて生成することができる。このような液滴を生成する装置は、液体噴霧装置（ｌｉｑｕｉｄ  ａｔｏｍｉｚｅｒｓ）、霧発生器（ｍｉｓｔ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）、噴霧器（ｎｅｂｕｌｉｚｅｒｓ）及びエアロゾル発生器（ａｅｒｏｓｏｌ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）などの様々な名称で称される。
【００４９】
所望のエアロゾルを発生させるのに適当な装置の一例は超音波エアロゾル発生器であり、液滴を形成するあるいは形成を補助するために超音波エネルギーが用いられる。超音波エアロゾル発生器の一種としては、微細な大きさで粒度分布が狭い液滴の形成を助けるための、超音波で通電可能なノズルを有するノズルタイプ装置がある。超音波エアロゾル発生器の別の例では、前駆物質の容器を超音波で通電して霧化コーンを発達させ、そこから前駆物質の液滴を形成し、該液滴はキャリアガス流によって一掃される。容器タイプ超音波エアロゾル発生器は比較的狭い粒度分布の非常に小さい液滴を製造することができ、最終複合粒子が約０．２〜約５μｍ（重量平均粒径）の範囲であることが望まれる場合、特に粒子の狭い粒度分布が望まれる場合に好適に用いられる。容器タイプ超音波エアロゾル発生器の例は例えば、米国特許第６，３３８，８０９号明細書に記載されており、その内容全体を本明細書の一部とする。ノズルタイプ超音波エアロゾル発生器及び容器タイプ超音波エアロゾル発生器のどちらも比較的狭い粒度分布の小さい液滴を製造するが、一般的に容器タイプの方がより均一な大きさのより微細な液滴を製造する。
【００５０】
液滴を発生させるための装置の別の例は、（超音波による通電ではない）スプレーノズルである。エアロゾル中で液滴を製造するためのいくつかの異なるタイプのスプレーノズルが存在し、新しいスプレーノズルも開発され続けている。スプレーノズルの例としては、二流体ノズル、ガスノズル及び液体ノズルが挙げられる。スプレーノズル発生器は超音波発生器と比べて処理能力が非常に高いという利点を有する。しかしながらスプレーノズルを用いて製造された液滴は、超音波発生器によって製造された液滴よりもはるかに大きくはるかに広い粒度分布を有する傾向がある。従って、スプレーノズルは比較的大きい複合粒子を作成するのに好ましい。用いることができる別のタイプの液滴発生器としては、回転式噴霧器及び液滴発生器が挙げられ、液滴発生器では液滴形成のためのエネルギーを生成するために、超臨界流体又は高圧溶解性ガスの膨張が用いられる。液滴発生のためのさらに別の方法が米国特許第６，６０１，７７６号明細書に記載されており、その内容全体を本明細書の一部とする。
【００５１】
前記エアロゾルのための輸送媒体として用いられるキャリアガスは、使いやすいガス組成物であればよく、例えば単体成分のガス組成物（例えば純窒素ガスなど）又は複数のガス成分の混合物（例えば空気又は窒素と水素の混合物など）であってもよい。さらにキャリアガスは噴霧変換プロセスの際に実質的に反応しないように選択してもよく、あるいは例えば噴霧変換の際に前記金属前駆体の酸化物種への変換に関与するように選択してもよい。
【００５２】
前記エアロゾルを発生させた後、エアロゾルは加熱して（１）液滴中の液体ビヒクルの少なくとも一部を除去し、（２）基質前駆体を支持基質粒子へ変換し、（３）金属前駆体を対応する金属及び／又は金属酸化物へ変換する。典型的にはこれらの工程は、エアロゾルを６００℃以下など７００℃以下（例えば約４００℃〜約５５０℃又は約４５０℃〜約５００℃）の反応温度まで少なくとも約１秒、例えば少なくとも３秒、少なくとも約２０秒又は少なくとも約１００秒の一定時間加熱することによる、一度の加熱によって達成される。好適には上記加熱は、スプレードライヤー中で行われる。これはスプレードライヤーの処理能力が高く、多量の粒子を製造することができるという利点を有するためである。
【００５３】
別の実施例では、液体ビヒクルを液滴から除去する工程は、前記金属前駆体を対応する金属及び／又は金属酸化物へ変換するための加熱とは別に行ってもよい。例えば液滴からの液体ビヒクルの除去は、反応器内、炉内、又はスプレー乾燥装置を用いて行ってもよく、さらなる工程のために収集される中間体粒子を製造する。中間体粒子はその後、別の反応器又は炉（例えば箱形炉、ベルト炉、トレイ炉、回転炉又は水素炉）内で１つ以上の更なる加熱工程に供し、基質前駆体を支持基質粒子へ変換及び／又は金属前駆体を対応する金属及び／又は金属酸化物へ変換してもよい。
【００５４】
いずれにしても、スプレー工程完了後、粒子状生成物は、例えばフィルタ、サイクロン、バグハウス又は電気集塵装置を用いるなど使用しやすい固体／気体分離技術によってキャリアガスから分離される。好適には、粒子状生成物の分離には最初の急冷工程を含んでいてもよく、それによって粒子状生成物の温度が急速に、例えば約０．１秒以内に周囲温度まで下げられ、ナノ粒子又は基質の結晶構造が保持され結晶成長が回避又は制限される。
【００５５】
［後処理］
噴霧変換工程の生成物は、通常は炭素である基質材料の粒子を含み、その上には所望の１つ又は複数の電極触媒金属の酸化物の形態のナノ粒子領域が分散している。その後生成物は酸化物種を元素金属へ変換する少なくとも１つの第１の後処理に供され、電極触媒金属が白金及びルテニウムの場合、少なくともその金属種の一部を合金化する。
【００５６】
第１の後処理は、最初に、粒子状生成物を、その収集及び／又は貯蔵に用いられる温度（通常は周囲温度）から最大２５０℃、例えば、約５０℃〜２５０℃、例えば、約６０℃〜約２００℃、例えば、約８０℃〜約１８０℃、例えば、約１００℃〜約１５０℃の還元処理温度に加熱することを伴う。この最初の加熱は、非酸化雰囲気又は還元性雰囲気下で約２〜約５℃／分など約１〜約１０℃／分の割合で行われる。所望の還元処理温度に達すると、還元性雰囲気を保持あるいは還元性雰囲気へ切り替え、生成物はこの温度で約１時間〜約８時間など約０．５時間〜約１０時間（例えば約１時間〜約４時間）保持される。還元処理完了後、生成物は約２〜約５℃／分など約１〜約１０℃／分の割合で、非酸化雰囲気又は還元性雰囲気下で再び周囲温度まで冷却される。
【００５７】
典型的には、第１の後処理工程で用いられる還元性雰囲気は水素を含み、より具体的には窒素と水素の混合物、例えば１０ｖｏｌ．％以下など５０ｖｏｌ．％以下の水素を含む窒素と水素の混合物を含む。第１の後処理工程の加熱及び冷却段階で非酸化雰囲気を用いる場合、適当な雰囲気は窒素を含む。
【００５８】
いくつかの実施例において第１の後処理は、２５０℃以下のそれぞれ異なる温度及び還元性雰囲気下で複数の段階で行うことができる。例えば第１の後処理は、粒子状生成物の約１〜約１０℃／分の割合での最初の還元処理温度（６０℃）への加熱、生成物の還元性雰囲気下６０℃での２時間保持、約１〜約１０℃／分の割合での更なる還元処理温度（８０℃）への再加熱、及び生成物の還元性雰囲気下８０℃でのさらに１時間の保持を含んでいてもよい。
【００５９】
上記第１の後処理工程に用いられる比較的低い温度にも関わらず、噴霧変換中に発生した酸化物種の大部分が、後処理中に対応する金属種へ変換されることが分かった。さらに金属種が白金及びルテニウムの場合、後処理工程は対応する金属の酸化物種を減少させるだけでなく、ほとんどの金属を白金／ルテニウム合金に変換させることが分かった。合金化の割合はＸ線回折（ＸＲＤ）によって容易に決定され、前記後処理生成物のＸＲＤは通常、ＰｔＲｕ合金の（１１１）回折ピークに対応し著しい合金化を示す、２θ値約４０．３８７で比較的強いピークを示す。２θ＝４３．７３７にほとんどあるいは全くピークがないことは、白金と合金化されていない金属ルテニウムが実質的にないことを示す。
【００６０】
ある場合には粒子状生成物を、第１の処理温度の最高値よりも高く約１５０℃〜約５００℃など５００℃以下の第２の処理温度で、また還元性雰囲気下で第１の後処理後に第２の後処理を施すことが望ましいことがある。好適には該第２の処理温度での加熱は、約１時間〜約８時間、例えば約１時間〜約４時間行われる。典型的には第２の後処理に用いられる還元性雰囲気は、水素と窒素の混合物など水素を含み、特に第１の後処理で用いられたものと同じ窒素／水素混合物を含む。この任意のより高温での第２の後処理は、電極触媒の耐久性を高めると考えられる。
【００６１】
［電極触媒用組成物］
本方法で製造された電極触媒用組成物は導電性基質粒子を含み、その上には１つ以上の金属及び／又は金属合金のナノ粒子が分散している。
【００６２】
一実施形態において、前記基質粒子は炭素を含む。別の態様では、前記基質粒子は本質的に炭素からなる。炭素は例えば黒鉛状炭素、カーボンナノチューブ、カーボンブラック多孔質炭素、カーボン−６０（バッキーボール）、又はこれらの組み合わせなど、種々の形態でよい。理想的には、基質粒子は例えば少なくとも約３００ｍ2／ｇなど少なくとも約１００ｍ2／ｇのオーダー（例えば少なくとも約５００ｍ2／ｇ、少なくとも１０００ｍ2／ｇ）の高い表面積を有する。
【００６３】
典型的には基質粒子は、より小さい複数の基質ナノ粒子の凝集体を含む。これらの基質ナノ粒子は任意に、ＴＥＭ及び／又はＳＥＭによって決定される約１０〜約１００ｎｍ（例えば、約２０〜約８０ｎｍ、例えば、約３０〜約５０ｎｍ）の数平均粒径を有する。実質的に球状のメソ多孔性凝集体に凝集した個々の基質ナノ粒子は、約１〜約１０μｍ、例えば、約３〜約８μｍ、例えば、約５〜約６μｍの重量平均粒径を有する。
【００６４】
前記金属含有ナノ粒子の数平均粒径は、電子顕微鏡によって特徴づけることができる。典型的にはナノ粒子は、約２〜約５ｎｍなど約１ｎｍ〜約１０ｎｍ（例えば約２．５〜約３．５ｎｍなど約２．５〜約４ｎｍ）の数平均粒径（例えば直径）を有する。
【００６５】
前記複合触媒粒子中の隣接する金属含有ナノ粒子間の距離は、電極触媒粒子の所望の最終用途に応じて広範囲に変化しうる。複合粒子中の隣接する金属含有ナノ粒子間の平均距離は、絶対数であらわすと、任意に約３０ｎｍ未満、例えば約２０ｎｍ未満、約１０ｎｍ未満、約５ｎｍ未満、約３ｎｍ未満又は約２ｎｍ未満である。複合粒子中の隣接するナノ粒子間の平均距離は、絶対数であらわすと、任意に約１ｎｍより大きく、例えば約３ｎｍより大きく、約５ｎｍより大きく、約１０ｎｍより大きく、約２０ｎｍより大きい。
【００６６】
一形態において金属含有ナノ粒子は回転楕円状である。すなわちこれらは一般的に完全な球でないとしても球状形態である。任意には、ナノ粒子の大部分は球状、中空、棒状、薄片、板状、立方体又は三方晶の形態を有する。
【００６７】
触媒（ナノ粒子及び基質粒子）の総重量に対する金属含有ナノ粒子の最適な重量比は、主に支持体の表面積によって変化しうる。一実施形態において、複合粒子全体（例えば電極触媒用組成物）に対するナノ粒子の平均重量比は、約５〜約９５、又は約１０〜９０、あるいは約２０〜約８０の範囲で変動する。ナノ粒子の充填量はまた、本明細書においては基質粒子表面の単位面積あたりの合金ナノ粒子の質量として定義される「表面濃度」としてあらわしてもよい。この態様においては、表面濃度は任意に約０．０１ｇ／ｍ2〜約１ｇ／ｍ2、例えば約０．０１ｇ／ｍ2〜約０．１ｇ／ｍ2、又は約０．０５ｇ／ｍ2〜約０．５ｇ／ｍ2の範囲で変動する。また別の態様では、本明細書においては「標準化活性表面積」として記載されるが、ナノ粒子の充填量は基質表面積によって標準化された活性化領域としてあらわされる。この態様においては、上記標準化活性表面積は任意に約０．０１〜約０．８、例えば約０．０５〜約０．５又は約０．１〜約０．３の範囲で変動する。
【００６８】
前記金属含有ナノ粒子の元素組成は、所望の適用及び所望の触媒活性に応じて広範囲に変化しうる。しかしながら金属含有ナノ粒子は通常、元素あるいは合金化された形のいずれかで白金を含む。１つの好ましい実施態様において、金属含有ナノ粒子は白金及びルテニウムの二元合金を含み、白金のルテニウムに対する原子比率は約０．５：１と約２：１の間など、約０．２５：１と約４：１の間で変動する。
【００６９】
基質粒子が炭素を含み金属ナノ粒子が白金／ルテニウム二元合金を含む場合、本発明の電極触媒用組成物は新規の有利な性質の組み合わせを示すことが分かった。特に０．５ＭＨ2ＳＯ4中６０℃及び２０ｍＶ／ｓでＣＯストリッピングボルタンメトリーにかけた場合、電極触媒用組成物は０．０８Ｖより大きいなど０．０５Ｖより大きい（例えば０．１Ｖより大きい）半値幅を有するＣＯストリッピングピークを示し、及び／又は白金及びルテニウム１ｇあたり少なくとも９０ｍ2など少なくとも８０ｍ2の電気化学的に接触可能な表面積を示す。
【００７０】
ＣＯストリッピングボルタンメトリーは電極触媒用組成物の電気化学的性質を測定するための確立された技術であり、ここに記載されるすべてのＣＯストリッピングボルタンメトリー試験測定は、実施例１０に詳細が記載されている手順に従った薄膜回転ディスク電極（ＴＦＲＤＥ）法によって行われる。
【００７１】
［電極触媒用組成物の使用］
ここに記載する電極触媒用組成物は、ＰＥＭ燃料電池、高温燃料電池、アルカリ及びリン酸燃料電池、直接メタノール型燃料電池、電解槽及び蓄電池を含む種々の電極触媒装置の製造において用いることができる。しかしながら本発明の電極触媒用組成物は特に、直接メタノール型燃料電池のための膜・電極一体構造（ＭＥＡ）の製造に有用である。
【００７２】
ＭＥＡは２００３年１０月２３日公開の米国特許出願公開第２００３／０１９８８４９号明細書に完全に記載されており、その内容全体を本明細書の一部とする。例えば（例えば基質粒子上の）インクを含有する合金ナノ粒子は、例えば直接書き込みプリントするなどしてポリマー電解質膜の電極担体上にプリントし、電極触媒層を形成することができる。米国特許第６，９１１，４１２号明細書のＭＥＡ電極形成のための直接書き込み蒸着工程の記載を参照し、その内容全体を本明細書の一部とする。ＭＥＡにおいて用いられる触媒は非常に高価（例えば白金金属）であり、ナノ粒子サイズの合金触媒粒子を用いてＭＥＡを製造できれば、ＭＥＡの製造コストを大幅に削減することができる。このコスト削減が達成できるのは、ナノ粒子が非常に高い全体表面積を有するためで、触媒効率を向上させ合金相の形成に起因する表面積あたりの比活性を増大させる。さらに表面積が増加し合金を含む電極触媒表面の物理的性質が変化すると、反応ガスの低加湿レベルでの操作などＭＥＡの性能の向上及び／又はＭＥＡをより高い操作温度及び循環状態にさらした場合に合金ナノ粒子の安定性がより高くなることによる、ＭＥＡ及び燃料電池の耐久性の向上にもつながる。
【００７３】
従って、別の実施態様において本発明は、少なくとも２つのガス拡散層に挟持された触媒被覆膜（ＣＣＭ）を含む膜・電極一体構造に関し、ここでＣＣＭはその一側面に堆積されたカソード層を、反対の側面に堆積されたアノード層を有する固体ポリマー電解質膜を含み、アノード層は上記の熱処理された炭素担持白金／ルテニウム合金ナノ粒子を含む。このような場合、アノード層中の合金ナノ粒子の充填量は、好適にはアノード層１ｃｍ2あたり約５ｍｇ以下（例えばアノード層１ｃｍ2あたり約４．５以下、約４以下、約３．５以下、約３以下、約２．５以下、約２以下、約１．５以下又は約１．０ｍｇ以下）の活性種（例えば合金ナノ粒子）となるように選択することができる。
【００７４】
ここに記載された熱処理された炭素担持白金／ルテニウム電極触媒用組成物は通常、アノード層及びカソード層を有する膜・電極一体構造の該アノード層に用いられる場合、電極触媒用組成物がアノード層の１ｃｍ2あたり３ｍｇのＰｔＲｕの充填量でアノード層中に存在する場合、及び１分あたり３ｍｌの割合で１Ｍメタノールをアノード層へ供給し、２００ｓｃｃｍの完全加湿水素をカソード層へ供給し、出力電圧０．４Ｖ、温度６０℃の状態で運転する直接メタノール型燃料電池において膜・電極一体構造を用いる場合に、アノード層中の白金及びルテニウム１ｍｇあたり少なくとも９０ｍＡなど少なくとも７０ｍＡの質量活性を有する。
【００７５】
ここで本発明を下記の実施例及び添付の図面を参照してより具体的に述べる。
【００７６】
［実施例１（比較例）］
テトラアミンＰｔ硝酸塩（Ｐｔ５０．４８ｗｔ％）３９．１ｇ及びＲｕニトロシル硝酸塩溶液（Ｒｕ１０．８３ｗｔ％）９４．６ｇを、ケッチェンブラック（Ｋｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ）ＥＣ６００Ｊ懸濁液（炭素７．０３ｗｔ％）２８４．５ｇ及び水８３２ｇと混合する。全ての試薬は供給メーカーから入手したものを直接用いる。組成物がよく混合されるまで得られた混合物を１５〜２０分間剪断する。混合物はその後霧化ユニットへ送り込まれ、液滴を形成する。液滴はガス流中に取り込まれ、スプレードライヤーなどの噴霧変換装置中へスプレーされる。スプレードライヤーは入口温度５７５℃及び出口温度３２０℃で運転される。
【００７７】
スプレー乾燥後の粉末の透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）は、大きさの範囲が２〜３ｎｍであるナノ粒子の均一な分布を示す（図１）。しかしながらＸ線回折（ＸＲＤ）パターンは、Ｐｔ合金面心立方相又は金属前駆体ピークがないことをしめす（図２Ａ）。代わりにＲｕＯ2／ＰｔＯ2相を観察すると、スプレー乾燥工程は主に、金属前駆体を分解し金属酸化物ナノ粒子を支持体表面上へ均一に分配する働きをすることを示す。
【００７８】
得られた生成物の分析は、白金約４０ｗｔ％、ルテニウム約２０ｗｔ％及び炭素約４０ｗｔ％を含むことを示す。
【００７９】
［実施例２］
実施例１で製造されたスプレー乾燥粉末の第１のサンプルを、下記の手順に従って後処理する。
（ａ）室温（３０℃）で３０分間Ｎ2パージする。
（ｂ）Ｎ2中３℃／分で８０℃まで昇温する。
（ｃ）Ｎ2中８０℃でさらに１時間パージする。
（ｄ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物へ切り替え、８０℃で２時間保持する。
（ｅ）Ｎ2へ切り替え、収集前に３℃／分で室温まで冷却する。
【００８０】
上記後処理された粉末のＸＲＤ測定（図２Ｂ）は、ほとんどの金属酸化物がＰｔＲｕ二元合金相へ変換されたことを示す。シェラーの式から計算されるＰｔＲｕ合金相の平均粒径は約３．３ｎｍである。
【００８１】
［実施例３］
実施例１で製造されたスプレー乾燥粉末の第２のサンプルを、下記の手順に従って後処理する。
（ａ）室温（３０℃）で３０分間Ｎ2パージする。
（ｂ）Ｎ2中３℃／分で１００℃まで昇温する。
（ｃ）Ｎ2中１００℃でさらに１時間パージする。
（ｄ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物へ切り替え、１００℃で２時間保持する。
（ｅ）Ｎ2へ切り替え、収集前に３℃／分で室温まで冷却する。
【００８２】
上記後処理された粉末のＸＲＤ測定（図２Ｃ）は、すべての金属酸化物がＰｔＲｕ二元合金相へ変換されたことを示す。シェラーの式から計算されるＰｔＲｕ合金相の平均粒径は約３．５ｎｍである。
【００８３】
［実施例４］
実施例１で製造されたスプレー乾燥粉末の第３のサンプルを、下記の手順に従って後処理する。
（ａ）室温（３０℃）で３０分間Ｎ2パージする。
（ｂ）Ｎ2中３℃／分で１２０℃まで昇温する。
（ｃ）Ｎ2中１２０℃でさらに１時間パージする。
（ｄ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物へ切り替え、１２０℃で１時間保持する。
（ｅ）Ｎ2へ切り替え、収集前に３℃／分で室温まで冷却する。
【００８４】
上記後処理された粉末のＸＲＤ測定（図２Ｄ）は、すべての金属酸化物がＰｔＲｕ二元合金相へ変換されたことを示す。シェラーの式から計算されるＰｔＲｕ合金相の平均粒径は約３．７ｎｍである。
【００８５】
［実施例５］
実施例５Ａとして表される第１の実験において、実施例１で製造されたスプレー乾燥粉末の第４のサンプルを、下記の手順に従って後処理する。
（ａ）室温（３０℃）で３０分間Ｎ2パージする。
（ｂ）Ｎ2中３℃／分で１２０℃まで昇温する。
（ｃ）Ｎ2中１２０℃でさらに１時間パージする。
（ｄ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物へ切り替え、１２０℃で１時間保持する。
（ｅ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物中３℃／分で２５０℃まで昇温する。
（ｆ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物中２５０℃で２時間保持する。
（ｇ）Ｎ2へ切り替え、収集前に３℃／分で室温まで冷却する。
【００８６】
上記後処理された粉末のＸＲＤ測定（図２Ｅ）は、ＰｔＲｕ合金の（１１１）回折ピークが２θ＝４０．３８７に存在することを示し、これは著しい合金化をあらわす。シェラーの式から計算される平均合金粒径は約３．７ｎｍである。
【００８７】
ＴＥＭ分析（図３Ａ及びＢ）は、金属ナノ粒子がよく分散しており、粒径（２〜４ｎｍ）がＸＲＤ結果と十分一致していることを示す。
【００８８】
実施例５Ｂとして表される第２の実験において、テトラアミンＰｔ硝酸塩溶液（Ｐｔ５ｗｔ％）３９５．２ｇ及びＲｕニトロシル硝酸塩溶液（Ｒｕ１０．８３ｗｔ％）９４．６ｇをケッチェンブラック（Ｋｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ）ＥＣ６００Ｊ懸濁液（炭素７．０３ｗｔ％）２８４．５ｇ及び水４７８ｇと混合することによって製造された混合物に実施例１のスプレー乾燥工程を施すことによって製造された粉末に、実施例５Ａの後処理手順を繰り返す。全ての試薬は供給メーカーから入手したものを直接用いる。上記後処理された粉末のＸＲＤ測定（図示せず）は、ほとんどの金属酸化物がＰｔＲｕ二元合金相へ変換されたことを示す。シェラーの式から計算されるＰｔＲｕ合金相の平均粒径は約３．３ｎｍである。
【００８９】
［実施例６］
実施例１で製造されたスプレー乾燥粉末の第４のサンプルを、下記の手順に従って後処理する。
（ａ）室温（３０℃）で３０分間Ｎ2パージする。
（ｂ）Ｎ2中３℃／分で１２０℃まで昇温する。
（ｃ）Ｎ2中１２０℃でさらに１時間パージする。
（ｄ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物へ切り替え、１２０℃で１時間保持する。
（ｅ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物中３℃／分で４５０℃まで昇温する。
（ｆ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物中４５０℃で２時間保持する。
（ｇ）Ｎ2へ切り替え、収集前に３℃／分で室温まで冷却する。
【００９０】
上記粉末のＸＲＤ測定（図示せず）は、ほとんどの金属酸化物がＰｔＲｕ二元合金相へ変換されたことを示す。シェラーの式から計算される合金相の平均粒径は約４．０ｎｍである。
【００９１】
［実施例７］
スプレードライヤーを入口温度５４０℃及び出口温度約３００℃で運転する以外は、実施例１のサンプル調製、霧化及びスプレー乾燥工程を繰り返す。
【００９２】
得られたスプレー乾燥粉末を、下記の手順に従って後処理する。
（ａ）室温（３０℃）で３０分間Ｎ2パージする。
（ｂ）Ｎ2中３℃／分で１２０℃まで昇温する。
（ｃ）Ｎ2中１２０℃でさらに１時間パージする。
（ｄ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物へ切り替え、１２０℃で１時間保持する。
（ｅ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物中３℃／分で４５０℃まで昇温する。
（ｆ）Ｈ2５ｖｏｌ．％とＮ2９５ｖｏｌ．％の混合物中４５０℃で２時間保持する。
（ｇ）Ｎ2へ切り替え、収集前に３℃／分で室温まで冷却する。
【００９３】
上記粉末のＸＲＤ測定（図示せず）は、ほとんどの金属酸化物がＰｔＲｕ二元合金相へ変換されたことを示す。シェラーの式から計算される合金相の平均粒径は約３．７ｎｍである。
【００９４】
［実施例８］
［（ａ）ＭＥＡ製造］
実施例１のスプレー乾燥法に続いて実施例５Ａの後処理を施して、６０％ＰｔＲｕ／ＫＢ［ここでＫＢはケッチェンブラック（Ｋｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ）ＥＣ６００Ｊをあらわす）］電極触媒を製造する。得られた触媒１ｇｍを計量して容器に入れ、その後脱イオン水８ｇｍを添加する。続いて超音波処理ホーンを用いて１０分間超音波処理する。超音波処理後、水中５％ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）溶液５ｇｍを触媒混合物に加え、混合物をさらに５分間超音波処理する。得られたインクは、アノードのＰｔＲｕ合金の充填量が３ｍｇＰｔＲｕ／ｃｍ2となるように、活性化領域２５ｃｍ2を有するナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）１１３５層の１つの表面上に触媒被覆膜（ＣＣＭ）のアノードをプリントするのに用いられる。ＣＣＭのカソードは、Ｃａｂｏｔ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＤｙｎａｌｙｓｔ（登録商標）６０ＫＲ１として市販されている６０％Ｐｔ／ＫＢ触媒を含むインクを、カソードのＰｔ充填量１．５ｍｇＰｔ／ｃｍ2でナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）層の反対の面上にプリントすることによって製造される。
【００９５】
比較のために、市販のＰｔＲｕ／Ｃ及びＰｔＲｕブラックを含む２つのＣＣＭを作成する。１つはＪｏｈｎｓｏｎ  Ｍａｔｔｈｅｙから商標名ＨｉＳＰＥＣ（登録商標）１００００で市販されている６０％ＰｔＲｕ／Ｃ触媒を、同じＰｔＲｕ充填量（３ｍｇＰｔＲｕ／ｃｍ2）でアノードとして用いて製造する。このＣＣＭのカソード側には、Ｃａｂｏｔ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＤｙｎａｌｙｓｔ（登録商標）６０ＫＲ１として市販されている６０％Ｐｔ／ＫＢ触媒をＰｔ充填量１．５ｍｇＰｔ／ｃｍ2でプリントする。もう一方のＣＣＭは、Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ｍａｔｔｈｅｙから商標名ＨｉＳＰＥＣ（登録商標）６０００で市販されているＰｔＲｕブラックを、ＰｔＲｕ充填量８ｍｇＰｔＲｕ／ｃｍ2でアノードとして用いて製造する。このＣＣＭのカソード側には、Ｃａｂｏｔ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＤｙｎａｌｙｓｔ（登録商標）６０ＫＲ１として市販されている６０％Ｐｔ／ＫＢ触媒をＰｔ充填量２ｍｇＰｔ／ｃｍ2でプリントする。いずれの場合も、固体ポリマー電解質膜はナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）１１３５である。
【００９６】
得られたＣＣＭそれぞれについて、同一の紙タイプガス拡散層をアノード及びカソードに適用し、膜・電極一体構造（ＭＥＡ）を作成する。
【００９７】
［（ｂ）ＭＥＡテスト］
１Ｍメタノールを背圧なしで３ｍｌ／ｍｉｎの割合でアノードに供給し、４００ｓｃｃｍの乾燥空気を同じく背圧なしでカソードに供給しながら、得られたＭＥＡを直接メタノール型燃料電池においてテストする。燃料電池分極曲線は燃料電池の粉末全体の出力をよくあらわしているが、これはアノード触媒層、カソード触媒層、メタノールクロスオーバー等の効果の組み合わせである。よってアノード分極曲線は、ＭＥＡ構造におけるアノード触媒活性を直接分析するために得られる。アノード分極測定中、１Ｍメタノールが３ｍｌ／ｍｉｎの割合で背圧なしでアノードに供給され、２００ｓｃｃｍの完全加湿水素が同じく背圧なしでカソードに供給される。アノード分極曲線は、０．１Ｖと０．７Ｖの間で２ｍＶ／ｓｅｃの割合で電圧掃引を適用することによって得られる。
【００９８】
実施例５Ａの電極触媒を用いて作られたＭＥＡにおけるＰｔＲｕ充填量はＨｉＳＰＥＣ（登録商標）６０００電極触媒を用いて作られたＭＥＡのそれの半分以下であるが、図４は、アノード層中に実施例５Ａの電極触媒を用いて製造されたＭＥＡが、０．４Ｖと０．４５Ｖを比較した場合に、アノード層中にＨｉＳＰＥＣ（登録商標）６０００を用いて製造されたＭＥＡの絶対的パフォーマンスの８０％を示すことをあらわす。この結果は、アノード層における実施例５Ａの電極触媒が高い活性を有することを示しており、ここに記載した触媒を用いた場合にＤＭＦＣ  ＭＥＡにおいて金属充填量を著しく減少させることができ、性能の著しい低下を伴わずにコストを下げることができることを立証している。
【００９９】
アノード層中に実施例５Ａの電極触媒を用いたＭＥＡの、６０℃におけるアノード分極を図５に示し、種々の温度（５０℃、６０℃及び７０℃）におけるセルの性能を図６に示す。比較として図７及び８は、Ｊｏｈｎｓｏｎ  Ｍａｔｔｈｅｙから商標名ＨｉＳＰＥＣ（登録商標）１００００で市販されている６０％ＰｔＲｕ／Ｃ触媒を含む同等なＭＥＡに関して、同じ条件でのアノード分極及びセル性能をそれぞれ示す。結果を図９にまとめる。図９から、実施例５の電極触媒は図７及び８に示されたＭＥＡと比較して、出力電圧０．４Ｖ、６０℃でのアノード分極において３５％高い電流密度を示し、０．４５Ｖ、６０℃において２０％高い電力密度を示すことが分かるであろう。
【０１００】
図５及び７に示され図９にまとめられたアノード分極データは、さらにＭＥＡ中で用いられるアノード触媒の標準化性能を比較するために用いられる。標準化性能は、以下の方法でアノード分極データから計算される。規定の出力電圧Ｖ（例えば０．４Ｖにおいて２７０ｍＡ／ｃｍ）でのアノード分極電流密度（ｍＡ／ｃｍ）をアノード層中のＰｔＲｕ充填量（ｍｇＰｔＲｕ／ｃｍ2）で割り、アノード電極触媒の標準化性能を規定の電圧におけるｍＡ／ｍｇＰｔＲｕとして導く。
【０１０１】
［実施例９］
この実施例においては、６つの触媒、すなわち実施例５Ａ、５Ｂ、６及び７に記載の工程において製造された担持６０ｗｔ．％Ｐｔ50Ｒｕ50／ＫＢ触媒（以降それぞれＣＳＭＰ−５Ａ、ＣＳＭＰ−５Ｂ、ＣＳＭＰ−６及びＣＳＭＰ−７とラベルする）、及び比較の目的で最新技術の担持６０ｗｔ．％Ｐｔ50Ｒｕ50／Ｃ（ＨｉＳＰＥＣ（登録商標）１００００）及び最新技術の非担持Ｐｔ50Ｒｕ50ブラック（ＨｉＳＰＥＣ（登録商標）６０００）サンプル（以降それぞれＳＯＡ−Ｃ、ＳＯＡ−Ｂｌａｃｋとラベルする）について薄膜回転ディスク電極（ＴＦＲＤＥ）法を利用した電気化学的測定を行う。
【０１０２】
初めに触媒懸濁液を二段階で調製する。第１段階では、触媒を計量し（１６〜２５ｍｇ）、濃度が１ｍＬあたり触媒４ｍｇ（４ｍｇcatalyst／ｍＬ）である分散液を調製するのに必要な量の水（ＪＴ  ＢａｋｅｒのＵＬＴＲＥＸ（登録商標）ＩＩ特級試薬）中に分散する。触媒懸濁液はその後２０分間超音波処理され、最高湿度及び触媒の分散性を確実にするため一晩放置する。第２の懸濁液は、さらに２０分超音波処理を施した後の第１の懸濁液から、第１の懸濁液２００μＬをピペットで採取し、水８００μＬ中に再分散させて調製する。第２の触媒懸濁液の濃度（及び総体積、１ｍＬ）は全てのサンプルについて同じで、１ｍＬあたり触媒０．８ｍｇ（０．８ｍｇcatalyst／ｍＬ）である。超音波で（２０分間）再分散した第２の触媒懸濁液２０μＬはその後、直径５ｍｍのガラス状の炭素ディスク電極（Ｐｉｎｅ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）上に堆積し、各実験（０．０５μｍアルミナ、Ｂｕｅｈｌｅｒ）に先立ち研磨して鏡面仕上げし、８１．６μｇ／ｃｍ2の一定触媒充填量とする。室温の高純度窒素流中で乾燥した後、堆積触媒層は希釈水性ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））溶液（Ａｌｄｒｉｃｈによる低級脂肪族アルコール及び水との混合物中５ｗｔ％の出発溶液を、１ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）／１００Ｈ2Ｏへ希釈する）１４μＬで被覆する。得られたナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）の０．２μｍ以下の膜厚は、該膜を介して拡散抵抗を大幅に生成することなく、触媒粒子をガラス状の炭素ディスク電極担体へ恒久的に付着させるのに十分な強度を有する。最後に、７５ｍＶ  ｖｓ．ＲＨＥで電位制御しながらアルゴン除去した０．５ＭＨ2ＳＯ4（ＪＴ  ＢａｋｅｒのＵＬＴＲＥＸ（登録商標）ＩＩ特級試薬硫酸）電解質に電極を浸す。
【０１０３】
すべての電気化学的測定は、恒温三室型電気化学セル中で行う。参照電極は、塩化物汚染を避けるために閉鎖電解質ブリッジによって作用電極区画から分離された飽和カロメル電極（ＳＣＥ）である。しかしながらこの研究におけるすべての電位は、同じ電解質中の可逆水素電極（ＲＨＥ）の電位を基準とする。規定の電解質中規定の温度での可逆水素電極を基準とした参照電極の較正は、水素飽和溶液中多結晶バルクＰｔ電極上での水素酸化／発展分極曲線を測定することによって行われる。この研究で用いられるすべての気体は、Ｍａｔｈｅｓｏｎ  Ｔｒｉ−Ｇａｓより購入のＲｅｓｅａｒｃｈ  Ｐｕｒｉｔｙ  Ｇｒａｄｅである。定電位電解装置はＰＡＲ  ＢｉＳｔａｔで、コンピュータ制御されている。回転子ユニットはＰｉｎｅ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製のモデルＭＳＲである。
【０１０４】
図１０は担持（ＣＳＭＰ−５Ａ）Ｐｔ50Ｒｕ50触媒の代表的なボルタモグラムをあらわす。バルク電極のボルタンメトリー特性と一致して、Ｈupd領域（０．０５＜Ｅ＜０．３Ｖ）にはまずＯＨの可逆吸着が続き、その後不可逆酸化物形成が続く。
【０１０５】
図１１は、０．５Ｍ  Ｈ2ＳＯ4中６０℃での６つの触媒すべてに関する、ＣＯの飽和単層のストリッピングボルタンメトリーの結果をまとめたものである。より要約してあらわすために、ＣＯ揮散後のボルタンメトリー中のアノード電流のみをプロットする。すべての表面上のＣＯの飽和被覆は、溶液へのＣＯガス導入中回転を伴わずに電極電位を０．０７５Ｖで５分間保持し、さらに２分間１６００ｒｐｍで回転する電極上に保持することによって達成される。続いてアルゴンとともに溶液を１５分間パージすることによって、溶液からＣＯガスを除去する。掃引速度は２０ｍＶ／ｓである。テストしたすべてのサンプルのＣＯストリッピングボルタンメトリーに共通する特性は、ＣＯ酸化がほぼ同じ電位で開始したことで、これは吸着ＣＯの不存在下での擬容量性電流とＣＯ酸化電流との交点（第１及び第２の正のボルタンメトリー掃引における電流の交点）によって示される。この結果はＰｔのＲｕに対する割合が異なる複数のバルク合金上の吸着ＣＯ酸化と一致しており、空の（Ｈupdのない）Ｒｕ部位の小画分における酸素含有種の核形成によって説明され、その後ＣＯ電極酸化反応を触媒する。十分な量のＲｕ表面部位が存在する限り、ＣＯ酸化反応の開始は実際の表面Ｐｔ：Ｒｕ割合とは無関係で、理想的にはＲｕ表面原子上での水活性化の熱力学電位と一致する。しかしながら、ＣＯ酸化反応が始まった後、反応速度に関連するＣＯ酸化ピーク最大値及びピーク幅は、表面組成物、粒径、粒子形状、粒子形態等のパラメータに依存するだろう。純ＰｔにおけるＣＯストリッピング電極酸化と比較すると、ＰｔのＲｕとの合金化の効果としては、対応するピーク幅における著しい減少を伴って、Ｒｕ表面組成物の関数としてのストリッピングピーク位置における負のシフトに基づいて極端な活性増強をもたらす。
【０１０６】
すべてのテストサンプルについての、第２の正のボルタンメトリー掃引において擬容量性特性を差し引きした後に得られる、ピーク位置における差及び半値全幅（ＦＷＨＭ）を図１２に示す。より単純な比較のために、すべてのＣＯストリッピングピークを対応するピーク最大値へ標準化する。ＳＯＡ−Ｃ、ＳＯＡ−Ｂｌａｃｋ、ＣＳＭＰ−５Ａ及びＣＳＭＰ−５Ｂサンプルのピーク位置は互いに非常に近く（表１）、ＣＳＭＰ−６及びＣＳＭＰ−７触媒についてはいくらか高い電位へシフトしている。しかしながら最新技術の担持及び非担持Ｐｔ50Ｒｕ50触媒とＣＳＭＰ担持Ｐｔ50Ｒｕ50触媒との最も特筆すべき違いは、半値全幅（ＦＷＨＭ）である。４つのＣＳＭＰ担持触媒すべてのより広いＣＯストリッピングピーク（＞０．０５Ｖ）は、より遅い反応速度によって理解することができ、Ｒｕ原子上に吸着された酸素含有種に到達するための、Ｐｔ表面原子上に吸着されたＣＯの干渉された拡散移動によっても説明することができる。すべてのＣＳＭＰサンプルのＣＯストリッピングピークがより高い電位においてテーリングを示していることは、吸着ＣＯの閉塞した拡散運動の発見をさらに支持している。このＣＯ拡散運動の干渉は、おそらく表面上へのより強いＣＯ吸着に起因している。吸着強度及びそれゆえ表面上に吸着されたＣＯの拡散運動が、粒径、粒子表面組成物及び粒子形態などのパラメータに依存していることを考慮すると、これらの結果は、最新技術の担持及び非担持Ｐｔ50Ｒｕ50触媒と比較してＣＳＭＰ担持Ｐｔ50Ｒｕ50触媒が固有の性質を有することを明瞭に示している。
【０１０７】
図１１におけるピーク下で積分されたＣＯストリッピング電荷は、ＣＯ単層あたり４２０μＣｃｍ-2と仮定したときの各触媒の電気化学的に接触可能な表面積を計算するのに用いられる。この方法で計算されたすべてのサンプルの電気化学的表面積の結果を表１に示す。表１の結果に基にすると、ＣＳＭＰ−５Ａ及びＢ触媒は、ＳＯＡ−Ｃ及びＳＯＡ−Ｂｌａｃｋ（５０〜７０ｍ2／ｇmetal）と比較して著しく高い表面積（９０〜９５ｍ2／ｇmetal）を示しており、メタノール電極酸化を伴う場合のように該表面が活性相である触媒工程において有利に反応を開始する。
【０１０８】
図１３はすべてのサンプルについての、擬容量性寄与を差し引いた後に０．０５Ｖ＜Ｅ＜０．３Ｖの範囲でのサイクリックボルタンメトリーにおける正方向掃引の積分によって得られる、０．３５ＶにおけるＨupd吸着等温線をあらわす。ここで２１０μＣの総電荷はｃｍ2あたりのＨupdの完全単層に対応していると考えられる。ＣＳＭＰ−５Ａ、ＣＳＭＰ−５Ｂ、ＳＯＡ−Ｃ及びＳＯＡ−ＢｌａｃｋのＨupd範囲が非常に似通っている一方、ＣＳＭＰ−６及びＣＳＭＰ−７電極については著しく高い。ＣＳＭＰ−６及びＣＳＭＰ−７サンプルの著しく高いＨupd範囲はＰｔ表面濃縮を示しており、これはＰｔＲｕ系における優先Ｐｔ表面識別に関する熱力学的考察及びバルク合金についての所見と一致している。処理温度及び後処理温度のプロファイルが、触媒の設計及び最適化において極めて重要な役割を担っていることは明らかである。
【０１０９】
ＣＯストリッピングボルタンメトリー及び電気化学的表面積の決定に続いて、（電位制御を保持しながら）電極を電解溶液から持ち上げ、適量のメタノール（Ｍａｌｌｉｎｃｋｒｏｄｔ  ＣＨＥＭＩＣＡＬＳのＭｅｔｈｙｌ  Ａｌｃｏｈｏｌ、ＵｌｔｉｍＡＲ（登録商標）９９．９％ｍｉｎ．）を溶液に注入して０．５ＭＨ2ＳＯ4中１ＭＣＨ3ＯＨとし、続いて電極を溶液に戻して浸す。すべての電極を０．０７５Ｖで上記メタノール溶液と接触させる。０．４Ｖにする前に電極をさらに５分間０．０７５Ｖで保持する。定常状態条件をシミュレーションする方法として、電極を０．４Ｖで１０分間保持する。メタノール電極酸化のためのディスク電極を固定レジームとして用いる。すべてのサンプルについてのメタノール電極酸化の結果を表１にまとめる。
【０１１０】
【表１】
0005426405.tif 000002
【０１１１】
表１中の活性は表面−比電流密度［ｍＡ／ｃｍ2］及び質量−比電流密度（貴金属質量に基づくｍＡ／ｍｇmetal）の両方の観点から引用される。質量−比活性は、所望の絶対的パフォーマンスを達成するために高価な貴金属をどれだけ充填しなければならないかを規定するパラメータである。一方表面−比活性は合金相ナノ粒子の固有の性質を規定するパラメータである。異なるサンプルを表面−比活性の観点で比較することは、活性部位の表面濃度（ｃｍ-2）及びターンオーバー頻度（ＴＯＦ）（ｓ-1）などの基本的なパラメータのみに依存しているそれらの固有の触媒活性で比較することを意味する。表面−比活性が高いほど、真に優れた触媒であることを示す。表面−比活性と質量標準化表面積（ｍ2／ｇ）を組み合わせると、質量−比活性が決定される。高い質量−比活性を示す改良された触媒は、高い表面比活性及び高い質量標準化表面積を好ましく併せ持つものとなるであろう。
【０１１２】
表１に示されたメタノール酸化の結果によると、ＣＳＭＰ−５Ａ及びＣＳＭＰ−５ＢはＳＯＡ−Ｂｌａｃｋ及びＳＯＡ−Ｃ電極よりも、質量-比活性の観点で性能が優れている。ＳＯＡ−Ｂｌａｃｋと比較するとＣＳＭＰ−５Ａ触媒はいくらか低い表面−比活性を有するが、質量活性の点ではＳＯＡ−Ｂｌａｃｋよりも著しく性能が優れており、これは金属分散（５３ｍ2／ｇmetalしかないＳＯＡ−Ｂｌａｃｋと比べてＣＳＭＰ−５Ａは９５ｍ2／ｇmetalである）における違いと一致している。さらにＣＳＭＰ−５Ｂ触媒はＳＯＡ−Ｂｌａｃｋ及びＳＯＡ−Ｃと比較して、質量−比活性だけでなく表面−比活性の点でも優れた性能を示し、固有の優れた触媒であることを示す。これははるかに高い質量標準化表面積と組み合わせた結果、ＳＯＡ−Ｂｌａｃｋの質量−比活性を基準とした場合のほぼ２倍質量−比活性が改善される。このことは図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示されている。ＣＳＭＰ−５Ａ及びＣＳＭＰ−５Ｂ（表１）触媒と比較した場合のより高い温度で後処理されたＣＳＭＰ−６及びＣＳＭＰ−７触媒の活性によって、本発明の処理温度及び後処理温度のプロファイルが触媒の設計及び最適化、ならびに高い質量及び表面比活性の達成において、極めて重要な役割を担っているという発見が強固なものとなる。
【０１１３】
今日では、メタノール電極酸化のための低い過電圧において、その工程は、水を活性化し抑制ＣＯ中間体を効果的に除去するという表面の能力に支配的に影響されるという意見で一致している。このことは図１５に見られる。ここで電位を０．４ＶRHEで１０分間保持した後のメタノール電極酸化電流は、最大ＣＯストリッピングピークの関数として（図１５（Ａ））及びＣＯストリッピングピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）の関数として（図１５（Ｂ））与えられる。これらのパラメータはどちらも、ＣＯ酸化に対する活性とよく関連している。
【０１１４】
ＣＯ酸化のための活性が高くなればなる程、ＣＯストリッピングピークはより負の電位へシフトし、ピーク幅の減少につながる。ＣＳＭＰ触媒のみを比較すると、明らかな傾向が分かってくる。触媒のＣＯ耐性を改善することによって、メタノール電極酸化活性全体が増加する。ＳＯＡ−Ｂｌａｃｋ及びＳＯＡ−Ｃ触媒も同じ傾向を示すが、最大ＣＯストリッピングピーク位置を分析した場合だけである（図１５（Ａ））。ピーク幅を考える場合は、明らかに不連続的な変化が見られる。ＳＯＡ−Ｂｌａｃｋ及びＳＯＡ−Ｃ触媒両方のＣＯストリッピングピークは、ＣＳＭＰ触媒のＣＯストリッピングピーク幅のほぼ半分であるが、図１５（Ｂ）から明らかなように、この変化はメタノール電極酸化活性の改善を意味しない。このことは、ＳＯＡ−Ｂｌａｃｋ及びＳＯＡ−Ｃ電極触媒と比較して、ＣＳＭＰ触媒がメタノール電極酸化に対して固有の性質を有することを明瞭に示している。
【０１１５】
図１５（Ａ）及び（Ｂ）から、ＣＳＭＰ−５Ｂ触媒はＣＯ耐性が最も高い触媒ではないが、最適なメタノール電極酸化触媒であることが明らかである。このことはメタノール電極酸化に対する表面−比活性が最も高いことから明らかである。ＳＯＡ−Ｂｌａｃｋの質量-比活性を基準とすると、ＣＳＭＰ−５Ａ及びＣＳＭＰ−５Ｂ触媒はＳＯＡ−Ｂｌａｃｋ及びＳＯＡ−Ｃ触媒と比較して１．５-１．７（図１４（Ｂ））倍の活性改善を示す。このことは、ＭＥＡにおいて貴金属充填量をほぼ２倍減少させながら同じ絶対的パフォーマンスを達成できることを示唆しており、ＭＥＡ特性解析データとも一致している。
【０１１６】
特定の実施例を参照して本発明を記載及び図示してきたが、ここに必ずしも示されていないバリエーションに本発明を適用できることは、当業者には十分理解されるであろう。このため、本発明の真の範囲を決定する目的では、添付の特許請求の範囲のみを参照しなければならない。
【図１】
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【図２】
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【図３（Ａ）】
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【図３（Ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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