(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
白金からなるシェル層と、前記シェル層に覆われた白金以外の金属よりなるコア粒子とからなる、コア／シェル構造を有する触媒粒子が担体に担持された燃料電池用触媒の製造方法であって、
前記コア粒子を担持した前記担体を、銅イオンを含む電解液中で電解し、コア粒子表面に銅を析出させる電解処理工程と、
銅を析出させた前記コア粒子に、白金化合物溶液を接触させることにより、コア粒子表面の銅を白金で置換し、白金からなるシェル層を形成する置換反応工程を含み、
前記置換反応工程の白金化合物溶液は、クエン酸を含み、
前記電解処理工程の電解液の溶存酸素量を１ｐｐｍ以下とすることを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。
【請求項２】
白金化合物溶液中のクエン酸の含有量は、白金化合物のモル数を基準として４０倍以下である請求項１記載の燃料電池用触媒の製造方法。
【請求項３】
電解処理工程は、コア粒子を担持した担体を作用極上に堆積させて電解処理を行うものである請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用触媒の製造方法。
【請求項４】
コア粒子を構成する金属は、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金又はこれらの金属の合金である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池用触媒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白金からなるシェル層と、白金以外の金属からなるコア粒子とからなるコア／シェル構造を有する触媒粒子を担体に担持した触媒の製造方法に関する。詳しくは、固体高分子形燃料電池用触媒に有用であり、製造効率に優れると共に触媒活性も良好な触媒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、次世代の発電システムとして期待が高く、特に固体高分子を電解質として用いる固体高分子形の燃料電池は、リン酸形燃料電池等と比較して動作温度が低く、かつコンパクトなため、電気自動車用の電源として利用が望まれている。固体高分子形燃料電池においては、電気化学的反応を促進させるための電極として、触媒と固体高分子との混合体が使用されている。
【０００３】
燃料電池用の触媒としては、カーボン粉末等の導電性物質に、触媒成分として白金粒子を担持させたものが一般的に知られている。ここで、触媒の活性は白金の存在によるものであるが、白金は貴金属の中でも特に高価であり、その使用量は触媒コスト、ひいては燃料電池のコストを左右することとなる。そのため、白金の使用量を低減した触媒の開発が求められている。
【０００４】
燃料電池用触媒の白金使用量を低減する方法に関しては、担持する触媒粒子の構成を調整するものが提案されている。具体的には、触媒粒子の構成として、白金以外の金属からなるコア粒子と、コア粒子の表面を白金シェル層で被覆するコア／シェル構造を適用したものが提案されている。例えば、特許文献１では、パラジウム又はパラジウム合金をコア粒子とし、これに白金層を単原子若しくは準単原子レベルの層を被覆した触媒が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５２５６３８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／０９９９５６号パンフレット
【０００６】
そして、かかるコア／シェル構造を有する触媒を製造する方法として、銅アンダーポテンシャル析出法（Ｃｕ  Ｕｎｄｅｒ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：以下、Ｃｕ−ＵＰＤ法と称する。）が利用されている。Ｃｕ−ＵＰＤ法によるコア／シェル型触媒の製造方法では、所定の電気化学的処理により、パラジウム、パラジウム合金からなるコア粒子表面に銅の単原子層を被覆し、その後、銅を白金で置換して白金層を形成する。例えば、適宜の担体上にコア粒子を担持させたものを、硫酸銅溶液等の電解液中で所定条件にて電解処理し、コア粒子表面に銅層を形成し、これを白金化合物溶液に接触させることで、銅と白金とを置換することで白金シェル層を形成する。このようにコア粒子に銅層を一旦形成するのは、コア粒子表面に直接白金層を析出させようとした場合、単原子層又は準単原子層を超える厚い白金層が形成される場合や、コア粒子を被覆することなく溶液中で白金析出が生る場合があるからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｃｕ−ＵＰＤ法は、単原子層又は準単原子層の好適な厚さの白金シェルを形成できるという利点はあるものの、コア粒子に対する銅層の形成に際して厳密な電位管理が要求される。上記のように、従来のＣｕ−ＵＰＤ法では、電位的に貴の金属である白金と、卑の金属である銅との単純な置換反応に基づいて白金層が形成される。従って、白金の置換元となる銅層が極めて高いレベルで均一であることが必要だからである。そのため、従来法では、全てのコア粒子に均等な電解処理を行う必要があった。
【０００８】
例えば、上記特許文献２では、コア粒子を担持したカーボン粉末と適宜の分散媒とからなるインクを製造し、これをディスク電極に均一に塗布・乾燥させて電解液に浸漬し電解している（図２参照）。この電解の際には、コア粒子が作用極として作用し、コア粒子表面に銅が析出する。その後、ディスク電極に白金化合物溶液を接触させると銅と白金とが置換してコア粒子表面に白金シェル層が形成される。このように、ディスク電極に少量のコア粒子を塗布して電解処理を行うのは、一つ一つのコア粒子に対して確実且つ均等に電位を印加し、均一な単層の銅層を形成するためである。
【０００９】
従来のＣｕ−ＵＰＤ法による触媒製造は、白金の使用量を低減しつつ、良好な活性を有する触媒を得ることを目的とするものであり、この目的は十分達成できている。しかしながら、上記のように少量のコア粒子を電極へ塗布して電解する工程を含む方法では、１回当たりの触媒の製造量が少なく効率的なものではない。この方法は実験室的な製造方法であり、工業的製造には不向きであるといえる。
【００１０】
本発明は、上記背景のもとになされたものであり、Ｃｕ−ＵＰＤ法によりコア／シェル構造を有する触媒粒子を形成して触媒を製造する方法について、製造効率を向上させて大量生産が可能とすることができ、また、触媒活性も良好な触媒を製造することができるものを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述のように、従来のＣｕ−ＵＰＤ法の製造効率が低いのは、コア粒子への銅層形成のための電解処理工程に要因がある。従来法では、少量のコア粒子を電極に均一に塗布・密着させることで電位制御の均一性を確保している。大量のコア粒子を電極に接触させて処理すると、コア粒子と電極との接触が不均一になるためコア粒子間で電位制御のバラツキが生じ、銅層の厚さを揃えることができないからである。
【００１２】
本発明者等は、上記課題解決のためのアプローチとして、銅層形成後の白金置換工程の最適化を図ることを検討した。これは、電解処理工程の電位制御の厳密性を緩和し多少不均一な銅層が形成された場合であっても、その後の白金の置換が有効になされるのであれば、最終的な目的であるコア／シェル構造の触媒粒子は製造できるとの意図によるものである。そして、電解処理工程の厳密性の緩和は、処理量の増大に繋げることができ、全体的な製造効率を高めることができると考えた。そこで、本発明者等は、更なる検討を行い、白金層形成のための置換反応工程において反応系にクエン酸を添加することで有効な白金層を形成できることを見出した。
【００１３】
上記課題を解決する本発明は、白金からなるシェル層と、前記シェル層に覆われた白金以外の金属よりなるコア粒子とからなる、コア／シェル構造を有する触媒粒子が担体に担持された触媒の製造方法であって、前記コア粒子を担持した前記担体を、銅イオンを含む電解液中で電解し、コア粒子表面に銅を析出させる電解処理工程と、銅を析出させた前記コア粒子に、白金化合物溶液を接触させることにより、コア粒子表面の銅を白金で置換し、白金からなるシェル層を形成する置換反応工程とを含み、前記置換反応工程の白金化合物溶液はクエン酸を含むことを特徴とする触媒の製造方法である。
【００１４】
上記の通り本発明は、Ｃｕ−ＵＰＤ法について、コア粒子に銅層を形成後の、白金置換する工程に対して改良を加えたことを特徴とする。この改良は、白金化合物溶液中にクエン酸を添加した状態で処理を行い、コア粒子表面の白金の被覆率向上効果を有するものである。従来のクエン酸添加のない白金置換工程では、銅と白金が直接置換するものである。本発明のように、クエン酸添加により白金の被覆率が向上し最適化されるのは、クエン酸が銅と白金との置換反応を仲介し、銅とクエン酸が置換した後、クエン酸と白金が置換する反応機構を有する。又は、白金化合物溶液中の白金イオンが白金−クエン酸錯体を形成しその還元電位が変化したことによるものと考えている。
【００１５】
以下、本発明についてより詳細に説明する。本発明に係る触媒の製造方法は、基本的工程はＣｕ−ＵＰＤ法に準じたものである。Ｃｕ−ＵＰＤ法による触媒製造工程は、担体に担持されたコア粒子を用意し、このコア粒子表面に銅層を被覆する電解処理工程、そして、コア粒子表面の銅と白金との置換を行い白金シェル層を形成する置換反応工程を供える。
【００１６】
コア粒子は、白金以外の金属からなる。この金属としては、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、金又はこれら金属の合金が適用でき、好ましくは、パラジウム又はパラジウム合金が適用される。コア粒子としてパラジウムが好適なのは、化学的安定性に優れており、触媒の活性を向上させることもできるからである。また、パラジウム合金としては、パラジウム−ニッケル合金、パラジウム−銅合金、パラジウム−コバルト合金、パラジウム−金合金が適用できる。これらのパラジウム合金は触媒の活性をより向上させることができる。尚、パラジウム合金を適用する場合、ニッケル、銅等の添加元素濃度は、添加元素とパラジウムとのモル比（添加元素／パラジウム）が１／１以上１／１２以下にするのが好ましい。また、コア粒子の平均粒径は、２ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましい。
【００１７】
本発明では、コア粒子を担体に担持した状態で処理する。担体としては、触媒の担体として通常使用されている導電性カーボン粉末や導電性セラミックス粉末等からなる導電性材料が適用できる。担体へのコア粒子の形成は、特に限定されず公知の方法を利用する。例として、コア粒子を構成する金属の金属化合物溶液に担体を浸透し、これを還元処理することで微細なコア粒子を製造することができる。また、コア粒子を合金にする場合は、前記のようにして製造した金属粒子を、合金添加元素となる金属の化合物溶液に浸透させて、還元後熱処理する。又は、コア粒子を構成する２種以上の金属の化合物溶液に担体を浸透し、還元後熱処理することで合金を形成することができる。
【００１８】
上記のように用意したコア粒子について、電解処理工程で表面に銅層を電解析出させる。電解処理は、コア粒子を作用極側に配して、一定の電位をかけて電解液から銅を析出させる処理である。ここで、注視すべきは本発明の場合、その後の置換反応工程における白金層形成の最適化が図られているので、従来法のように個々のコア粒子に対して厳密且つ均一な電位制御が要求されない点である。本発明では、従来法のような電極に少量のコア粒子を塗布・密着させる必要がなく、処理量を増大することができる。
【００１９】
この処理量増大のための態様としては、電極（作用極）に対してコア粒子（コア粒子を担持した担体）を積層した状態であっても良い。従来法の塗布・乾燥状態のようにコア粒子が密着していなくても、担体を介してコア粒子の電解が可能である。このとき個々のコア粒子の電位には多少の不均一さはあるが、本発明の場合はそれでも最終的にコア／シェル構造の触媒粒子を形成できる。例えば、電解析出は電解液を収容する電解槽にてなされるが、本発明では、電解槽の底部を導電性材料で構成してこれを作用極とし、ここにコア粒子を積層することで大量のコア粒子を処理することができる。このような場合、作用極に対して１ｍｇ／ｃｍ２以上８００ｍｇ／ｃｍ２以下のコア粒子が担持された担体を積層させても本発明では有効に処理可能である。また、本発明では電解槽の容量も増大させることができ、１Ｌ以上５０Ｌ以下の工業的製造を考慮した電解槽での触媒製造が可能である。
【００２０】
電解処理における電解液は、銅化合物溶液であるが、一般にＣｕ−ＵＰＤに使用できるとされる溶液であれば特に限定されない。用いられる銅化合物として好ましいものの具体例としては、硫酸銅、硝酸銅、塩化銅、亜塩素酸銅、過塩素酸銅、シュウ酸銅等が挙げられる。
【００２１】
電解析出のための電位制御の条件は、コア粒子の金属の種類により調整される。例えば、パラジウム又はパラジウム合金をコア粒子とし、銅を被覆する場合、電解条件は、０．３５Ｖ以上０．４０Ｖ以下（ｖｓ．ＲＨＥ）で電位を固定し、電位固定時間は１時間以上１０時間以下とするのが好ましい。
【００２２】
また、この電解処理工程においては、電解液の溶存酸素量を１ｐｐｍ以下にすることが好ましい。溶存酸素が多い場合、析出した銅が酸化・溶解するおそれが生じ、後の白金との置換反応の阻害の要因となり得るからである。尚、電解液の溶存酸素量については、一般的な不活性ガス（窒素等）のバブリングでは１ｐｐｍ以下にすることは困難である。溶存酸素量低減のための好ましい前処理としては、酸素濃度を低減した閉空間（好ましくは０ｐｐｍ）の内部で、４時間以上４８時間以下の不活性ガスのバブリングを行う。このようにすることで電解液の溶存酸素を１ｐｐｍ以下にすることができる。
【００２３】
以上の電解処理工程により銅層が形成されたコア粒子が形成され、ここに白金化合物溶液を接触させることで、銅と白金との置換が生じ、白金シェル層が形成される。この置換処理は、電解槽に白金化合物溶液を添加することで電解析出工程から連続的に行うことができる。また、電解槽からコア粒子を取り出し、白金化合物溶液に浸漬しても良い。
【００２４】
白金化合物溶液は特に限定されないが、塩化白金酸、塩化白金酸カリウム、テトラアンミン白金クロライド、ジアンミンジニトロ白金硝酸の溶液が好ましく、塩化白金酸カリウムの溶液が特に好ましい。溶液中の白金化合物の量は、Ｃｕ−ＵＰＤから算出される必要白金化合物のモル数に対して、等倍以上４倍量以下にするのが好ましい。尚、この白金化合物溶液についても、溶存酸素量を１ｐｐｍ以下とするのが好ましい。
【００２５】
本発明では、銅と白金との置換反応の最適化を図るため、白金化合物溶液にクエン酸を添加することを要する。クエン酸の添加は、白金化合物溶液に予めクエン酸を添加しコア粒子に接触させても良いが、クエン酸をコア粒子に接触させた後に白金化合物を添加しても良い。クエン酸の添加量（モル数）は、白金化合物のモル数に対して１０倍以上４０倍以下とするのが好ましい。クエン酸が少ないと白金シェルの被覆率が低下するからである。４０倍を超えるとクエン酸が白金シェルを被覆して触媒活性を低下させる点で好ましくない。
【００２６】
白金置換反応の処理時間は、３０分以上確保することが好ましい。尚、処理温度については、特段の制御は不要であり、常温で処理可能である。
【００２７】
以上の白金の置換工程により、白金シェル層を備えるコア／シェル構造を有する触媒が形成される。また、上記工程をコア粒子を担体に担持させた状態で行えば、担体にコア／シェル構造を有する触媒粒子が担持された触媒とすることができる。尚、白金シェル層形成後は、適宜に洗浄・乾燥を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、本発明は、電解処理工程と白金置換処理工程とを含むＣｕ−ＵＰＤ法による触媒製造方法について、白金置換処理工程の最適化を図るものであり、これにより電解処理工程の厳密な処理条件を緩和し処理量の増大を達成するものである。本発明によれば、コア／シェル構造を有する触媒粒子を効率的に製造することができる。また、本発明により製造された触媒は活性も良好であり、白金使用量の削減によるコスト低減効果と触媒性能の向上のバランスに優れたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態で使用した電解装置の構成を説明する図。
【図２】コア／シェル構造を有する触媒粒子を製造するための従来の方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明における最良の実施形態について説明する。
第１実施形態：ここでは、パラジウムをコア粒子としたコア／シェル構造を有する触媒粒子が担持された触媒を製造し、その活性を評価した。まず、触媒の担体となるカーボン粉末（商品名：ケッチェンブラックＥＣ、比表面積：８００ｇ／ｍ３）３５ｇを塩化パラジウム溶液（Ｐｄ量１５ｇ（０．０２８ｍｏｌ））に浸透させ、炭酸ナトリウムで中性にした。これを蟻酸ナトリウムにより還元処理してコア粒子となるパラジウム粒子を担持したカーボン粉末を製造した。
【００３１】
次に、パラジウム粒子表面に銅層を被覆した。本実施形態で使用した電解装置を図１に示す。図１の電解装置は、電解液が収容された電解槽に対極として白金メッシュを有する対極管、参照電極が挿入されている。電解槽の底部はカーボンブロックで構成されており、このカーボンブロックが作用極として作用する。対極、参照電極、作用極は電位制御装置に接続されている。
【００３２】
パラジウム粒子の電解処理では、まず、電解槽に硫酸溶液（０．０５Ｍ）を６Ｌ入れ、ここに硫酸銅５０ｇ（０．３２ｍｏｌ）を溶解させ、溶存酸素量低減のための前処理行った。この前処理では、まず、グローブボックス内に窒素を吹込み、酸素濃度を約０ｐｐｍにし、ここに電解装置を載置しつつ１２時間グローブボックス内への窒素吹込みと電解液への窒素バブリングを行った。そして、電解処理前に電解液の溶存酸素量が１ｐｐｍ以下であることを確認した。電解槽に上記のようにしてパラジウム粒子を担持したカーボン粉末１０ｇを底部に沈め、電位制御装置にて電位制御して銅を電解析出させた。ここでの電解条件は、以下の通りである。尚、この電解処理中もグローブボックス内への窒素の吹込みと電解液への窒素バブリングは継続している。
電解条件
・電位：０．３９Ｖ（ｖｓ. ＲＨＥ）で電位固定。
・電位固定時間：３時間
【００３３】
電解処理工程後、電解槽に白金化合物溶液として塩化白金酸カリウム３．４ｇ（０．００８３ｍｏｌ）を溶解した。また、同時にクエン酸４８ｇを添加した。これにより、パラジウムコア粒子表面の銅と白金との置換反応が生じる。この置換反応工程の反応時間は、１時間とした。白金シェル層の形成後、カーボン粉末を濾過・回収し、純水にて洗浄し６０℃で乾燥して触媒を得た。
【００３４】
以上の製造工程で得られた触媒は、１０ｇである。この製造量は、従来のＣｕ−ＵＰＤ法による製造量（μｇオーダー）に対して１０００００倍以上の触媒を１回の工程で製造できることになる。
【００３５】
比較例１、２：コア／シェル構造を有する触媒粒子を担持した触媒との比較のため、市販の白金粒子、白金合金粒子が担持された触媒を用意した。用意した触媒は、白金触媒（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）、白金−コバルト触媒（商品名：ＴＥＣ３６Ｅ５２）である。
【００３６】
そして、第１実施形態、比較例１、２の触媒について、活性（Ｍａｓｓ  Ａｃｔｉｖｉｔｙ）を測定した。この評価方法は、触媒８μgを塗布した回転ディスク電極を電解液中で回転させて酸素還元活性を検討するものである。酸素で飽和した電解液中で、この電極を定常回転(１０００ｒｐｍ、１２５０ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、１７５０ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、２２５０ｒｐｍ、２５００ｒｐｍ)させ、５ｍＶ／ｓの掃引速度で０．１Ｖから１．０Ｖまで流れる酸素還元電流を測定した。測定後、各回転速度における０．９Ｖでの電流値をＫｏｕｔｅｃｋｙ−Ｌｅｖｉｃｈ式で近似し、活性支配電流から白金の質量活性を算出する方法にて行った。この結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
0006270759.tif 000002
【００３８】
表１から、本実施形態により製造された触媒は、比較例である白金触媒、白金−コバルト触媒に対して極めて高い酸素還元活性を示す。本実施形態の製造方法は、製造される触媒の特性面からも良好であることが確認できる。
【００３９】
第２実施形態：ここでは、電解処理工程後の置換反応工程において添加するクエン酸の添加量を変化させて触媒を製造した。コア粒子はパラジウム−ニッケル合金とした。第１実施形態において、担体となるカーボン粉末を硝酸パラジウム（Ｐｄ量５３ｇ(０．５０ｍｏｌ)）及び硝酸ニッケル（Ｎｉ量１７６ｇ（３．０ｍｏｌ））の溶液に浸漬して水酸化ナトリウムで中性にした。その後、熱処理してカーボン粉末上にパラジウム−ニッケル合金からなる粒子を形成した。次に、この担体を０．５Ｍ硫酸（８０℃）に浸漬してニッケルを除去した。このパラジウム−ニッケル合金粒子の形成及びニッケル除去は、合金粒子表面にニッケル溶出による細孔を形成し、表面積および活性を向上させるためのものである。
【００４０】
そして、第１実施形態と同様の装置・条件にて、コア粒子表面に銅を電解析出した。更に、第１実施形態と同様、電解後の電解液に塩化白金酸カリウム及びクエン酸を添加して白金シェルの形成を行った。この実施形態では、クエン酸の添加量を変化させて複数の触媒を製造した。また、クエン酸を添加することなく処理を行った触媒も製造した。そして、第１実施形態と同様、触媒活性を評価した。この結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
0006270759.tif 000003
【００４２】
表２から、クエン酸添加の有無により触媒活性に差異が生じることが確認できる。好ましいクエン酸の添加量は、１０倍量以上４０倍量以下である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、Ｃｕ−ＵＰＤ法に基づく触媒製造方法において、白金置換処理工程を最適化して触媒製造量の増大を達成するものである。本発明によれば、コア／シェル構造を有する好適な活性の触媒を効率的に製造可能であり、白金使用量の削減によるコスト低減効果も期待できる。
【図１】
0006270759.tif 000004
【図２】
0006270759.tif 000005