(57)【要約】【課題】ＡＥＭＦＣのカソード電極に用いる酸素還元触媒であって、白金触媒と同等の電気化学的特性を有するランタンマンガナイト系触媒、及びその製造方法、それを用いた燃料電池を提供することを課題とする。【解決手段】Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（０．０１≦ｘ≦０．４０）で表される金属酸化物微粒子が、炭素質材料からなる担体に担持されており、前記担体に担持された金属酸化物微粒子の５０％〜１００％が、一次粒子として前記担体の上に存在していることを特徴とする酸素還元能を有する金属酸化物触媒。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（０．０１≦ｘ≦０．４０）で表される金属酸化物微粒子が、炭素質材料からなる担体に担持されており、前記担体に担持された金属酸化物微粒子の５０％〜１００％が、一次粒子として前記担体に担持されていることを特徴とする、酸素還元能を有する金属酸化物触媒。
【請求項２】
前記金属酸化物微粒子の粒径が２〜５０ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の触媒。
【請求項３】
前記金属酸化物微粒子の粒径が２〜２０ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の触媒。
【請求項４】
電極において用いられる酸素還元触媒であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒。
【請求項５】
固体高分子電解質としてアニオン交換膜を有する燃料電池のカソード触媒であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の触媒。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の触媒を用いた、固体高分子電解質としてアニオン交換膜を有する、燃料電池。
【請求項７】
（１）Ｌａ、Ｓｒ及びＭｎの塩を含む水溶液と、界面活性剤と、有機溶媒とを含む逆ミセル溶液（Ａ）を調製する工程と、
（２）前記Ｌａ、Ｓｒ及びＭｎの塩の沈殿剤と、界面活性剤と、有機溶媒とを含む逆ミセル溶液（Ｂ）を調製する工程と、
（３）前記逆ミセル溶液（Ａ）と前記逆ミセル溶液（Ｂ）とを混合する工程と、
（４）工程（３）で得られた生成物に、炭素質材料からなる担体を添加する工程と、
（５）工程（４）で得られた生成物を焼成する工程と、
を含むことを特徴とする、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（０．０１≦ｘ≦０．４０）で表される金属酸化物微粒子が、炭素質材料からなる担体に担持された金属酸化物触媒の製造方法。
【請求項８】
前記界面活性剤が、アルキル鎖に分岐を有するポリエチレングリコールアルキルフェニルエーテルであることを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記界面活性剤のＨＬＢ値が１０．０〜１１．５であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法によって製造された金属酸化物触媒を酸素還元反応の触媒として利用する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アニオン交換膜形燃料電池において、酸素還元触媒として用いるのに適した金属酸化物触媒とその製造方法、及び当該触媒を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電力需要の増大や、資源枯渇、環境問題への対応策の一つとして、燃料電池が注目されている。固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、ＰＥＦＣ）は電解質として固体高分子膜を用いる燃料電池で、作動温度が比較的低く取り扱い性に優れる、出力密度が高い、電池寿命が長い等の利点を有している。
【０００３】
従来、固体高分子形燃料電池の電解質膜としては、Nafion（登録商標）に代表される超強酸性のプロトン交換膜が用いられており、反応雰囲気が強酸性となるため、電極触媒として、耐食性の高い貴金属である白金（Ｐｔ）を使用せざるを得なかった。しかしながら白金は価格が高く、資源量が少ないために、コスト及び原料供給の点で課題があり、燃料電池の本格普及を妨げる障害の一つとなっている。
【０００４】
一方、電解質膜としてアニオン交換膜を用いたアニオン交換膜形燃料電池（Anion Exchange Membrane Fuel Cell、ＡＥＭＦＣ）がある。ＡＥＭＦＣは、酸素還元触媒を有するカソードと、アニオン交換膜である電解質膜と、水素酸化触媒を有するアノードとを有し、カソードでの酸素（Ｏ２）還元反応で得られた水酸化物イオンがアニオン交換膜を通じてアノードに移動し、アノードでは前記の水酸化物イオンと水素（Ｈ２）との酸化反応で水と電子とを生成することによって発電を行う仕組みである。
【０００５】
ＡＥＭＦＣは、セル内がアルカリ雰囲気となるため、カソードにおける酸素還元触媒として必ずしも白金を必要としないという利点を有する。例えば、酸素還元触媒としてニッケル（Ｎｉ）やマンガン（Ｍｎ）等の安価かつ資源的にも豊富な物質を使用することができることが知られている。特許文献１には、ＡＥＭＦＣの電極触媒として白金のほか、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム等の貴金属、スズ、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、バナジウム、チタン、マンガン、銅等の卑金属やそれらの酸化物が使用できることが開示されている。また、電極触媒としてＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物などが好適に使用できることも開示されている。さらに、これらの電極触媒の粒子を、導電材であるカーボンブラックや活性炭、黒鉛等の担体上に担持させることが記載されている。
【０００６】
また一方で、酸素還元用のガス拡散電極に好適な触媒の製造方法の一つとして、逆ミセル法が知られている（特許文献２）。逆ミセル法は、金属塩水溶液を包含した逆ミセルと、金属塩の沈殿剤を包含した逆ミセルとを用いて、有機溶媒系で電極触媒となる金属微粒子を生成させることを特徴とする。特許文献２には、界面活性剤としてポリオキシエチレンアルキルエーテルを用いて、逆ミセル法によってペロブスカイト型のＬａＭｎＯ３．００を作成すると、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテルを用いる場合と同等の電気化学的特性を有するガス拡散電極に用いられる触媒が得られることが開示されている。しかしながら、特許文献２の触媒は、食塩電解用の酸素陰極や金属−空気電池などに適用されるガス拡散電極を想定しており、アニオン交換膜形燃料電池への適用や、この燃料電池における当該触媒の性能については記載も示唆もない。
【０００７】
以上のごとく、上記の先行技術文献の触媒も含め、従来の公知の金属酸化物触媒のうち、白金触媒に並ぶほどの高い酸素還元活性を示すものは知られておらず、さらなる触媒活性の向上が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１５２０７５号公報
【特許文献２】特開２００３−２８８９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって本発明は、ＡＥＭＦＣのカソード電極に用いる酸素還元触媒であって、白金触媒と同等の電気化学的特性を有する金属酸化物触媒、及びその製造方法、それを用いた燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは前記課題を解決するために検討を繰り返す中で、ランタンマンガナイト系触媒において、ランタンマンガナイトをストロンチウムで一部置換した組成を最適化するとともに、逆ミセル法に用いる界面活性剤として、嵩高いアルキル鎖を有するポリエチレングリコールアルキルフェニルエーテルを用いることで、炭素質担体上に金属酸化物微粒子が高分散された触媒を得られること、かかる触媒は優れた酸素還元活性を有し、かかる触媒を用いて高出力の燃料電池を得られることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
すなわち本発明は、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（０．０１≦ｘ≦０．４０）で表される金属酸化物微粒子が、炭素質材料からなる担体に担持されており、前記担体に担持された金属酸化物微粒子の５０％〜１００％が、一次粒子として前記担体に担持されていることを特徴とする、酸素還元能を有する金属酸化物触媒に関する。
本発明の金属酸化物触媒は、炭素質材料の担体の上に、触媒活性物質である金属酸化物微粒子が凝集無く、極めて分散性の高い状態で担持されている。このような形態を有することにより、金属酸化物微粒子の反応表面積が大きくなり、単位体積あたりの触媒の活性が高く、電気化学的特性に優れた触媒となる。また、炭素質担体に担持させることで、使用に従って生じる金属酸化物微粒子の凝集を防いで長期間に渡って触媒活性を維持できるほか、炭素質担体を経由した電子移動が促進されることから、金属酸化物微粒子の低い電子伝導性を補って触媒自体の電子伝導性を向上させることができる。また、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３なる構造式で表されるランタンマンガナイト酸化物において、Ｌａの一部をＳｒで置き換えることで、マンガンの電価が＋３価と＋４価に価数分離を起こして電子伝導性が発現、向上し、特に０．０１≦ｘ≦０．４０の範囲ではマンガン酸化物の触媒機能を最大に得ることができる。
なお、本明細書において一次粒子とは、１つの金属酸化物微粒子が実質的に単独で存在し、他の金属酸化物微粒子と接合・凝集してより大きな粒子を形成していない状態にある粒子のことをいう。一次粒子に対して、２つ以上の一次粒子が接合や凝集によってより大きな粒子を形成しているものを、二次粒子と称呼する。
【００１２】
本発明の触媒は、金属酸化物微粒子の粒径が２〜５０ｎｍ、好ましくは２〜２０ｎｍ、より好ましくは２〜１０ｎｍである。金属酸化物微粒子の粒径を２〜５０ｎｍとすれば、表面積の大きな触媒が得られ、酸素還元触媒の触媒活性を向上させることができ、ひいては、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
また本発明の触媒は、電極において用いられる酸素還元触媒として好適である。例えば、金属空気電池の空気極、亜鉛空気電池や鉄空気電池、リチウム空気電池等の正極、燃料電池等のカソード電極において用いることができ、特に、固体高分子電解質としてアニオン交換膜を有する燃料電池のカソード触媒として好適に用いられる。本発明の触媒をアニオン交換膜形燃料電池のカソード触媒として使用すると、白金触媒と同等の高い酸素還元能力を得ることができる。
【００１３】
また、本発明は、（１）Ｌａ、Ｓｒ及びＭｎの塩を含む水溶液と、界面活性剤と、有機溶媒とを含む逆ミセル溶液（Ａ）を調製する工程と、（２）前記Ｌａ、Ｓｒ及びＭｎの塩の沈殿剤と、界面活性剤と、有機溶媒とを含む逆ミセル溶液（Ｂ）を調製する工程と、（３）前記逆ミセル溶液（Ａ）と前記逆ミセル溶液（Ｂ）とを混合する工程と、（４）工程（３）で得られた生成物に、炭素質材料からなる担体を添加する工程と、（５）工程（４）で得られた生成物を焼成する工程と、を含むことを特徴とする、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（０．０１≦ｘ≦０．４０）で表される金属微粒子が、炭素質材料からなる担体に担持された触媒の製造方法に関する。
本発明の製造方法によれば、逆ミセル中の微細な水相において金属酸化物微粒子の生成が行われるため、粒径が小さく、制御された金属酸化物微粒子を得られ、また、各工程の成分量、例えば、金属塩水溶液の量と界面活性剤の量とを変化させることによって、得られる金属酸化物微粒子の形態及び組成を制御することができる。
【００１４】
また本発明の製造方法は、上記の方法における界面活性剤として、アルキル鎖に分岐を有するポリエチレングリコールアルキルフェニルエーテルを用いることを特徴とする。
分岐のあるアルキル鎖を有する界面活性剤を用いると、逆ミセルの外側（有機溶媒相）に突出するアルキル鎖が嵩高くなり、隣接する逆ミセルの間に立体障害が生じて凝集が低減されるために、炭素質担体上での分散性が向上するものと考えられている。本発明の製造方法で得られる金属酸化物触媒は、金属酸化物の微粒子同士の凝集が極めて少なく、金属酸化物微粒子の大半が一次粒子として担体上に担持されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の製造方法には、界面活性剤として親水性親油性バランス（ＨＬＢ）の値が１０．０〜１１．５のものを好適に用いることができる。この範囲とすれば、逆ミセル溶液を安定的に形成することが可能であり、粒径が小さく粒度分布の狭い金属酸化物微粒子を得ることができる。
【００１６】
本発明の製造方法によって製造された金属酸化物触媒は、燃料電池において酸素還元反応の触媒として好適に用いることができる。本発明の製造方法によって製造された金属酸化物触媒は、白金のような貴金属を使用しないためコストの面で有利であるとともに、白金触媒と同等の触媒活性、ひいては発電能力を有する燃料電池を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の金属酸化物触媒は、金属酸化物微粒子の粒径が小さく、また、きわめて高分散に炭素質担体上に担持されているため、触媒体積あたりの反応表面積が大きく、酸素還元活性に優れる。本発明の金属酸化物触媒は、アニオン交換膜形燃料電池のカソード触媒として、白金触媒と同等の出力を可能にするため、白金触媒に代替する安価な触媒となりうる。
また、本発明の方法によれば、粒径が小さく、担体上での分散性に優れた金属酸化物触媒を、特別な設備等を用いることなく効率的に製造することができる。本発明の金属酸化物触媒はアニオン交換膜形燃料電池の触媒として用いることができるため、燃料電池のコストの飛躍的低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の逆ミセル法の概要を示すスキームである。
【図２】本発明の金属酸化物触媒のＸＲＤパターンを示す図である。
【図３】本発明の金属酸化物触媒のＸＲＤパターンの半値幅より算出した粒径とその合成に用いた逆ミセル溶液（Ａ）のＲｗ（＝水の量（ｍｏｌ）／界面活性剤（ｍｏｌ））の値との相関を示す図、及び、ＩＣＰ測定値より算出した組成である。
【図４】本発明の金属酸化物触媒のＴＥＭ像である。
【図５】電気化学的特性の評価に用いた装置の概要図である。
【図６】本発明の金属酸化物触媒及び目標値である白金触媒の対流ボルタンメトリーによるボルタモグラムである。
【図７】本発明の金属酸化物触媒のＸＲＤパターンを示す図である。
【図８】本発明の金属酸化物触媒のＴＥＭ像である。
【図９】本発明の金属酸化物触媒の対流ボルタンメトリーによるボルタモグラムである。
【図１０】本発明の金属酸化物触媒を用いたＡＥＭＦＣの概要図である。
【図１１】ＡＥＭＦＣの発電試験に用いたアニオン交換膜の特性を示す表である。
【図１２】本発明の金属酸化物触媒及び市販の白金触媒をカソード触媒に用いたＡＥＭＦＣの発電試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の金属酸化物触媒はＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（０．０１≦ｘ≦０．４０）で表される金属酸化物微粒子が、炭素質材料からなる担体に担持されていることを特徴とする。ｘは、０．０１以上、０．４０以下の範囲の任意の数値でありうるが、好ましくは０．０３≦ｘ≦０．３５であり、より好ましくは０．０８≦ｘ≦０．３０である。ｘが０．０１より小さくなるとＳｒ置換の効果を得ることができず、ｘが０．４０より大きくなると電子伝導性が低下するという問題がある。
本発明の金属酸化物微粒子はＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型構造を有し、ＡサイトのＬａの一部がＳｒに置換されることによって、ＢサイトのＭｎが＋３価と＋４価に価数分離を起こし、電子伝導性が発現すると考えられている。また、ＬａがＳｒに置換されることによって酸素欠損も生成し、酸化物イオン（Ｏ２−）伝導性も向上すると考えられている。
本発明の金属酸化物微粒子は上記以外に、本発明の効果に影響を与えない範囲で他種金属を含んでいてもよい。例えば、Ｓｒの一部がさらにＣａ、Ｂａ、Ｃｅ、Ａｇなどで置換されていてもよい。
【００２０】
金属酸化物微粒子の粒径は、２〜５０ｎｍであればよく、２〜２０ｎｍであることが好ましく、より好ましくは２〜１０ｎｍである。従来品である白金触媒粒子は約１〜数ｎｍ程度であるところ、本発明の金属酸化物微粒子は白金触媒と同等又は近似の粒径を有するものである。金属酸化物微粒子の粒径が５０ｎｍを超えると、体積に対する表面積が低下し、十分な触媒活性を得ることが難しい。
なお、本明細書中で金属酸化物微粒子の粒径とは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像から算出した粒径、或いは、Ｘ線回折にシェラー式を適用して算出した値を意味している。
【００２１】
金属酸化物微粒子は、炭素質材料からなる担体に担持されている。炭素質材料は、電子伝導性を有する微粒子状の炭素質材料であれば特に制限されず、例えばカーボンブラックを挙げることができ、ファーネスブラック（ヴァルカン（登録商標）、ケッチェンブラック（登録商標）など）、アセチレンブラック、チャンネルブラック、カーボンナノチューブ等が挙げられる。好ましくはまた、炭素質材料の担体の酸化劣化を防ぐ観点から、耐酸化性の高い酸化錫（ＳｎＯｘ）や酸化チタン（ＴｉＯｘ）などの金属酸化物担体を一部使用し、炭素質材料担体と金属酸化物担体とを混合してもよい。担体は、粒径が１０ｎｍ〜１ｍｍ程度、比表面積が１０〜１０００ｍ２／ｇ程度であることが好ましい。
金属酸化物微粒子は、主に物理的吸着によって担体の表面に担持されていると考えられるが、より強固に担持させて担体表面からの金属酸化物微粒子の脱落を低減するためには、金属酸化物微粒子と担体との間に化学的結合を形成して担持させてもよい。
【００２２】
本発明の金属酸化物触媒は、前記の金属酸化物微粒子の５０％〜１００％が、一次粒子として前記担体の上に担持されていることを特徴とする。一次粒子の割合は、好ましくは７０％〜１００％、より好ましくは８０％〜１００％である。担体上の一次粒子が５０％より少ないと、凝集が生じて反応表面積が十分でなくなるため、良好な酸素還元活性を得ることができない。
【００２３】
本発明の金属酸化物触媒を用いたアニオン交換膜形燃料電池のカソードや、それを含むアニオン交換膜形燃料電池は、本発明の金属酸化物触媒以外については特に制限なく、公知の構成を適用することができる。例えば、本発明の金属酸化物触媒とバインダーと溶剤とを混合し、混合物を電極材料やアニオン交換膜に塗布乾燥することによってそれらの表面にカソード層を形成することができる。また、金属酸化物微粒子を担持した炭素質担体を導電材として用いるほか、活性炭、黒鉛等の他の炭素質粉末をさらにカソード層に添加し、導電材とすることもできる。バインダーとしてはアニオン伝導性樹脂であることが好ましく、第４級窒素原子を有するアニオン交換樹脂等を使用することができる。
【００２４】
また前記のカソードと、アニオン交換樹脂膜、アノード触媒層、集電体、その他の構成を組み合わせてアニオン交換膜形燃料電池を構成することができる。アニオン交換膜としては例えばクロロメチルスチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ビニルピリジン−ジビニルベンゼン共重合体等にアニオン交換基を導入した炭化水素系アニオン交換膜が挙げられ、これらのアニオン交換膜が熱可塑性樹脂の基材によって支持されている構成とすることができる。
【００２５】
本発明の金属酸化物触媒は、（１）Ｌａ、Ｓｒ及びＭｎの塩を含む水溶液と、界面活性剤と、有機溶媒とを含む逆ミセル溶液（Ａ）を調製する工程と、（２）前記Ｌａ、Ｓｒ及びＭｎの塩の沈殿剤と、界面活性剤と、有機溶媒とを含む逆ミセル溶液（Ｂ）を調製する工程と、（３）前記逆ミセル溶液（Ａ）と前記逆ミセル溶液（Ｂ）とを混合する工程と、（４）工程（３）で得られた生成物に、炭素質材料からなる担体を添加する工程と、（５）工程（４）で得られた生成物を焼成する工程と、を含む方法によって製造することができる。
本発明の方法は、いわゆる逆ミセル法として公知の方法に準じるものであって、工程（１）〜（５）は逐次行ってもよいし、工程（３）と工程（４）を同時に行うことも可能である。また工程（１）〜（５）以外に、必要に応じて、濾過、洗浄、乾燥その他の工程を追加することができる。
【００２６】
本発明の製造方法で使用されるＬａ、Ｓｒ及びＭｎの塩としては、硝酸塩、塩化物、硫酸塩、炭酸塩、酢酸塩やそれらの水和物などが挙げられ、硝酸塩や硝酸塩水和物を用いることが好ましい。
有機溶媒は、所望の逆ミセルの大きさや界面活性剤とのバランスその他の目的に応じて、公知の有機溶媒から選択することができる。例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、イソオクタン、ベンゼン、ヘプタン、トルエンなどを用いることができ、シクロヘキサン又はメチルシクロヘキサンが好ましい。有機溶媒は１種でも２種以上を混合して用いてもよく、逆ミセルの粒径を調整する他の目的で所望のアルコール類その他の有機溶媒を添加することもできる。
【００２７】
界面活性剤は、金属塩等を含む水溶液と選択された有機溶媒と混合されて、その親水性基を内側にして水相を内包し、疎水性基を外側にして有機溶媒に分散する逆ミセルを形成しうるものであれば制限されず、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ラウリン酸マグネシウム、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ポリオキシエチレンエチルエーテル等が挙げられるが、疎水性基であるアルキル基に分岐を有するものが好ましい。アルキル基に分岐を有する界面活性剤としては、具体的にはポリオキシエチレン−（２，２，４，４−テトラメチルペンチル）フェニルエーテル、ポリオキシエチレン−（２−エチル４，４−ジメチルペンチル）フェニルエーテル、ポリオキシエチレン−（１，１，３，３−テトラメチルブチル）フェニルエーテル、ポリオキシエチレンシクロオクチルフェニルエーテル等、炭素数６〜１２であり１〜３の分岐又は炭化水素環を有するアルキル基を有する界面活性剤であることが好ましい。
ポリエチレングリコールアルキルフェニルエーテルを用いる場合、親水性基は所望の逆ミセル粒子の大きさによって適宜選択することができるが、例えば、ポリエチレングリコール鎖の重合度が２〜３０のものを用いることができ、重合度が２〜１２であるものが好ましい。
【００２８】
界面活性剤のＨＬＢ値は、用いる有機溶媒や所望の逆ミセルの粒径等によって適宜選択することができるが、１０．０〜１１．５であることが好ましい。ＨＬＢ値が１０未満或いは１１．５より大きいと、逆ミセルの形成が困難となる。
逆ミセルの形成工程においては、所望の粒径の逆ミセルを形成するために、界面活性剤と水の量とを制御することもできる。例えば、Ｒｗ値が３〜１２となるように界面活性剤を添加することができ、Ｒｗ＝３．５〜１０．５とすることが好ましい。Ｒｗが３．５より小さいと逆ミセルの形成が困難となり、Ｒｗが１０．５より大きいと所望の粒径及び分散性を有する金属酸化物微粒子を得ることが困難となる。
【００２９】
本発明の製造方法は、分岐を有するアルキル基を疎水性基として有する界面活性剤を用いることで、金属酸化物微粒子を炭素質担体に担持する際に、界面活性剤の疎水性基が立体障害となって金属酸化物微粒子同士の凝集を防止するものと考えられている。
【００３０】
工程（１）では、Ｌａ、Ｓｒ及びＭｎの塩を含む水溶液と、界面活性剤と、有機溶媒とを撹拌混合し、ミセル中にＬａ、Ｓｒ及びＭｎの塩を含む水溶液を内包した逆ミセル溶液（Ａ）を調製する。
工程（２）では、Ｌａ、Ｓｒ及びＭｎの塩の沈殿剤と、界面活性剤と、有機溶媒とを混合し、ミセル中にＬａ、Ｓｒ及びＭｎの塩の沈殿剤を含む水溶液を内包する逆ミセル溶液（Ｂ）を調製する。沈殿剤としては、Ｌａ等の金属塩から水酸化物等の形態で懸濁液を生成することができるアンモニア水、テトラアルキルアンモニウム塩、及び水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等の塩基性物質を用いることができる。
工程（１）及び（２）の時間、温度等の条件は公知の逆ミセル法の範囲で適宜選択することができ、例えば数分〜１２時間、５〜２５℃の範囲において、羽根付き撹拌機、ホモジナイザー、超音波分散機等を用いて撹拌することができる。
【００３１】
続いて、工程（１）及び（２）で作成した逆ミセル溶液（Ａ）及び（Ｂ）を、工程（３）で撹拌衝突させて、逆ミセル（Ａ）と逆ミセル（Ｂ）が一体化した、金属水酸化物を含む逆ミセルを得る。
続いて工程（４）として、工程（３）で得られた生成物に、前述の炭素質材料からなる担体を添加する。炭素質材料は、適宜、有機溶媒に混合、懸濁された状態で添加することが好ましい。添加後、超音波分散等の手段によって逆ミセル溶液と炭素質担体とを均一混合することが好ましい。
また、工程（３）の後、得られた生成物を濾過して余分の界面活性剤を除く等の工程を行うこともできる。
【００３２】
工程（４）で得られた生成物は、適宜濾過、乾燥に供された後、工程（５）で焼成される。焼成の条件は、触媒である金属酸化物が単一相で得られる限りにおいて特に制限されないが、不活性雰囲気下で５００〜８００℃で３時間〜１０時間行うことができ、６００〜７５０℃で５時間〜７時間行うことが好ましい。
また、工程（４）の後、反応系に例えばアルコール等の極性の異なる有機溶媒を添加し、逆ミセルを崩壊させてから焼成工程に供することもできる。
【００３３】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００３４】
［実施例１］金属酸化物触媒の作製
実施例１の作製方法の概要を図１に示し、以下に詳細に説明する。
（ｉ）逆ミセル溶液（Ａ）及び（Ｂ）の作製
シクロヘキサン１００ｍＬ（和光純薬社製）に、硝酸ランタン６水和物（和光純薬社製）と硝酸ストロンチウム（和光純薬社製）の０．００１〜０．０１ｍｏｌ/Ｌ水溶液、硝酸マンガン６水和物（和光純薬社製）の０．０１ｍｏｌ/Ｌ水溶液及び純水を混合した溶液、及び下記式（１）で表すポリエチレングリコールノニルフェニルエーテル（和光純薬社製）７．９２ｇをＲｗ＝４となるように添加し、マグネチックスターラ―を用いて、５℃で３時間撹拌混合し、逆ミセル溶液（Ａ）（以下、ＲＭ−Ａという。）を得た。
【化１】
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シクロヘキサン１００ｍＬ（和光純薬社製）に、テトラプロピルアンモニウムブロマイド（和光純薬社製）の０．０３ｍｏｌ/Ｌ水溶液、水酸化カリウム（和光純薬社製）の０．５ｍｏｌ/Ｌ水溶液及び純水を混合した溶液、及び上記式（１）で表すポリエチレングリコールノニルフェニルエーテル（和光純薬社製）７．９２ｇをＲｗ＝４となるように添加し、マグネチックスターラ―を用いて、５℃で３時間撹拌混合し、逆ミセル溶液（Ｂ）（以下、ＲＭ−Ｂという。）を得た。
（ｉｉ）金属酸化物微粒子前駆体の作製
ＲＭ−Ａ１００ｍＬ及びＲＭ−Ｂ１００ｍＬを、超音波分散機を用いて、５℃で１５分間撹拌混合し、逆ミセル溶液ＲＭを得た。
得られたＲＭを、メンブレンフィルターを用いてフィルター濾過し、余分の界面活性剤を除去した。
（ｉｉｉ）炭素質担体の添加
ＲＭ２００ｍＬに、シクロヘキサンに分散した炭素質担体であるケッチェンブラック（ライオン(株)、ＥＣ６００ＪＤ）３００ｍｇを添加し、室温で３０分間、超音波分散した。
その後、メタノール（和光純薬社製）３００ｍＬを添加し、室温で１０分間、超音波分散した。
（ｉｖ）焼成
工程（ｉｉｉ）で得られた反応液をメンブレンフィルターを用いて濾過し、６０℃で５時間乾燥させた後、アルゴン雰囲気下、６５０℃で５時間焼成を行い、炭素質担体に担持されたＬａ０．８８Ｓｒ０．１２ＭｎＯ３（以下、Ｌａ０．８８Ｓｒ０．１２ＭｎＯ３／ＫＢということがある。他の例についても同様。）を得た。
【００３５】
[実施例２]
ＲＭ−ＡのＲｗ＝７となるように仕込み量を調製した以外は実施例１と同様にして炭素質担体に担持されたＬａ０．８１Ｓｒ０．１９ＭｎＯ３を得た。
【００３６】
［実施例３］
ＲＭ−ＡのＲｗ＝１０となるように仕込み量を調製した以外は実施例１と同様にして炭素質担体に担持されたＬａ０．７８Ｓｒ０．２２ＭｎＯ３を得た。
【００３７】
［生成物の分析：ＸＲＤ及びＩＣＰ］
実施例１〜３で得られた金属酸化物触媒をＸＲＤ（Ｘ線回折）で同定した。同定には粉末Ｘ線回折装置Ｒｉｎｔ  ２０００（リガク社製）を用いた。Ｘ線源にはＣｕ Ｋαを使用し、測定は管電圧３０ｋＶ、管電流８０ｍＡ、測定範囲５°≦２θ≦８５°、受光スリット０．３ｍｍ、発散スリット１°、散乱スリット１°の条件で行った。また、金属酸化物微粒子の結晶子径をＸ線回折ピークの線幅よりシェラーの式を用いて算出した。結果を図２に示す。
図２に示されるとおり、実施例１〜３はいずれも単相のＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３を生成していることが確認できた。
また実施例１〜３で得られた触媒中のＬａ、Ｓｒ、Ｍｎの重量比を誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析で決定した。ＩＣＰ発光分析には、ｉＣＡＰ  ６０００（サーモフィッシャーサイエンティフィック社製）を使用した。まず、ランタン標準溶液（和光純薬社製、１０００ｐｐｍ）、ストロンチウム標準溶液（和光純薬社製、１０００ｐｐｍ）、マンガン標準溶液（和光純薬社製、１０００ｐｐｍ）の各標準溶液を希釈して検量用の標準溶液を調製し、各元素の検量線グラフを作成した。次に、合成した金属酸化物触媒粉末を濃硝酸４ｍＬに溶解することで分析用の試料溶液とした。図３にシェラー式から算出した粒径とＲｗ値との関係、及び、組成を算出した結果を示す。
図３より、Ｒｗ値を変化させることで、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３の粒径が変化することがわかり、Ｒｗ値を小さくすることで粒径を小さく制御できることが示された。また、実施例１〜３を同一の仕込み組成で合成したにも関わらず、Ｒｗ値が小さいほどＳｒ置換量がわずかに減少する傾向が得られた。これは、Ｒｗ値が小さくミセルが小さくなるほど、界面活性剤に相互作用を受ける水分子の割合が増えていき、通常のバルク水と同様の環境の水分子が少なくなり、Ｓｒの沈殿反応が起こりにくくなったからと推測された。
【００３８】
［実施例４］
界面活性剤として分岐したアルキル鎖を有する下記式２のポリエチレングリコールモノ−４−ノニルフェニルエーテル［ｎ＝５］（東京化成社製）を用いた以外は、実施例１と同様にして炭素質担体に担持されたＬａ０．８３Ｓｒ０．１７ＭｎＯ３を得た。
【００３９】
【化２】
2013176717.tif 000004
【００４０】
［生成物の分析：ＴＥＭ］
ケッチェンブラックに担持された金属酸化物微粒子の分散状態は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、日本電子社製、ＪＥＭ２１００Ｆ）を用い、加速速度２００ｋＶで観察した。ＴＥＭ観察用試料の作製は、前処理としてポリビニールフォルムバール支持膜（応研商事社製、ＳＴＥＭ１００Ｃｕグリッド）に超純水を滴下し、常温で乾燥することで親水化を行った。次に、この支持膜上に実施例４で得られた触媒の懸濁液を滴下し、常温で乾燥して観察試料とした。図４に実施例４のＴＥＭ観察結果を示す。
実施例４の触媒は、金属酸化物微粒子の９０％以上が一次粒子として存在しており、金属酸化物微粒子が担体上に高分散に担持されていることがわかる。１００個の金属酸化物微粒子について粒径ヒストグラムを作成したところ、実施例４の触媒の平均粒径は４．３ｎｍであった。これは、市販のＰｔ／Ｃ触媒と同等のナノ粒子である。また、この実施例４の触媒についてＴＧ―ＤＴＡ分析を行ったところ、ケッチェンブラックの焼失による重量減少しか現れないことから、界面活性剤は焼成工程において除去されており、作製された触媒には残存していないものと考えられた。
【００４１】
［生成物の評価：酸素還元活性の評価］
実施例４の触媒について、下記の方法で試験電極を作製し、対流ボルタンメトリー測定により酸素還元活性の評価を行った。図５に、測定に用いたウォータージャケット付きガラスセル（日厚計測社製）を示す。
（電極の作製）
作用極として、ディスク電極がグラッシーカーボン（ＧＣ）、リング電極が白金（Ｐｔ）のリングディスク電極（ＲＲＤＥ、日厚計測社製、幾何学面積０．２８ｃｍ２（直径６．０ｍｍ））を用いた。前処理として、電極を３、５μｍのラッピングフィルムシート（住友スリーエム社製、メッシュナンバー：３０００、４０００）及び１．０、０．３μｍのアルミナペースト（Ｂａｉｋａｌｏｘ社製、メッシュナンバー：８０００、１００００）を用い、徐々に平滑に研磨してＧＣ電極表面を鏡面とした。研磨後、アルミナペースト及び分散溶媒を取り除くため、超純水中で超音波洗浄を行った。
次に、実施例４の触媒と導電助剤としてカーボンブラックＶｕｌｃａｎＸＣ７２（ＶＣ、Ｃａｂｏｔ社製）を、重量比で［実施例４の触媒：ＶＣ＝１５．４：４．６］の割合にてエタノール（和光純薬社製、９９．５ｗｔ％）に添加し、超音波分散することで触媒懸濁液を調製した。この懸濁液を表面研磨したＧＣディスク電極上にマイクロシリンジを用い、触媒の担持密度が５６．７ｍｇ／ｃｍ２となるようにキャストし、常温で一日乾燥させた後、更に一日真空乾燥させた。更に、触媒を担持したＧＣ電極に、バインダーとしてアニオン交換樹脂ＡＳ―４（トクヤマ社製）溶液を０．７μＬキャストし、常温にて乾燥することで試験電極を得た。
対極にはＰｔ線、参照極には可逆水素電極（ＲＨＥ）を用い、三極式セルの仕様にて試料の酸素還元活性（ＯＲＲ活性）を測定した。電解液は、ＫＯＨ（多摩化学工業社製、７０％、超高純度）を、超純水で０．１Ｍに希釈して用いた。セルの温度は、循環式低温恒温水槽（アズワン社製、ＬＴＢ−１２５）を用いて、５０℃に保った。
（対流ボルタンメトリー測定）
測定には、デュアルポテンショスタット（ビーエーエス製、ＡＬＳ  Ｍｏｄｅｌ  ７００Ａ）、高純度Ａｒガス（大陽日酸社製、Ｇ２、９９．９９９５％）、Ｏ２ガス（大陽日酸社製、Ｇ３、９９．９％）を用いた。Ｈ２ガスには、水素製造装置（ラウンドサイエンス社製、ＲＨＧ―１０００）で発生させたものを使用した。測定前、使用するセル及び溶液調製に用いた参照極を、混酸（濃硫酸：濃硝酸＝１：１）に一晩浸漬させ、不純物を除去した。その後、超純水で熱湯煮沸を１時間行った。溶液調製及び洗浄には、超純水製造装置（Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ製、アリウム６１１ＵＶ）で精製した超純水を用いた。
ＨＶ測定は、酸素雰囲気下でＲＲＤＥを１６００ｒｐｍで回転させ、ディスク電極電位を０．０５Ｖから１．０Ｖまで１０ｍＶ／ｓの速度で走査し、酸素還元電流を測定した。同時にリング電極電位を過酸化水素の酸化が拡散限界に十分達する電位である１．２Ｖに保持し、ディスク電極上で生成した過酸化水素をリング電極上で検出した。
（結果）
図６に、実施例４の触媒のＨＶ測定の結果を示す。０．７５Ｖｖｓ.ＲＨＥにおけるＯＲＲ電流（iD）は、目標値であるＰｔ／Ｃ触媒と同様に限界電流が完全に平坦な形で得られた。これは、ＯＲＲの律速段階が触媒表面での電子授受反応ではなく、触媒活性点への酸素拡散（供給）になっていることを示している。また、リング電流（iR）の値もＰｔ／Ｃの値近くまで低いことから、４電子還元率も向上していることが示された。
【００４２】
［実施例５］
化学式（２）の界面活性剤を用い、ＲＭ−ＡにおいてＲｗ＝７に変更した以外は実施例２と同様にして炭素質担体に担持されたＬａ０．８１Ｓｒ０．１９ＭｎＯ３を得た。
【００４３】
［実施例６］
化学式（２）の界面活性剤を用い、ＲＭ−ＡのＳｒ源の仕込み量を変更した以外は実施例１と同様にして炭素質担体に担持されたＬａ０．６５Ｓｒ０．３５ＭｎＯ３を得た。（Ｒｗ＝４）
【００４４】
［生成物の分析：ＸＲＤ及びＩＣＰ］
実施例１〜３と同様の方法でＸＲＤ及びＩＣＰ分析を行った。結果を図７に示す。図７に示されるとおり、いずれの試料においても、不純物に帰属するピークが現れず、金属酸化物微粒子が単相であることが確認された。また、ＩＣＰ発光分析の結果から、実施例５、６の組成がそれぞれＬａ０．８１Ｓｒ０．１９ＭｎＯ３／ＫＢ、Ｌａ０．６５Ｓｒ０．３５ＭｎＯ３／ＫＢであることが確認され、Ｒｗ値及びＳｒ源の仕込み量を調節することで、組成及び粒径を制御した金属酸化物触媒を合成可能であることが示された。
【００４５】
［生成物の分析：ＴＥＭ］
実施例４と同様の方法で、作製した金属酸化物触媒をＴＥＭによって観察した。図８に、実施例５、６のＴＥＭ像を示す。図８に示されるとおり、いずれの金属酸化物触媒も、金属酸化物微粒子の９０％以上が一次粒子として存在しており、金属酸化物微粒子が炭素質担体上に高分散担持されていることがわかる。担体上の金属酸化物微粒子の平均粒径は、実施例５が７．１ｎｍ、実施例６が４．４ｎｍであった。
【００４６】
［生成物の評価：酸素還元活性の評価］
実施例５、６の触媒について、実施例１と同様の方法で対流ボルタンメトリー測定を行った。その結果を図９に示す。
図９に示されるとおり、いずれの実施例も実施例４の結果と同様に、良好な電気化学特性を有している。
【００４７】
［実施例７］アニオン交換膜型燃料電池（ＡＥＭＦＣ）の作製
（ｉ）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
図１０にＡＥＭＦＣの単セルとＭＥＡの概略図を示す。電極触媒として、アノードにＰｔ/Ｃ（Ｐｔ担持量：１ｍｇ／ｃｍ２）、カソードに実施例４の触媒（触媒担持量：１ｍｇｍｅｔａｌ／ｃｍ２）を用い、アニオン交換樹脂ＡＳ−４（トクヤマ社製）に対して重量比１：１で混合し、スラリーを調製した。これらの触媒スラリーを電解質膜であるアニオン交換膜Ａ９０１（トクヤマ社製））表面に直接スプレーして触媒被覆膜（ＣａｔａｌｙｓｔｓＣｏａｔｉｎｇＭｅｍｂｒａｎｅ：ＣＣＭ）を作製した。図１１に、Ａ９０１とＡＳ−４の物性値を示す。このＣＣＭを、ガス拡散層（ＧＤＬ）のマイクロポーラス層（ＭＰＬ、厚さ：２０μｍ）付カーボンペーパー（厚さ：２００μｍ、ＳＧＬ社製）２枚で常温にて挟み、更にセパレータ２枚で挟み込むことで単セルを構成した。ＣＣＭとカーボンペーパーの熱圧着は行わず、挟み込むだけのＭＥＡの状態にて発電試験を行った。ＭＥＡの電極幾何面積は５ｃｍ２であった。
（ｉｉ）単セル発電試験
ＡＥＭＦＣ発電試験には、三極式単セル（エヌエフ回路設計ブロック社製、Ａｓ―５１０−Ｃ０５）を使用した。単セルにＭＥＡを組み込む際には供給ガスの漏洩を防ぐため、ＭＥＡと両極のセパレータとの間にＰＴＦＥガスケット（オリオン社製、厚み２００μｍ）を１枚ずつ挟み込んだ。参照極には、カーボンペーパーにアニオン交換樹脂ＡＳ―４を用いてＰｔ／Ｃを塗布して作製したＧＤＬを用い、これをアノード側のＭＥＡ近傍に設置してアノード供給ガスの加湿純水素を一部反応させることで可逆水素電極（ＲＨＥ）として機能させ、各電極電位の測定を行った。
単セルの温度、及び供給ガスの温度、湿度、量の制御には、ＰＥＦＣ単セル試験装置（チノー社製、５１００ｓｅｒｉｅｓ  ＭｏｄｅｌＩＩ）を、また、単セルへの電子負荷の制御には電子負荷装置（システム設計社製、ＥＬ６０−３／３０Ａ）を使用した。アノードに供給する水素ガスは高純度水素発生装置（ラウンドサイエンス社製、ＲＨＧ−１０００型、純度：９９．９９９％）から得た。また、カソード供給ガスには高純度酸素ガス（大陽日酸社製、Ｇ３、純度：９９．９％）を用いた。供給ガスの加湿は、ガスバブリングによる外部加湿方式であり、その際の加湿水として超純水（１８．２ＭΩ）を用いた。なお、ガスはセル背圧を常圧として供給した。
単セルの発電試験を行う際は、その前に慣らし運転としてセル電圧が２００ｍＶになるように発電し、これを電位保持したまま電流密度が一定になるまで行った。これは、ＭＥＡ環境を安定化させるとともに、電解質膜のアニオン交換膜中の炭酸イオン（ＣＯ３２−）を追い出し（セルフパージ）、水酸化物（ＯＨ−）に代える目的も有している。発電試験は、慣らし運転と本測定のいずれも、セル温度を５０℃、両極の供給ガスの加湿温度を４８℃とし、アノードに純水素、カソードに純酸素をそれぞれ２００ｍｌ／ｍｉｎ、１００ｍｌ／ｍｉｎの流量（供給ガスの利用率：４％）で供給して行った。
（ｉｉｉ）結果
図１２に、カソードに実施例４の触媒（担持量：１ｍｇ／ｃｍ２）を、アノードに市販Ｐｔ／Ｃ（Ｐｔ担持量：１ｍｇ／ｃｍ２）を用いて構成したＭＥＡの単セル発電試験の結果を示す。実施例１の触媒は、最大約１３０ｍＷ／ｃｍ２の高出力が得られ、これは、市販のＰｔ／Ｃ触媒の場合（約１４０ｍＷ／ｃｍ２）にも匹敵する発電性能である。
【図１】
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【図３】
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【図１１】
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【図２】
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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１２】
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