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JP5493085B2 - Cathode material - Google Patents
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Description

本発明は、Pt粒子を電極物質とし、炭素粒子を導電物質としたカソード材料に関し、より詳しくは、高分子形燃料電池用カソード、ダイレクトメタノール形燃料電池用カソードや各種センサー用カソードなどを構成するカソード材料に関する。   The present invention relates to a cathode material in which Pt particles are used as an electrode material and carbon particles are used as a conductive material, and more specifically, a cathode for a polymer fuel cell, a cathode for a direct methanol fuel cell, and a cathode for various sensors. The cathode material.

Pt/導電性炭素カソード材料は、高分子形燃料電池用電極材料またはダイレクトメタノール形燃料電池用電極材料として用いられる代表的なカソード材料である。この電極は、比較的高いカソード活性を示すものの、酸素還元反応が、そもそも大変遅い反応であることから、カソード反応における過電圧による損失が大きく、燃料電池の発電ロスやセンサーの応答速度の低下などの主要因となると考えられてきた。
燃料電池のカソード上では、酸素または空気中に含まれる酸素が還元的に分解し、酸素イオンになるか又は、プロトンと反応して水分子を容易に作る電極触媒反応を進行させる必要がある。従来、この酸素還元分解電極触媒反応に適する電極として、Pt/導電性炭素が用いられてきた。しかし、その電流密度は低く、酸素還元分解反応開始電位もまた、十分高いものではなかった。
しかし、家庭用に燃料電池を普及させるためには、高性能でかつ、安価な燃料電池の作成が必要不可欠である。その観点から、従来のPt/導電性炭素よりも、カソード性能の高い電極触媒の開発が望まれてきた。
The Pt / conductive carbon cathode material is a typical cathode material used as a polymer fuel cell electrode material or a direct methanol fuel cell electrode material. Although this electrode shows a relatively high cathode activity, the oxygen reduction reaction is very slow in the first place, so there is a large loss due to overvoltage in the cathode reaction, such as a power loss of the fuel cell and a decrease in the response speed of the sensor. It has been thought to be the main factor.
On the cathode of the fuel cell, oxygen or oxygen contained in the air needs to be reductively decomposed to become oxygen ions or to proceed with an electrocatalytic reaction that easily reacts with protons to form water molecules. Conventionally, Pt / conductive carbon has been used as an electrode suitable for this oxygen reductive decomposition electrocatalytic reaction. However, the current density was low, and the oxygen reductive decomposition initiation potential was not sufficiently high.
However, in order to popularize fuel cells for home use, it is indispensable to create high-performance and inexpensive fuel cells. From that viewpoint, it has been desired to develop an electrocatalyst having higher cathode performance than conventional Pt / conductive carbon.

この問題を解決するために、非特許文献1に示されているようにPt/導電性炭素カソード材料に、金属鉄(Fe)を分散させることで、酸素還元分解活性を高める試みや、非特許文献2に示されているように酸化ニオブ(NbO)上にPt粒子を担持する試みがなされている。こうして得られたPtFe/導電性炭素カソード材料は、確かに、それまでのPt/導電性炭素カソード材料を超える高い性能を示すものの、Feが酸性溶液に触れることで、すぐに酸化鉄(FeOまたはFe)に変わるので、高分子形固体電解質内から流出する酸性溶液の影響で、長期安定性が期待できないという問題点があり、酸化ニオブ(NbO)上にPt粒子を担持する電極触媒においては、用いる担体のニオブが通常の5価のニオブ酸化物でなく、4価のニオブを担体としていることから、大変高価な材料を特別に用いる必要があることから実用的ではないという欠点を有しており、こうしたPt/第2成分/導電性炭素からなるカソード材料は、いまだ実用化がなされていない。 In order to solve this problem, as shown in Non-Patent Document 1, attempts are made to increase oxygen reductive decomposition activity by dispersing metallic iron (Fe) in a Pt / conductive carbon cathode material. As shown in Document 2, attempts have been made to support Pt particles on niobium oxide (NbO 2 ). Although the PtFe / conductive carbon cathode material obtained in this way certainly shows a higher performance than the previous Pt / conductive carbon cathode material, when the Fe touches the acidic solution, the iron oxide (FeO or Since it changes to Fe 2 O 3 ), there is a problem that long-term stability cannot be expected due to the influence of the acidic solution flowing out from the inside of the polymer solid electrolyte, and an electrode carrying Pt particles on niobium oxide (NbO 2 ) The catalyst is not practical because niobium of the support used is not the usual pentavalent niobium oxide but tetravalent niobium as the support, and a very expensive material needs to be used specially. Such a cathode material composed of Pt / second component / conductive carbon has not been put into practical use yet.

以上述べたように、従来のPt/第2成分/導電性炭素系カソード材料は、電極触媒活性や価格の面など、いくつかの点で困難な問題があった。本発明は、このような問題のないカソード材料を提供しようというものである。 As described above, the conventional Pt / second component / conductive carbon-based cathode material has several problems such as electrocatalytic activity and cost. The present invention seeks to provide a cathode material free from such problems.

発明1のカソード材料は、Pt粒子がセリア粒子表面に担持されていることを特徴とする。
発明2は、発明1のカソード材料において、前記Pt粒子表面に、Pt1価が5体積%以上存在していることを特徴とする。
発明3は、発明1または発明2のカソード材料において、前記Pt粒子表面に、Pt2価が、10体積%以上存在することを特徴とする。
発明4は、発明1から発明3のカソード材料において、前記Pt粒子表面に、Pt4価が存在しても10体積%以下であることを特徴とする。
発明5は、発明1から発明4のカソード材料上において、Pt粒子の比表面積が10m/g以上(COストリピング法による)であることを特徴とする。
発明6は、発明1から発明5のいずれかのカソード材料において、セリア粒子の比表面積が20m/g以上70m/g以下(B.E.T法にによる)であることを特徴とする。
発明7は、発明1から発明6のいずれかのカソード材料において、その組成を示す一般式をPt/CeOcarbon(Z=100−X−Y)としたとき、0.01≦X≦70、20≦Y≦40であることを特徴とする。
発明8は、発明1から発明7のいずれかに記載のカソード材料において、CeO上に拡散するPtの領域が活性サイトとなることを特徴とする。
発明9は、発明8のカソード材料において、前記活性サイトの面積が1×10平方ナノメーター以上4×10平方ナノメーター以下であることを特徴とする。
発明10は、発明1から発明9のいずれかのカソード材料において、Ce3+/Ce4+比が1.0以上となることを特徴とする。
The cathode material of the invention 1 is characterized in that Pt particles are supported on the surface of ceria particles.
Invention 2 is characterized in that, in the cathode material of Invention 1, a Pt1 value of 5 vol% or more is present on the surface of the Pt particles.
Invention 3 is characterized in that in the cathode material of Invention 1 or Invention 2, a Pt2 value of 10 vol% or more is present on the surface of the Pt particles.
Invention 4 is characterized in that, in the cathode material of Inventions 1 to 3, even if Pt4 valence exists on the surface of the Pt particles, it is 10% by volume or less.
Invention 5 is characterized in that the specific surface area of Pt particles is 10 m 2 / g or more (by CO stripping method) on the cathode materials of Inventions 1 to 4.
Invention 6 is characterized in that, in the cathode material of any one of Inventions 1 to 5, the specific surface area of the ceria particles is 20 m 2 / g or more and 70 m 2 / g or less (according to the BET method). .
Invention 7 is the cathode material according to any one of Inventions 1 to 6, wherein the general formula indicating the composition is X Pt / Y CeO 2 / Z carbon (Z = 100−XY), 0.01 ≦ X ≦ 70 and 20 ≦ Y ≦ 40.
Invention 8 is characterized in that, in the cathode material according to any one of Inventions 1 to 7, an active site is a Pt region diffused on CeO 2 .
Invention 9 is the cathode material of Invention 8, wherein the active site has an area of 1 × 10 2 square nanometers or more and 4 × 10 2 square nanometers or less.
Invention 10 is characterized in that, in the cathode material of any one of Inventions 1 to 9, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio is 1.0 or more.

本発明者らは、上記従来技術の問題点に鑑み、鋭意検討を続けた結果、セリア(CeO)上に、Ptを担持した際、PtとCeOの界面に、PtがCeO表面に拡散することにより形成される界面層とPtが活性サイトとなり、導電性カーボン上に分散させることで、安価で、極めて高い電極活性を有するカソード材料が作製できることを見出し、本発明を完成するに至った。
さらに、本発明は、従来、存在することが知られていなかったPt1価およびイオン化したPtであるPt2価を、PtとCeO界面に十分な量形成し、このPt1価およびPt2価を構成成分とするクラスターを活性サイトとするカソード材料であるか、好ましくは、Pt1価およびPt2価とCeO界面を通して、CeO表面上にPtが拡散して広がる領域(界面層領域)が広く、さらに好ましくは、その界面層にPt2価が、10体積%以上40体積%以下存在した領域が、活性サイトとなるPt/CeO複合カソード材料を使用することにより、燃料電池などに利用可能なカソード特性を大幅に改良することに成功したものであり、今後、燃料電池を始め、各種センサー等において使用され、それらの性能アップと、優れた性能の長期安定性に大いに寄与するものと期待される。とりわけ、近年注目されている高分子形燃料電池の小型化、高出力化には大いに寄与するものと期待され、産業界におけるその利用価値は極めて大きいし、重大である。
As a result of continuing intensive studies in view of the above-mentioned problems of the prior art, the present inventors have found that when Pt is supported on ceria (CeO 2 ), Pt is on the CeO 2 surface at the interface between Pt and CeO 2. The interface layer formed by diffusion and Pt become active sites, and it is found that a cathode material having extremely high electrode activity can be produced at low cost by dispersing it on conductive carbon, and the present invention has been completed. It was.
Furthermore, the present invention forms a sufficient amount of Pt1 valence and ionized Pt, which has not been known to exist, at the Pt-CeO 2 interface, and the Pt1 valence and Pt2 valence are the constituent components. Or a cathode material having an active site as a cluster. Preferably, a region (interface layer region) in which Pt diffuses and spreads on the CeO 2 surface through the Pt 1 valence, Pt 2 valence, and CeO 2 interface is wide, and more preferable. Uses a Pt / CeO 2 composite cathode material in which an area where Pt2 valence is 10 volume% or more and 40 volume% or less in the interface layer is an active site, thereby providing cathode characteristics that can be used for fuel cells and the like. It has succeeded in drastically improving and will be used in various sensors including fuel cells in the future. It is expected to greatly contribute to the long-term stability of performance. In particular, it is expected to greatly contribute to the miniaturization and high output of polymer fuel cells that have been attracting attention in recent years, and its utility value in the industry is extremely large and serious.

CeO仮焼粉末の走査型電子顕微鏡写真Scanning electron micrograph of CeO 2 calcined powder CeO仮焼粉末から得られたX線回折図(ホタル石構造単一相であることを示す図)X-ray diffraction pattern obtained from CeO 2 calcined powder (showing fluorite structure single phase) PtCeO複合カソードと市販のPtカソード表面から観察された白金(Pt)4fスペクトルの比較Comparison of platinum (Pt) 4f spectra observed from PtCeO 2 composite cathode and commercial Pt cathode surfaces 高分解能透過電子顕微鏡(加速電圧:200keV)を用いて観察した界面層領域Interface layer region observed using a high-resolution transmission electron microscope (acceleration voltage: 200 keV) ボルタンメトリーによる酸素還元活性Voltammetric oxygen reduction activity ターフェル・プロットを用いたオンセット・ポテンシャルの決定Determination of onset potential using Tafel plot Koutecky−Levich プロットを用いたカソード反応電子数の解析結果(白金電極との比較)Analysis results of cathode reaction electron number using Koutecky-Levic plot (comparison with platinum electrode)

本発明のカソード材料は、Pt粒子がセリア粒子表面に担持されているものである。
CeO表面では、Pt粒子が拡散により原子状態で広がり、Pt−Ce3+−酸素欠陥及びPt2+−Ce3+−酸素欠陥からなるユニークなナノヘテロクラスターを形成すると考えられる。このナノヘテロクラスターが活性サイトとなり、高いカソード活性が生まれると考えられるが明確なものではない。
In the cathode material of the present invention, Pt particles are supported on the surface of ceria particles.
The CeO 2 surface, spread atomic state Pt particles by diffusion, Pt + -Ce 3+ - oxygen defects and Pt 2+ -Ce 3+ - are believed to form an unique nano hetero cluster of oxygen defects. It is thought that this nanoheterocluster becomes an active site and high cathode activity is born, but it is not clear.

Pt1価がPt粒子表面に存在することで、電流密度が向上することが下記実験No.1より明らかになった。特に、5体積%以上、好ましくは10体積%以上存在することで、その電流密度が飛躍的に向上することが明らかになった。
Ptは一般には、金属Ptが一番効果的であると思われているが、既存のPtの性能を超える活性サイトをつくるためには、イオン化したPtを含むヘテロクラスターサイトを作成するのが望ましい。
本発明では、従来確認されていなかった1価をPtとCeO界面に存在させること(Ptを含むヘテロクラスターサイトが表面にあらわれていることを意味する)で、Ptを用いた従来のものに比し、その性能を飛躍的に向上できたものと考えられる。
好ましくは、このPt1価とCeO界面を通して、CeO表面上にPtが拡散して広がる領域(界面層領域)が広く、この界面層領域にもPt−Ce3+−酸素欠陥クラスターが活性サイトとして存在することで、カソード性能の向上が期待できる。
さらに好ましくは、上記界面層領域に、Pt2+−Ce3+−酸素欠陥からなるクラスターが、十分な量形成されていることで、このクラスターも活性サイトとして機能するので、カソード性能の向上が期待できる。
このヘテロクラスターの効果については、いまだ十分には解明されていないが、本実施例で示したように、イオン化したPt(Pt1価または2価)を安定に、PtとCeO界面及び、CeO表面に存在させるために、より好ましくはCe3価が、表面にあらわれるCeの4価に対して5割以上存在することで、上記範囲が安定に確保されるので好ましい。
なお、Pt1価やPt2価は、通常の光電子分光法や、放射光を用いた高エネルギー光電子分光法を用いて定量的に測定することができ、高電子分光により得られるPt4fスペクトルにおいて72.1eV(スピン7/2)と75.3eV(スピン5/2)にPt1価特有のピークが現れ、72.9eV(スピン7/2)と76.1eV(スピン5/2)にPt2価特有のピークが現れることから、容易に確認することができる。なお、Pt4価のスピン5/2のピークは、他のピークと重なりあい、定量的に評価することが難しいので、78.1eV付近のPt4価(スピン7/2)のピークの存在割合を用いて、表面のPt4価を評価することが好ましい。
Pt1価の量が、5体積%を下回ると、全体のPt量に占めるクラスター活性サイトの体積%が小さすぎて、カソード活性向上に与える十分な効果が得られないために好ましくない。一方、Pt1価の量は多い方が好ましいが、Pt1価は主としてPtとCeOの界面及びその極近傍において存在すると考えられるために、そもそも大量には現れにくいものであることから、20体積%程度あれば十分に、カソード特性の改善効果は現れるので、Pt1価の存在量は、20体積%程度あれば十分である。
Pt2価の量は、Pt2価カチオンがPtとCeOの界面を通して、CeO表面上に拡散することから、Pt1価よりも多くカソード上に現れるが、10体積%を下回ると、Pt2+−Ce3+−酸素欠陥からなるクラスター量が少なくなり、カソード性能の向上に十分に寄与しないことから好ましくなく、40体積%を超えても効果の向上が見込めない。
Pt4価の量は、Ptの4価が、きわめて不活性であるので、表面の4価のPtが現れると、その分だけ活性は低下する傾向にあるので、Ptの4価の存在割合は、10体積%以下になることが好ましい。
なお、金属Pt(Pt0価)は、Pt1価、2価および4価の体積%をすべて合算して、100から引いた値として求められる。
さらに、PtとCeOの界面及びその近傍に広がるクラスターの領域は、1×10平方ナノメーター以上4×10平方ナノメーター以下であることが好ましい。この範囲を下回ると、カソード上に現れるクラスターからなる活性サイトが表面に占める割合が少なすぎて、カソード特性の向上が確認できないことから好ましくなく、一方、PtがCeO表面に拡散する領域は、担持処理の温度を上げればあげるほど広がるが、PtとCeOの粒成長も顕著になりカソード全体の活性が低下するので4×10平方ナノメーターを越える範囲になるようにすることは、カソード特性を向上させるには至らないため、4×10平方ナノメーター以下であれば十分である。
上記のような、イオン化したPtとCeからなるクラスターを、電極表面に作製する場合には、Ceの価数が通常の4価のみでは、極所的な電荷が中和せず、結果として、クラスターが不安定になるので好ましくない。カソード活性を向上させるクラスターが、表面に安定に形成されるためには、Ce3+
Ce4+よりも多く、カソード表面に存在する必要がある。よって、Ce3+/Ce4+が、1.0を超える必要があるが、Ce3+はもともと不安定であることから、実際上は、この比が1.0以上2.0以下の範囲になるようなカソード材料を作製することで、イオン化した白金を含むクラスターの安定性は高まり、結果としてカソード特性の安定性も向上するので好ましい。
The fact that the Pt1 valence is present on the surface of the Pt particles improves the current density is shown in the following experiment No. It became clear from 1. In particular, it has been clarified that the presence of 5% by volume or more, preferably 10% by volume or more, dramatically improves the current density.
In general, metal Pt is considered to be most effective for Pt, but in order to create an active site that exceeds the performance of existing Pt, it is desirable to create a heterocluster site containing ionized Pt. .
In the present invention, a monovalent which has not been confirmed in the past is allowed to exist at the interface between Pt and CeO 2 (meaning that a heterocluster site containing Pt appears on the surface), thereby making it possible to obtain a conventional one using Pt. Compared to this, it is thought that the performance was dramatically improved.
Preferably, a region (interface layer region) in which Pt diffuses and spreads on the CeO 2 surface through the interface between Pt1 and CeO 2 is wide, and Pt + -Ce 3+ -oxygen defect clusters are also active sites in this interface layer region. Therefore, improvement in cathode performance can be expected.
More preferably, since a sufficient amount of clusters of Pt 2+ -Ce 3+ -oxygen defects are formed in the interface layer region, these clusters also function as active sites, so that improvement in cathode performance can be expected. .
Although the effect of this heterocluster has not yet been fully elucidated, as shown in this example, ionized Pt (Pt 1 valence or divalence) is stably stabilized, the Pt and CeO 2 interface, and the CeO 2. In order to make it exist on the surface, it is more preferable that Ce trivalence is 50% or more with respect to the tetravalence of Ce appearing on the surface, so that the above range can be secured stably.
The Pt1 valence and the Pt2 valence can be quantitatively measured using ordinary photoelectron spectroscopy or high energy photoelectron spectroscopy using synchrotron radiation, and 72.1 eV in the Pt4f spectrum obtained by high electron spectroscopy. (Spin 7/2) and 75.3 eV (Spin 5/2) have peaks characteristic of Pt1 valence, and 72.9 eV (Spin 7/2) and 76.1 eV (Spin 5/2) have peaks unique to Pt2 valence. Can be easily confirmed. Note that the peak of Pt 4 valence spin 5/2 overlaps with other peaks and is difficult to evaluate quantitatively. Therefore, the existence ratio of the peak of Pt 4 valence (spin 7/2) near 78.1 eV is used. Thus, it is preferable to evaluate the Pt4 value of the surface.
When the amount of Pt1 value is less than 5% by volume, the volume% of cluster active sites in the total amount of Pt is too small, and a sufficient effect for improving the cathode activity cannot be obtained. On the other hand, it is preferable that the amount of Pt1 valence is large. However, since Pt1 valence is considered to exist mainly at the interface between Pt and CeO 2 and in the very vicinity thereof, it is difficult to appear in large quantities. Since the effect of improving the cathode characteristics appears sufficiently if it is about, the amount of Pt1 valence is about 20% by volume.
The amount of Pt 2 valence appears on the cathode more than Pt 1 valence because Pt divalent cations diffuse on the CeO 2 surface through the interface between Pt and CeO 2 , but below 10% by volume, Pt 2+ −Ce The amount of clusters composed of 3 + -oxygen defects is reduced, and it is not preferable because it does not sufficiently contribute to the improvement of cathode performance. Even if it exceeds 40% by volume, the effect cannot be expected.
The amount of Pt tetravalent is very inactive. Therefore, when tetravalent Pt on the surface appears, the activity tends to decrease by that amount. It is preferable that it becomes 10 volume% or less.
The metal Pt (Pt0 valence) is obtained as a value obtained by adding all the Pt1, bivalent and tetravalent volume% and subtracting from 100.
Furthermore, the Pt and CeO 2 interface and the cluster region extending in the vicinity thereof are preferably 1 × 10 2 square nanometers or more and 4 × 10 2 square nanometers or less. Below this range, the ratio of active sites consisting of clusters appearing on the cathode to the surface is too small, and improvement in cathode characteristics cannot be confirmed. On the other hand, the region where Pt diffuses to the CeO 2 surface is The higher the temperature of the supporting treatment, the wider it is. However, the grain growth of Pt and CeO 2 becomes conspicuous and the activity of the entire cathode decreases, so that the range exceeding 4 × 10 2 square nanometers can be achieved. Since it does not lead to an improvement in characteristics, it is sufficient if it is 4 × 10 2 square nanometers or less.
In the case where a cluster composed of ionized Pt and Ce as described above is formed on the electrode surface, the local charge is not neutralized only by the usual tetravalence of Ce, and as a result, This is not preferable because the cluster becomes unstable. In order for a cluster that improves the cathode activity to be stably formed on the surface, it is necessary to have more Ce 3+ than Ce 4+ and exist on the cathode surface. Accordingly, Ce 3+ / Ce 4+ needs to exceed 1.0. However, since Ce 3+ is originally unstable, this ratio is practically in the range of 1.0 to 2.0. It is preferable to produce a stable cathode material because the stability of the cluster containing ionized platinum is increased, and as a result, the stability of the cathode characteristics is also improved.

COストリピング法を用いて測定されたカソード表面におけるPt粒子の比表面積は、下記実施例(実験No.1−No.11)より、20m/g超、好ましくは25m/g以上、より好ましくは30m/g以上とするのが望ましい。
またその上限は、50 m/g以下、好ましくは45m/g以下、より好ましくは40m/g以下とするのが望ましい。
この比表面積の値は、大きいほうが、活性は大きくなるが、この値を上記範囲以上にするには、高真空環境やパルスレーザーを用いるなど、特殊な処理環境が必要となる。この意味で上記上限は、下記した実験No.2での処理環境における上限値である。本実施例を基に、高真空環境やパルスレーザーを用いることで、比表面積を大きくすることを否定するものではない。
CeO粒子は、B.E.T法(Brunauer−Emmett−Teller法)により測定されたCeO粒子の比表面積は大きいほうが望ましく、具体的には、20m/g以上、好ましくは25m/g以上、より好ましくは30m/g以上とするのが望ましい。
この比表面積が小さいと、CeO粒子の表面活性が低くなり、Pt1価やPt2価を含むナノヘテロクラスター構造が作成しにくくなる。
その上限は、70m/g以下、好ましくは75m/g以下、より好ましくは60m/g以下あることが望ましい。
この範囲を上回るようなCeO粒子は、メソポア構造を有するものが主流となるが、そのようなCeO粒子を用いると、Pt粒子がメソ孔に落ちてしまうか、または、表面ではなく、多孔体構造を有するCeO粒子の内部にPt1価やPt2価を含むナノヘテロクラスターを形成することになり、こうしたクラスターは、酸素分子が、電極最表面から、多孔体内部深くにはとどきにくいことから、電極活性の向上にはつながらなくなりやすい。
The specific surface area of the Pt particles on the cathode surface measured using the CO striping method is more than 20 m 2 / g, preferably 25 m 2 / g or more, more preferably from the following examples (Experiment No. 1 to No. 11). Is preferably 30 m 2 / g or more.
The upper limit is 50 m 2 / g or less, preferably 45 m 2 / g or less, more preferably 40 m 2 / g or less.
The larger the specific surface area value, the greater the activity. However, in order to make this value above the above range, a special processing environment such as a high vacuum environment or a pulsed laser is required. In this sense, the upper limit is the experiment No. described below. 2 is the upper limit value in the processing environment. Based on this embodiment, it is not denied that the specific surface area is increased by using a high vacuum environment or a pulse laser.
CeO 2 particles are B. E. T method specific surface area of CeO 2 particles as measured by (Brunauer-Emmett-Teller method) larger is desirable, particularly, 20 m 2 / g or more, preferably at 25m 2 / g or more and more preferably 30 m 2 / It is desirable to set it as g or more.
When this specific surface area is small, the surface activity of CeO 2 particles becomes low, and it becomes difficult to create a nanoheterocluster structure including Pt1 valence and Pt2 valence.
The upper limit is 70 m 2 / g or less, preferably 75 m 2 / g or less, more preferably 60 m 2 / g or less.
CeO 2 particles exceeding this range are mainly those having a mesopore structure. However, when such CeO 2 particles are used, Pt particles fall into mesopores or are not on the surface but porous. A nano-heterocluster containing Pt1 and Pt2 valences will be formed inside the CeO 2 particles having a body structure, and these clusters are difficult for oxygen molecules to reach deep inside the porous body from the electrode outermost surface. It tends not to improve electrode activity.

組成を一般式で表すと、Pt/CeOcarbon(Z=100−X−Y、X、Y,Zの単位はwt%、carbonは導電性炭素)となる。導電性炭素は、そもそもそれ自身は、まったくカソード反応活性に貢献せず、単に、電子の流れを円滑にするための添加物であることから、Zの値が、過少になった場合は、カソード材料自体の電気抵抗が大きくなりすぎて好ましくなく、逆に、過剰に存在した場合は、酸素の炭素上での吸着量が大きくなり、活性サイトであるナノヘテロクラスターサイトまで、反応物質である酸素がいきわたりにくくなるので、カソード反応活性はかえって低下するので好ましくない。
このことより、Zは、10wt%以上、好ましくは15wt%以上、より好ましくは20wt%以上とするのが望ましく、その上限は79wt%以下、好ましくは77wt%以下、より好ましくは75wt%以下とするのが望ましい。
活性発現の主役であるPt量は過少であると、酸素の還元分解反応が十分に行われず、結果として、燃料電池の発電特性が向上しないことから好ましくない。この意味でXは、1wt%以上、好ましくは3wt%以上、より好ましくは5wt%以上とするのが望ましい。
またXは、20wt%を超えるとその使用量に見合った性能の向上は得られにくくなるので、希少元素をより有効利用の観点から、50wt%以下、好ましくは30wt%以下、より好ましくは20wt%以下とするのが望ましい。
さらに、ヘテロクラスター構造を安定化させるうえで必要不可欠なCeOは、過小になると、Pt1価やPt2価が十分に生成しなくなり、酸素の還元分解反応が十分に行われず、結果として、燃料電池の発電特性が向上しないことから好ましくない。この意味でYは、20wt%以上、好ましくは23wt%以上、より好ましくは25wt%以上とするのが望ましい。
またYを過剰にしても、CeO自体の導電性がひくいため、かえってカソード全体の抵抗値を高め、カソード性能の低下をまねくので、40wt%以下、好ましくは38wt%以下、より好ましくは35wt%以下とするのが好ましい。
When the composition is expressed by a general formula, it becomes X Pt / Y CeO 2 / Z carbon (the unit of Z = 100−XY, X, Y, Z is wt%, and carbon is conductive carbon). Conductive carbon does not contribute to the cathode reaction activity at all in the first place, and is merely an additive for facilitating the flow of electrons, so when the value of Z becomes too low, The electrical resistance of the material itself becomes too large, which is not preferable. On the contrary, if it exists excessively, the amount of oxygen adsorbed on the carbon increases, and the oxygen that is the reactant is reduced to the active site, the nanoheterocluster site. Since it becomes difficult to sway, the cathode reaction activity is lowered, which is not preferable.
Accordingly, Z is desirably 10 wt% or more, preferably 15 wt% or more, more preferably 20 wt% or more, and the upper limit is 79 wt% or less, preferably 77 wt% or less, more preferably 75 wt% or less. Is desirable.
If the amount of Pt, which is the main component of the activity expression, is too small, the oxygen reductive decomposition reaction is not sufficiently performed, and as a result, the power generation characteristics of the fuel cell are not improved. In this sense, X is desirably 1 wt% or more, preferably 3 wt% or more, more preferably 5 wt% or more.
Further, when X exceeds 20 wt%, it is difficult to obtain an improvement in performance commensurate with the amount used. Therefore, from the viewpoint of more effective utilization of rare elements, 50 wt% or less, preferably 30 wt% or less, more preferably 20 wt%. The following is desirable.
Furthermore, CeO 2 which is indispensable for stabilizing the heterocluster structure, when it becomes too small, Pt1 valence and Pt2 valence are not sufficiently generated, and oxygen reductive decomposition reaction is not sufficiently performed. As a result, fuel cell This is not preferable because the power generation characteristics of the above are not improved. In this sense, Y is 20 wt% or more, preferably 23 wt% or more, more preferably 25 wt% or more.
Further, even if Y is excessive, CeO 2 itself has poor conductivity, so that the resistance value of the entire cathode is increased and the cathode performance is deteriorated. Therefore, 40 wt% or less, preferably 38 wt% or less, more preferably 35 wt%. The following is preferable.

上記の条件を満たすカソード材料を作成することで、従来のカソードでは難しい、電流密度が高く、酸素還元反応開始電位が、095V vs.RHEから1.2V vs.RHEであり、かつ4電子反応を示すことを特徴とする高分子型燃料電池用Pt/CeO/導電性炭素系ナノへテロカソード材料が得られる。
ここで、電位の単位として採用されるRHEとは、Reversible Hydrogen Electrodeを意味し、電位を定量的に評価するうえでの指標として一般的に採用されている単位である。
また、4電子反応とは、
+ 4H+ 4e ―> 2HO (1.2 V vs. RHE)
であらわされる電極反応のことであり、この反応式で示されるような反応が起こらなければ、燃料電池などの電極としては好ましくない。さらに上記の式から分かるように、理論電位は約1.2V(vs.RHE)であることから、カソード性能が高い電極は、この値に近い酸素還元反応開始電位を示すことが求められる。
この4電子反応を示すか否かは、電極性能を測定するに際し、電極自体を回転させ、その回転数を変化させながら、電流値を測定するKoutecky−Levich プロットを行うことで容易に判定することができる。
このKoutecky−Levich プロットを詳しく説明すると、今、Iをactivated current, ωを電極の回転数とすると、両者の間には、以下の関係が成り立つことが知られている。
−1=I −1+B−1ω―1/2
ここで、B=0.62nFAD02 2/3−1/6O2
と定義される物理量であり、F,A,v,D02,CO2の値を用いて計算される。Fはファラデー定数、Aは測定に用いた電極面積(本実験では、0.196cm)、vは動粘性係数(通常1.07×10−2cm−1を用いて計算する)、D02は酸素拡散係数(通常2.16×10−5cm−1を用いて計算する)、CO2は電解質溶液の濃度(本実験では、1.03×10−3moll−1として計算)。
上記Bを求める式の中のnが4に近い値を示す場合、4電子反応であると認定できることが知られていることから、容易に実験から4電子反応であることは確かめることはできる。
以上のべたように、本発明では、燃料電池などのカソードとして有用な材料を提案することが可能になる。
By producing a cathode material that satisfies the above conditions, the current density is high and the oxygen reduction reaction initiation potential is 095 V vs. 0, which is difficult with a conventional cathode. 1.2V vs. RHE. A Pt / CeO 2 / conductive carbon-based nanoheterocathode material for polymer fuel cells, which is RHE and exhibits a four-electron reaction, is obtained.
Here, RHE adopted as a unit of potential means Reversible Hydrogen Electrode, and is a unit generally adopted as an index for quantitatively evaluating the potential.
The four-electron reaction is
O 2 + 4H + + 4e −> 2H 2 O (1.2 V vs. RHE)
If the reaction shown by this reaction formula does not occur, it is not preferable as an electrode for a fuel cell or the like. Further, as can be seen from the above formula, since the theoretical potential is about 1.2 V (vs. RHE), an electrode with high cathode performance is required to exhibit an oxygen reduction reaction initiation potential close to this value.
Whether or not this four-electron reaction is shown can be easily determined by performing a Koutecky-Levich plot in which the current value is measured while rotating the electrode itself and changing the number of rotations when measuring the electrode performance. Can do.
This Koutecky-Levich plot will be described in detail. It is known that the following relationship is established between I k as an activated current and ω as the rotation speed of the electrode.
I −1 = I k −1 + B −1 ω −1/2
Here, B = 0.62 nFAD 02 2/3 v −1/6 CO 2
And calculated using the values of F, A, v, D 02 , and CO 2 . F is the Faraday constant, A is the electrode area used for the measurement (in this experiment, 0.196 cm 2 ), v is the kinematic viscosity coefficient (usually calculated using 1.07 × 10 −2 cm 2 s −1 ), D 02 is the oxygen diffusion coefficient (usually calculated using 2.16 × 10 −5 cm 2 s −1 ), and CO 2 is the concentration of the electrolyte solution (1.03 × 10 −3 mol −1 in this experiment). Calculation).
When n in the formula for obtaining B shows a value close to 4, since it is known that it can be recognized as a 4-electron reaction, it can be easily confirmed from an experiment that it is a 4-electron reaction.
As described above, in the present invention, it is possible to propose a material useful as a cathode for a fuel cell or the like.

次に上記カソード材料の製造方法を説明する。
まず、ナノサイズのCeO粒子を作製するために、硝酸セリウム水溶液(濃度0.5M以上3M以下)を調整する。
原料水溶液の濃度は、溶液から沈殿物を得た場合の、沈殿物の結晶相を決める重要な要素となる。以下に、この結晶相を作製することが大切な理由を説明する。
Next, a method for producing the cathode material will be described.
First, in order to produce nano-sized CeO 2 particles, an aqueous cerium nitrate solution (concentration of 0.5 M or more and 3 M or less) is prepared.
The concentration of the raw material aqueous solution is an important factor for determining the crystal phase of the precipitate when the precipitate is obtained from the solution. The reason why it is important to produce this crystal phase will be described below.

本発明の方法を用いることで、PtとCeO間において、きわめて活性な、ヘテロクラスターサイトを形成することが可能である。
そのためには、CeO自身の表面活性が高い必要がある。このCeOの表面活性は、沈殿物が結晶化しており、かつその結晶化した沈殿物も複数の結晶からなる場合にきわめて高い表面活性をもつことが分かっている。その詳しい理由は定かではないが、結晶化した沈殿物は、その結晶相特有の自形を持っており、ナノレベルで異なる自形をもつ結晶が入り組んだ状態で表面を形成する粒子を、焼成することで、得られたCeO粒子の表面は、ナノレベルで起伏に富んだ表面となり、この表面が、すでに述べたヘテロクラスター活性サイトを作成する上で、きわめて有効に働くと考えられる。
よって、得られた沈殿物が非晶質状態ではなく結晶化した状態となる条件を探して合成を行うことが好ましい。
硝酸セリウム水溶液の濃度が、上記範囲を下回ると、沈殿物が非晶質状態となり、焼成したあとも十分な結晶化がおこらず、非晶質状態の未反応物質が残りやすくなり、CeO粒子の表面活性は低下するので好ましくなく、上記範囲を上回ると、沈殿物の凝集が大きくなりすぎるため、乾燥し、焼成したのち得られるCeO粒子の表面活性が低下するので好ましくない。
By using the method of the present invention, between Pt and CeO 2, it is possible to form an extremely active, hetero cluster sites.
For that purpose, the surface activity of CeO 2 itself needs to be high. It has been found that the surface activity of CeO 2 has a very high surface activity when the precipitate is crystallized and the crystallized precipitate is composed of a plurality of crystals. Although the detailed reason is not clear, the crystallized precipitate has a self-form unique to its crystal phase, and the particles that form the surface in a state where crystals with different self-forms at the nano level are intricate are calcined. By doing so, the surface of the obtained CeO 2 particles becomes a surface rich in undulations at the nano level, and it is considered that this surface works extremely effectively in creating the already-described heterocluster active site.
Therefore, it is preferable to perform the synthesis by searching for a condition in which the obtained precipitate becomes a crystallized state instead of an amorphous state.
When the concentration of the cerium nitrate aqueous solution is lower than the above range, the precipitate is in an amorphous state, and after calcination, sufficient crystallization does not occur, and an unreacted material in an amorphous state tends to remain, and CeO 2 particles Since the surface activity of the CeO 2 particles is lower than the above range, the aggregation of the precipitates becomes too large, and the surface activity of the CeO 2 particles obtained after drying and firing is undesirably reduced.

上記の範囲に設定した水溶液を、50℃以上70℃以下の温度に加熱した炭酸アンモニウムまたは炭酸水素アンモニウム水溶液(いずれも濃度0.5モル/リットル(M)以上9モル/リットル(M)以下)中に滴下して、セリア前駆体を作製する際に、攪拌速度200rpmから800rpmの範囲で攪拌するのが適切であった。この操作において、沈澱剤としては炭酸アンモニウムまたは炭酸水素アンモニウム水溶液(いずれも濃度0.5モル/リットル(M)以上9モル/リットル(M)以下)を用いることが、表面活性の高いCeO粒子を作成するために適切であった。
その理由は、沈殿に含まれる結晶相が、炭酸塩や水酸化物であると、きわめて小さい針状の結晶が表面に現れやすくなり、結果としてPtとのヘテロクラスターを合成することが容易になるからである。また、沈澱剤水溶液の濃度は、上記の範囲であることが好ましい。
この濃度範囲を下回ると、沈殿生成物の結晶化が十分に進まず、沈殿物を乾燥したのち、焼成して得られるCeO粒子の表面活性が高まらないために、カソード活性を高める上で必要な、ヘテロクラスター活性サイトをカソード表面上に、十分に作れないために好ましくない。一方、上記濃度範囲を上回ると、沈殿生成物の凝集が大きくなり、いくら乾燥後に粉砕処理を行っても、焼成後に得られる CeO粒子の表面活性が高まらないことから好ましくない。
The aqueous solution set in the above range is heated to a temperature of 50 ° C. or higher and 70 ° C. or lower, and an aqueous ammonium carbonate or ammonium hydrogen carbonate solution (both having a concentration of 0.5 mol / liter (M) to 9 mol / liter (M)) It was appropriate to stir at a stirring speed of 200 rpm to 800 rpm when dropping into the ceria precursor to prepare the ceria precursor. In this operation, as the precipitating agent, it is possible to use ammonium carbonate or an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution (both having a concentration of 0.5 mol / liter (M) to 9 mol / liter (M)) to obtain CeO 2 particles having high surface activity. Was appropriate to create.
The reason is that if the crystal phase contained in the precipitate is carbonate or hydroxide, very small needle-like crystals are likely to appear on the surface, and as a result, it is easy to synthesize a heterocluster with Pt. Because. The concentration of the precipitant aqueous solution is preferably within the above range.
Below this concentration range, the crystallization of the precipitated product does not proceed sufficiently, and the surface activity of the CeO 2 particles obtained by firing after drying the precipitate does not increase, so it is necessary to increase the cathode activity. Such heterocluster active sites are not preferable because they cannot be sufficiently formed on the cathode surface. On the other hand, when the concentration range is exceeded, agglomeration of the precipitated product is increased, and no matter how much pulverization is performed after drying, the surface activity of CeO 2 particles obtained after firing is not preferable.

さらに、これら沈澱剤水溶液は、50℃以上70℃以下の温度に加熱しておくことが好ましい。この温度範囲を下回る温度の溶液を用いると、沈殿生成物の結晶化が不十分なものとなり、沈殿物を乾燥したのち、焼成して得られるCeO粒子の表面活性が高まらず、カソード活性を高める上で必要なヘテロクラスター活性サイトが十分に作れないために好ましくない。一方、上記温度範囲を上回ると、沈殿生成物の凝集が大きくなり、いくら乾燥後に粉砕処理を行っても、焼成後に得られるCeO粒子の表面活性が高まらないことから好ましくない。 Furthermore, these precipitant aqueous solutions are preferably heated to a temperature of 50 ° C. or higher and 70 ° C. or lower. If a solution having a temperature lower than this temperature range is used, crystallization of the precipitated product becomes insufficient, and after the precipitate is dried, the surface activity of the CeO 2 particles obtained by firing is not increased, and the cathode activity is increased. This is not preferable because a hetero-cluster active site necessary for enhancement cannot be sufficiently formed. On the other hand, if it exceeds the above temperature range, the aggregation of the precipitated product becomes large, and no matter how much the pulverization treatment is carried out after drying, the surface activity of the CeO 2 particles obtained after firing is not preferred.

加えて、セリア前駆体を作製する際の水溶液の攪拌度は、200rpmから800rpmの範囲で行うのが適切である。この攪拌速度範囲を下回ると、沈殿生成物の結晶化が不十分なものとなり、沈殿物を乾燥したのち、焼成して得られるCeO粒子の表面活性が高まらないために、カソード活性を高める上で必要な、ヘテロクラスター活性サイトをカソード表面上に、十分に作れないために好ましくない。一方、上記攪拌速度範囲を上回ってもそれなりの効果しか期待できない上、あまりに早い攪拌速度を採用すると、溶液の飛散が懸念されることから、800rpm程度の攪拌速度を用いれば十分である。
硝酸セリウム水溶液の沈澱剤水溶液中への滴下速度は、毎分0.1mlから毎分1mlの速度で滴下することが好ましい。この滴下速度範囲を上回る速度で滴下が行われると、沈殿生成物の凝集が著しくなり、いくら乾燥後に粉砕処理を行っても、焼成後に得られるCeO粒子の表面活性が高まらないことから好ましくない。また、上記範囲を下回る滴下速度を用いても、それなりの効果しか得られないことから、実用上は、上記の滴下速度の下限値を採用すれば十分である。
In addition, it is appropriate that the degree of stirring of the aqueous solution in producing the ceria precursor is in the range of 200 rpm to 800 rpm. Below this stirring speed range, the crystallization of the precipitated product becomes insufficient, and the surface activity of the CeO 2 particles obtained by calcination after drying the precipitate does not increase. This is not preferable because the heterocluster active site required in step 1 cannot be sufficiently formed on the cathode surface. On the other hand, even if the above stirring speed range is exceeded, only a reasonable effect can be expected, and if a too high stirring speed is employed, there is a concern about scattering of the solution, and therefore a stirring speed of about 800 rpm is sufficient.
The dropping speed of the cerium nitrate aqueous solution into the precipitant aqueous solution is preferably dropped at a rate of 0.1 ml / min to 1 ml / min. When dropping is performed at a rate exceeding the dropping rate range, the precipitation product is significantly aggregated, and no matter how much pulverization is performed after drying, the surface activity of the CeO 2 particles obtained after firing is not preferred. . Moreover, even if a dropping speed lower than the above range is used, only a certain effect can be obtained. Therefore, in practice, it is sufficient to employ the lower limit value of the above dropping speed.

滴下が終了した後の熟成は、24時間以上48時間以下、その温度において保持されたまま行うのが適切である。この熟成時間範囲を下回ると、結晶化が十分に進まずに、沈殿物を乾燥したのち、焼成して得られるCeO粒子の表面活性が高まらず、カソード活性を高める上で必要なヘテロクラスター活性サイトが十分に作れないために好ましくない。一方、上記熟成時間範囲を上回ると、沈殿生成物の結晶化は促進されものの、沈殿生成物の凝集が著しくなり、いくら乾燥後に粉砕処理を行っても、焼成後に得られるCeO粒子の表面活性が高まらないことから好ましくない。
こうして得られた沈澱生成物は、原料中に含まれている微量の不純物を除去する目的で、水洗を行い、のちに凝集をおこさないように、室温近傍において乾燥不活性ガス中において乾燥処理を行い、その上で、300℃以上500℃以下の温度、酸素流通下において仮焼し、結晶性CeOナノ粉末を作製することが好ましい。上記焼成温度範囲を下回ると、CeO前駆体の熱分解が十分に進まず、粒子のすべてがホタル石型のCeOナノ粉末にならないため、カソード活性が高まらないことから好ましくない。
一方、上記焼成温度を上回ると、ホタル石型のCeO粒子にはなるものの、粒成長が著しくなり、結果としてカソード活性が低下することから好ましくない。この焼成の際の酸素ガスの流量には特段の制約はないが、あまり早い流速で、大量の流量の酸素を流すことは、安全性、粉末の飛散による収率の低下、などの面から問題があると思われるので、150ml/minから300ml/minの流速で、焼成を行えば十分である。また、焼成時間は、あまり長時間の焼成を行うことは、粒成長を引き起こすことにつながり好ましくなく、あまり短時間の処理でも、未反応物質が残存し、カソード活性の低下を引き起こす可能性があるので、1時間以上4時間程度の焼成処理を行うことが好ましい。
It is appropriate that the ripening after the completion of the dropping is carried out while maintaining the temperature for 24 hours or more and 48 hours or less. Below this ripening time range, crystallization does not proceed sufficiently, and after drying the precipitate, the surface activity of the CeO 2 particles obtained by calcination does not increase, and the heterocluster activity required to increase the cathode activity It is not preferable because the site cannot be created sufficiently. On the other hand, when the above aging time range is exceeded, crystallization of the precipitated product is promoted, but the aggregation of the precipitated product becomes remarkable, and the surface activity of the CeO 2 particles obtained after firing is no matter how much the pulverization treatment is performed after drying. Is not preferred because it does not increase.
The precipitated product thus obtained is washed with water for the purpose of removing a trace amount of impurities contained in the raw material, and then subjected to a drying treatment in a dry inert gas at around room temperature so as not to cause aggregation. It is preferable that the crystalline CeO 2 nanopowder be prepared by calcining under a temperature of 300 ° C. to 500 ° C. under oxygen flow. Below the firing temperature range, the thermal decomposition of the CeO 2 precursor does not proceed sufficiently, and all of the particles do not become fluorite-type CeO 2 nanopowder, which is not preferable because the cathode activity does not increase.
On the other hand, when the calcination temperature is exceeded, although fluorite-type CeO 2 particles are formed, grain growth becomes remarkable, and as a result, the cathode activity is lowered, which is not preferable. There is no particular restriction on the flow rate of oxygen gas during firing, but flowing a large amount of oxygen at a very high flow rate is problematic in terms of safety and reduced yield due to powder scattering. Therefore, it is sufficient to perform firing at a flow rate of 150 ml / min to 300 ml / min. In addition, it is not preferable to perform firing for an excessively long time, which leads to grain growth, and unreacted substances may remain even if the treatment is performed for a very short time, which may cause a decrease in cathode activity. Therefore, it is preferable to perform the baking process for 1 hour or more and about 4 hours.

こうして得られたCeOナノ粉末を塩化白金酸(HPtCl 6HO)水溶液(濃度0.05モル/リットル(M)以上1モル/リットル(M)以下)および導電性炭素微粉末と混合して電極を作成するが、この際、塩化白金酸(HPtCl 6HO)水溶液の濃度は、0.05モル/リットル(M)以上1モル/リットル(M)以下であることが好ましい。この濃度範囲を下回ると、活性サイトとなるヘテロクラスターサイトの形成がなかなか進まず、結果としてカソード活性が低下するので好ましくなく、一方、上記範囲を上回ると、Pt粒子が凝集し、かえってヘテロクラスターサイトの形成が阻害され、結果としてカソード活性が低下するので好ましくない。
CeO 2 nano powder chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 · 6H 2 O) aqueous solution thus obtained (concentration 0.05 mol / liter (M) or 1 mol / liter (M) or less) and conductive carbon fine powder While creating a mixed to electrodes and, this time, the concentration of chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 · 6H 2 O) aqueous solution, 0.05 mol / liter (M) or 1 mol / liter (M) or less Preferably there is. Below this concentration range, the formation of active cluster heterocluster sites does not progress easily, and as a result, the cathode activity decreases, which is not preferable. On the other hand, when the above range is exceeded, Pt particles aggregate, and on the contrary, the heterocluster sites. Formation is inhibited, resulting in a decrease in cathode activity.

カソードを作成する場合に用いる導電性炭素微粉末は、PtとCeO間の反応で形成されたヘテロクラスターサイトで生み出された電子を、電極表面で滞留させることなく、電解質を通してアノード側に移動させる上で必要なものであるが、導電性が十分に確保できるものであれば特に制約はなく、通常、カーボンブラックまたはグラッシーカーボンを用いれば、期待されるカソード性能を確認する上で十分な性能を発揮するので、上記のカーボン粉末を用いればよい。
これらの粉末を混合し、混合時に用いた溶媒(通常は蒸留水)を、不活性ガス流通下において蒸発させ乾燥した後、300℃以上500℃以下の温度で、水素流通下において仮焼するのが適切である。この温度範囲を下回ると、HPtCl 6HOの熱分解が不十分なものとなり、不純物が電極表面に残るばかりでなく、PtとCeOの反応によってうまれる、本発明特有のヘテロクラスター活性サイトの形成が阻害され、結果としてカソード特性が低下するので好ましくない。一方、この温度範囲を上回ると、ヘテロクラスター活性サイトの形成よりも、HPtCl 6HOの熱分解により生じる金属Ptの凝集が著しくなり、かえって、有効な活性サイトであるヘテロクラスター活性サイトのカソード表面での生成が阻害されるので好ましくない。
The conductive carbon fine powder used for making the cathode moves electrons generated at the heterocluster site formed by the reaction between Pt and CeO 2 to the anode side through the electrolyte without staying on the electrode surface. Although it is necessary for the above, there is no particular limitation as long as sufficient conductivity can be ensured. Normally, if carbon black or glassy carbon is used, sufficient performance can be obtained to confirm the expected cathode performance. The carbon powder may be used because it exhibits the above.
After mixing these powders, the solvent used during mixing (usually distilled water) is evaporated and dried under an inert gas flow, and then calcined under a hydrogen flow at a temperature of 300 ° C to 500 ° C. Is appropriate. Below this temperature range, the thermal decomposition of H 2 PtCl 6 · 6H 2 O becomes insufficient, and not only impurities remain on the electrode surface, but also a heterocluster unique to the present invention that is caused by the reaction of Pt and CeO 2. The formation of active sites is hindered, and as a result, the cathode characteristics are deteriorated. On the other hand, if the temperature range is exceeded, the aggregation of metal Pt caused by thermal decomposition of H 2 PtCl 6 · 6H 2 O becomes more significant than the formation of heterocluster active sites. This is not preferable because the formation on the cathode surface of the site is inhibited.

電極性能は、電極の電流値のみで規定されるものはなく、酸素還元反応が開始される電位(オンセットポテンシャルと呼ばれる)が高いことも重要である。この電位が高いということは、カソード上に吸着した酸素の還元反応が極めて容易に起こることを意味している。また、高い酸素還元反応オンセット・ポテンシャルを有するカソード材料を燃料電池用の電極として用いることで、燃料電池を発電させる場合に生じるカソード分極損失を低減させ、燃料電池から大きな電流密度ならびに出力をとりだすことが可能になる。よって、酸素還元反応オンセット・ポテンシャルは十分に高いものでなければならない。
上述のように、本発明により開示した作成法を用いることで、通常のPt電極では得られない高いカソード性能が得られるようになることから、この合成条件を特定し、実施することが、望ましいカソード特性を安定に得る上で極めて重要である。
The electrode performance is not limited only by the current value of the electrode, and it is also important that the potential at which the oxygen reduction reaction is started (referred to as onset potential) is high. This high potential means that the reduction reaction of oxygen adsorbed on the cathode occurs very easily. In addition, by using a cathode material having a high oxygen reduction reaction onset potential as an electrode for a fuel cell, the cathode polarization loss generated when the fuel cell is generated is reduced, and a large current density and output are extracted from the fuel cell. It becomes possible. Therefore, the oxygen reduction reaction onset potential must be sufficiently high.
As described above, by using the preparation method disclosed by the present invention, it becomes possible to obtain high cathode performance that cannot be obtained by a normal Pt electrode. Therefore, it is desirable to specify and implement this synthesis condition. This is extremely important for obtaining stable cathode characteristics.

次に、本発明の内容を明らかにするために実施例を説明する。但し、以下の実験内容は、あくまでも本発明を具体的に示し、容易に理解するための一助として開示するものであって、本発明の内容は、これらの実験により制限されるものではない。   Next, examples will be described in order to clarify the contents of the present invention. However, the following experimental contents are disclosed as an aid for showing the present invention concretely and for easy understanding, and the contents of the present invention are not limited by these experiments.

実験No.1
組成が20wt%Pt/30wt%CeO/50wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、55度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度400rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分0.5ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、55℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。(図1参照)
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、0.1モル/リットルの塩化白金酸水溶液とカーボンブラックを蒸留水中に分散した溶液の混合溶液中に分散させ、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、得られた乾燥粉末を、石英製のU字管に移したのち、U字管の口を密封した状態のまま、乾燥用グローブボックスから取り出し、電気炉に装填し、ガス導入管に接続後、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、400度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。カソード粉末中のCeO粉末の概観を走査型電子顕微鏡により観察した結果を図2に示す。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、25m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は40m/gであった。
ここでカソード表面に現れたPtの表面積を測定するために用いたCOストリッピング法の手順を以下に示す。
COストリッピング法とは、カソード表面に存在するPt元素表面に、COを吸着させ、その吸着量を測定し、その測定値から、カソード表面のPt比表面積を知る手法である。この測定を行うために、まず、電極粉末を、エタノールと混合し、2gl−1の溶液を調製する。この溶液を十分に攪拌したのち、マイクロピペットを用いて、5マイクロリットル採取し、金電極上にのせ、このカソード材料を載せた金電極を、60度に加熱した乾燥器内で30分間乾燥したのち、0.5Mの硫酸水溶液中にこの電極を挿入し、0Vから1.5V(vs.RHE)の電位を、毎秒50mVでスイープし、0.05から0.4V vs.RHEの間に現れる、Hの脱離ピークを定量し、その面積からHの脱離に用いられた電荷を算出した。このとき、1cmの電極表面に吸着したHの脱離には、210マイクロクーロンの電荷が必要であることが知られていることから、脱離ピーク面積から求めた電荷を、210マイクロクーロンで割ることで、カソード表面の活性サイト表面積を算出できるという方法である。
この方法で求めた値を、カソード作成のために用いたPt量で割ることで、カソード表面におけるPtの比表面積を求めた。
透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、5nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、光電子分光法を用いて観察し、その割合を定量したところ、すべてのPt(金属Pt, 1価Pt、2価PtおよびPt4価)に対して、Pt1価は8体積%、Pt2価は40体積%の値を示し、一方で、4価のPtはトレース程度(7体積%)観察された(図3に白金4fスペクトル測定結果の例を示す)。イオン化された白金の存在が明確に分かるように、図3には、市販の白金電極(Johnson Matthey社製)の白金電極から観察された白金4fスペクトルの測定結果を合わせて示した(図3の下の図)。この比較から、通常のPtカソードでは、観察されないデータとして、本発明におけるカソード材料の表面には、明瞭にイオン化された白金の電子状態が現れていることが分かる。
Ce3価および4価の割合は、Pt同様、光電子分光法を用いて、Ce3dのシグナル中に現れるCe3価とCe4価のピーク面積から、その比を算出して決定した。その結果、Ce3+/Ce4+比は、1.5であった。
加えて、CeO上に拡散したPtの領域は、図4に示す高分解能電子顕微鏡(加速電圧:200keV)を用いて観察した領域を、画像解析ソフト(画像解析ソフトウエア、Mac−View Ver4, Mountech Co.Ltd.)を用いて、面積計算を行ったところ、130nmであった。
こうして得られた電極活物質を、濃度1モル/リットルの HSO 水溶液中において、電極表面に、毎分5ミリリットルで酸素を吹きこみながら、金電極を2000rpmの速度で回転させ、毎分10mV の走査速度で、ボルタンメトリーにより、カソード触媒活性の評価を行った。
その結果、酸素還元反応は、図5に示すような曲線となり、高い活性を示すことが分かった。酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、図5で得られたデータをもとに、図6に示すターフェル・プロットを作製し、この直線が、電流密度値0.01A/cmの値に記した軸と交差する点をもって、決定した。
図6に電流密度をkinetic current densityと記載してあるが、これは、電流密度が、回転電極の回転数により変化することに由来する。高い回転数では、電極表面における酸素還元反応が促進されることから、電極の回転数が速くなるにつれ、電流密度は高くなる傾向を示す。
そこで、本実施例のように、回転数を2000rpmにした場合の電流密度を、特別に、電極の回転数により規定される電流密度であることを明記するために、kinetic current densityと図に表記しており、
以後、特段断りのない限りにおいては、電流密度は、電極の回転数は2000rpmにおける値をさす。
図6から見積もられる電位は、0.98V (vs.RHE)と高いものであった。
この際、電極の回転数は1500rpmから3000rpmまで、500rpmずつ変化させ、Koutecky−Levich プロットを用いたカソード反応解析を同時に行った。
定電位で、電極の回転数を変化させて得られる、Koutecky−Levich プロットが図7であり、この図中の各直線の傾きから求めたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
Experiment No. 1
Composition so is 20wt% Pt / 30wt% CeO 2 / 50wt% C, as a starting material, 1.0 mole / liter of cerium nitrate (99.99%) and 2.5 mol / l of an aqueous solution of ammonium carbonate (Purity 99.5%) was prepared, and the aqueous cerium nitrate solution was dropped into the aqueous ammonium carbonate solution heated to 55 ° C. at a rate of 0.5 milliliters per minute while stirring sufficiently at a stirring speed of 400 rpm. A precipitate was made. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 55 ° C. for 24 hours.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder is then calcined at 400 ° C. for 2 hours under an oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce crystalline ceria powder, which consists of a single crystalline phase of fluorite. This was confirmed by an X-ray diffraction test. (See Figure 1)
After that, this nano-CeO 2 powder was put into a mixed solution of 0.1 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution and carbon black dispersed in distilled water in a glove box whose water content was controlled to 10 ppm or less. After dispersing and stirring with a magnetic stirrer for 2 hours, seal the container, transfer it to a glove box prepared for drying, and gently use a stirrer in a glove box for drying whose moisture content is controlled to 10 ppm or less. Dry at room temperature with stirring, transfer the resulting dry powder to a quartz U-shaped tube, remove the U-shaped tube from the glove box for drying, and load it into an electric furnace. Then, after connecting to the gas inlet pipe, firing at 400 degrees for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min. A powder was prepared. FIG. 2 shows the result of observation of an overview of the CeO 2 powder in the cathode powder with a scanning electron microscope.
The specific surface area of the Pt particles that appeared on the cathode surface thus obtained was 25 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method was 40 m 2 / g.
Here, the procedure of the CO stripping method used for measuring the surface area of Pt appearing on the cathode surface is shown below.
The CO stripping method is a method in which CO is adsorbed on the surface of a Pt element existing on the cathode surface, the amount of adsorption is measured, and the Pt specific surface area of the cathode surface is known from the measured value. In order to perform this measurement, electrode powder is first mixed with ethanol to prepare a 2 gl -1 solution. After sufficiently stirring this solution, 5 microliters was collected using a micropipette, placed on the gold electrode, and the gold electrode on which this cathode material was placed was dried for 30 minutes in a dryer heated to 60 degrees. After that, this electrode was inserted into a 0.5 M sulfuric acid aqueous solution, and a potential of 0 V to 1.5 V (vs. RHE) was swept at 50 mV per second, and 0.05 to 0.4 V vs. The H + desorption peak appearing during RHE was quantified, and the charge used for H + desorption was calculated from the area. At this time, it is known that a charge of 210 microcoulombs is necessary for desorption of H + adsorbed on the electrode surface of 1 cm 2 , so the charge obtained from the desorption peak area is 210 microcoulombs. The active site surface area of the cathode surface can be calculated by dividing by.
The specific surface area of Pt on the cathode surface was determined by dividing the value determined by this method by the amount of Pt used for preparing the cathode.
The particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and an operation electron microscope were 5 nm and 30 nm, respectively.
Moreover, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was observed using photoelectron spectroscopy, and the ratio was quantified. As a result, all Pt (metal Pt, monovalent Pt, divalent Pt, and Pt tetravalent) were obtained. ), The Pt1 value was 8% by volume, and the Pt2 value was 40% by volume, while the tetravalent Pt was observed to be about a trace (7% by volume) (the platinum 4f spectrum measurement result in FIG. 3). Example). In order to clearly understand the presence of ionized platinum, FIG. 3 also shows the measurement result of the platinum 4f spectrum observed from the platinum electrode of a commercially available platinum electrode (manufactured by Johnson Matthey) (FIG. 3). (Figure below). From this comparison, it can be seen that as an unobserved data in the normal Pt cathode, an electronic state of platinum that is clearly ionized appears on the surface of the cathode material in the present invention.
The ratio of Ce trivalent and tetravalent was determined by calculating the ratio from the peak areas of Ce trivalent and Ce tetravalent appearing in the Ce3d signal using photoelectron spectroscopy as in the case of Pt. As a result, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 1.5.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is the region observed using the high-resolution electron microscope (acceleration voltage: 200 keV) shown in FIG. 4, and image analysis software (image analysis software, Mac-View Ver4, (Mountech Co. Ltd.), the area was calculated to be 130 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was rotated in a H 2 SO 4 aqueous solution with a concentration of 1 mol / liter while rotating the gold electrode at a speed of 2000 rpm while blowing oxygen on the electrode surface at a rate of 5 ml per minute. Cathodic catalyst activity was evaluated by voltammetry at a scan rate of 10 mV.
As a result, it was found that the oxygen reduction reaction becomes a curve as shown in FIG. 5 and exhibits high activity. For the onset potential of the oxygen reduction reaction, the Tafel plot shown in FIG. 6 is prepared based on the data obtained in FIG. 5, and this straight line is described as a current density value of 0.01 A / cm 2. The point that intersected the axis was determined.
Although the current density is described as kinetic current density in FIG. 6, this is because the current density varies depending on the number of rotations of the rotating electrode. At a high rotational speed, the oxygen reduction reaction on the electrode surface is promoted, so that the current density tends to increase as the rotational speed of the electrode increases.
Therefore, as in this embodiment, the current density when the rotational speed is 2000 rpm is indicated in the figure as kinetic current density in order to clearly indicate that the current density is defined by the rotational speed of the electrode. And
Thereafter, unless otherwise specified, the current density indicates a value at the rotation speed of the electrode of 2000 rpm.
The potential estimated from FIG. 6 was as high as 0.98 V (vs. RHE).
At this time, the number of rotations of the electrode was changed from 1500 rpm to 3000 rpm in increments of 500 rpm, and the cathode reaction analysis using the Koutecky-Levich plot was simultaneously performed.
The Koutecky-Levich plot obtained by changing the number of rotations of the electrode at a constant potential is shown in FIG. 7. The n value obtained from the slope of each straight line in this figure is about 4, and is a four-electron reaction. Also confirmed.

実験No.2
組成が0.05wt%Pt/35wt%CeO/64.95wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸水素アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度800rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分0.5ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、48時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、350℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、0.5モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、450度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、40m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は50m/gであり、
透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、4nm及び25nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が6体積%、Pt2価が28体積%、及びPt4価が3体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、1.4であった。
加えて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、110nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.99V (vs.RHE)と十分に高いものであり、同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
Experiment No. 2
1.0 mol / liter cerium nitrate (purity 99.99%) and 2.5 mol / liter as starting materials so that the composition is 0.05 wt% Pt / 35 wt% CeO 2 /64.95 wt% C Aqueous ammonium hydrogen carbonate solution (purity 99.5%) was prepared, and the aqueous cerium nitrate solution was added at 0.5 milliliters per minute while stirring sufficiently at an agitation speed of 800 rpm in an aqueous ammonium carbonate solution heated to 65 ° C. A precipitate was made by dropping at a rate. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 65 ° C. for 48 hours.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was subsequently calcined at 350 ° C. for 2 hours under an oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce crystalline ceria powder. 1 was confirmed to be composed of a single crystal phase of fluorite by an X-ray diffraction test.
After that, this nano-CeO 2 powder is supported in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less so that a predetermined amount of Pt is supported using a 0.5 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution. Dilute chloroplatinic acid aqueous solution, prepare carbon black and disperse solution in distilled water, mix nano-CeO 2 powder in it, stir with magnetic stirrer for 2 hours, seal container and dry The sample was transferred to a glove box prepared for use and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 450 ° C. for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles appearing on the cathode surface thus obtained was 40 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method is 50 m 2 / g,
The particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and an operation electron microscope were 4 nm and 25 nm, respectively.
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, Pt1 value was 6% by volume, Pt2 value was 28% by volume, and Pt4 value was 3% by volume for all Pt.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 1.4.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, area calculation using image analysis software was 110 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was sufficiently high as 0.99 V (vs. RHE), and at the same time, Koutecky showing the electrode reaction mechanism. The n value obtained from the -Levich plot was about 4, and it was confirmed that the reaction was a four-electron reaction.

実験No.3
組成が40wt%Pt/25wt%CeO/45wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と7.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、55度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度400rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、55℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、300℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、300度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、25m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は60m/gであり、 透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、5nm及び25nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が19体積%、Pt2価が37体積%及びPt4価が4体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、1.7であった。
加えて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、160nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、1.05V (vs.RHE)と十分に高いものであり、同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
Experiment No. 3
Composition such that 40wt% Pt / 25wt% CeO 2 / 45wt% C, as a starting material, 1.0 mole / liter of cerium nitrate (99.99%) and 7.5 mole / liter aqueous solution of ammonium carbonate (Purity 99.5%) was prepared, and the aqueous solution of cerium nitrate was dropped into the aqueous ammonium carbonate solution heated to 55 ° C. at a rate of 1 milliliter per minute while stirring sufficiently at a stirring speed of 400 rpm. Produced. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 55 ° C. for 24 hours.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was subsequently calcined at 300 ° C. for 2 hours under an oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce a crystalline ceria powder. 1 was confirmed to be composed of a single crystal phase of fluorite by an X-ray diffraction test.
After that, this nano-CeO 2 powder is platinum chloride so that a predetermined amount of Pt is supported using a 1 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less. The acid aqueous solution is diluted, and a solution dispersed in distilled water is prepared together with carbon black. After mixing the nano-CeO 2 powder and stirring with a magnetic stirrer for 2 hours, the container is sealed and dried. The sample was transferred into the prepared glove box and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 300 ° C. for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles that appeared on the cathode surface thus obtained was 25 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method was 60 m 2 / g, and the particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and an operation electron microscope were 5 nm and 25 nm, respectively. .
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, Pt1 value was 19% by volume, Pt2 value was 37% by volume, and Pt4 value was 4% by volume for all Pt.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 1.7.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, area calculation was performed using image analysis software, and the result was 160 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was sufficiently high as 1.05 V (vs. RHE), and at the same time, Koutecky showing the electrode reaction mechanism. The n value obtained from the -Levich plot was about 4, and it was confirmed that the reaction was a four-electron reaction.

実験No.4
組成が20 wt%Pt/25wt%CeO/55wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、400度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、35m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は45m/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、4nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が8体積%、Pt2価が29体積%及びPt4価が3体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、1.4であった。
加えて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、120nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.94V (vs.RHE)と十分に高いものであり、同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
Experiment No. 4
Composition such that 20 wt% Pt / 25wt% CeO 2 / 55wt% C, as a starting material, 1.0 mole / liter of cerium nitrate (99.99%) and 2.5 mol / l of ammonium carbonate An aqueous solution (purity 99.5%) was prepared, and the aqueous solution of cerium nitrate was dropped into an aqueous ammonium carbonate solution heated to 65 ° C. at a rate of 1 milliliter per minute while stirring sufficiently at a stirring speed of 600 rpm. Was made. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 65 ° C. for 24 hours.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was subsequently calcined at 400 ° C. for 2 hours under oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce crystalline ceria powder. 1 was confirmed to be composed of a single crystal phase of fluorite by an X-ray diffraction test.
After that, this nano-CeO 2 powder is platinum chloride so that a predetermined amount of Pt is supported using a 1 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less. The acid aqueous solution is diluted, and a solution dispersed in distilled water is prepared together with carbon black. After mixing the nano-CeO 2 powder and stirring with a magnetic stirrer for 2 hours, the container is sealed and dried. The sample was transferred into the prepared glove box and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 400 ° C. for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles appearing on the cathode surface thus obtained was 35 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method was 45 m 2 / g, and the particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and an operation electron microscope were 4 nm and 30 nm, respectively. .
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, Pt1 value was 8% by volume, Pt2 value was 29% by volume, and Pt4 value was 3% by volume for all Pt.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 1.4.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, area calculation was performed using image analysis software, and the result was 120 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was sufficiently high as 0.94 V (vs. RHE), and at the same time, Koutecky showing the electrode reaction mechanism. The n value obtained from the -Levich plot was about 4, and it was confirmed that the reaction was a four-electron reaction.

実験No.5
組成が20wt%Pt/30wt%CeO/50wt%Cになるように、出発原料として、2.5モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と7.5モル/リットルの炭酸水素アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、攪拌速度400rpmにおいて十分に攪拌しながら、58度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、硝酸セリウム水溶液を毎分0.1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、58℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、350℃の温度で1時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、0.06モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、350度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、28m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は48m/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、5nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が9体積%、Pt2価が27体積%及びPt4価が3体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、1.4であった。
くわえて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、109nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.96V (vs.RHE)と十分に高いものであり、同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であり、4電子反応であることも確認した。
Experiment No. 5
Composition so is 20wt% Pt / 30wt% CeO 2 / 50wt% C, as a starting material, 2.5 moles / liter cerium nitrate (99.99%) and 7.5 mole / liter ammonium bicarbonate An aqueous solution (purity 99.5%) was prepared, and the cerium nitrate aqueous solution was added dropwise at a rate of 0.1 milliliter per minute to the ammonium carbonate aqueous solution heated to 58 degrees with sufficient stirring at a stirring speed of 400 rpm. To prepare a precipitate. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 58 ° C. for 24 hours.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was subsequently calcined at 350 ° C. for 1 hour under oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce crystalline ceria powder. 1 was confirmed to be composed of a single crystal phase of fluorite by an X-ray diffraction test.
After that, this nano-CeO 2 powder is supported in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less so that a predetermined amount of Pt is supported using 0.06 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution. Dilute chloroplatinic acid aqueous solution, prepare carbon black and disperse solution in distilled water, mix nano-CeO 2 powder in it, stir with magnetic stirrer for 2 hours, seal container and dry The sample was transferred to a glove box prepared for use and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 350 ° C. for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles appearing on the cathode surface thus obtained was 28 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method was 48 m 2 / g, and the particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and a manipulation electron microscope were 5 nm and 30 nm, respectively. .
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, Pt1 value was 9% by volume, Pt2 value was 27% by volume, and Pt4 value was 3% by volume for all Pt.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 1.4.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, area calculation using image analysis software was 109 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was sufficiently high as 0.96 V (vs. RHE), and at the same time, Koutecky showing the electrode reaction mechanism. The n value obtained from the -Levich plot was about 4, and it was confirmed that the reaction was a four-electron reaction.

比較例Comparative example

実験No.6
組成が0.005wt%Pt/30wt%CeO/69.995wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、400度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、28m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は45m/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、5nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が2体積%、Pt2価が7体積%及びPt4価が12体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.2であった。
くわえて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、10nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.76V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約2であり、2電子反応(Hが生成する反応)であり、燃料電池用電極として好ましい電極ではないことが分かった。
Experiment No. 6
1.0 mol / liter cerium nitrate (purity 99.99%) and 2.5 mol / liter as starting materials so that the composition is 0.005 wt% Pt / 30 wt% CeO 2 /69.995 wt% C Aqueous ammonium carbonate aqueous solution (purity 99.5%) was prepared, and the aqueous cerium nitrate solution was dropped into the aqueous ammonium carbonate solution heated to 65 degrees at a rate of 1 milliliter per minute while stirring sufficiently at a stirring speed of 600 rpm. To produce a precipitate. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 65 ° C. for 24 hours.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was subsequently calcined at 400 ° C. for 2 hours under oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce crystalline ceria powder. 1 was confirmed to be composed of a single crystal phase of fluorite by an X-ray diffraction test.
After that, this nano-CeO 2 powder is platinum chloride so that a predetermined amount of Pt is supported using a 1 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less. The acid aqueous solution is diluted, and a solution dispersed in distilled water is prepared together with carbon black. After mixing the nano-CeO 2 powder and stirring with a magnetic stirrer for 2 hours, the container is sealed and dried. The sample was transferred into the prepared glove box and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 400 ° C. for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles appearing on the cathode surface thus obtained was 28 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method was 45 m 2 / g, and the particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and an operation electron microscope were 5 nm and 30 nm, respectively. .
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, Pt1 value was 2% by volume, Pt2 value was 7% by volume, and Pt4 value was 12% by volume for all Pt.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 0.2.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, the area was calculated using image analysis software and found to be 10 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was not sufficiently high, 0.76 V (vs. RHE). At the same time, the n value obtained from the Koutecky-Levich plot showing the electrode reaction mechanism is about 2, indicating that it is a two-electron reaction (a reaction in which H 2 O 2 is generated) and is not a preferable electrode as a fuel cell electrode. It was.

実験No.7
組成が20wt%Pt/5wt%CeO/75wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、700度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、10m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は45m/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、19nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が3体積%、Pt2価が8体積%及びPt4価が14体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.2であった。
加えて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、13nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.79V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
Experiment No. 7
Composition so is 20wt% Pt / 5wt% CeO 2 / 75wt% C, as a starting material, 1.0 mole / liter of cerium nitrate (99.99%) and 2.5 mol / l of an aqueous solution of ammonium carbonate (Purity 99.5%) was prepared, and the aqueous solution of cerium nitrate was dropped into the aqueous ammonium carbonate solution heated to 65 ° C. at a rate of 1 milliliter per minute while stirring sufficiently at a stirring speed of 600 rpm. Produced. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 65 ° C. for 24 hours.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was subsequently calcined at 400 ° C. for 2 hours under oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce crystalline ceria powder. 1 was confirmed to be composed of a single crystal phase of fluorite by an X-ray diffraction test.
After that, this nano-CeO 2 powder is platinum chloride so that a predetermined amount of Pt is supported using a 1 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less. The acid aqueous solution is diluted, and a solution dispersed in distilled water is prepared together with carbon black. After mixing the nano-CeO 2 powder and stirring with a magnetic stirrer for 2 hours, the container is sealed and dried. The sample was transferred into the prepared glove box and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 700 ° C. for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles that appeared on the cathode surface thus obtained was 10 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method was 45 m 2 / g, and the particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and a manipulation electron microscope were 19 nm and 30 nm, respectively. .
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, Pt1 value was 3% by volume, Pt2 value was 8% by volume, and Pt4 value was 14% by volume for all Pt.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 0.2.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, area calculation was performed using image analysis software, and the result was 13 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was not sufficiently high, 0.79 V (vs. RHE). At the same time, the n value obtained from the Koutecky-Levic plot showing the electrode reaction mechanism was about 4.

実験No.8
組成が20wt%Pt/30wt%CeO/50wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、90度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度1000rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、90℃の温度で、24時間熟成を行った。ただし、回転数が早いことから、一部の溶液が飛散し、収量がわずかに低下した。また、90度という高い温度における沈殿生成に伴い、生成した沈殿が大きく成長し、攪拌を停止後、直ちに沈殿に沈降が確認された。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、800度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、8m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は5m/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、19nm及び68nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が3体積%、Pt2価が6体積%及びPt4価が15体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.3であった。
加えて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、20nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.72V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
Experiment No. 8
Composition so is 20wt% Pt / 30wt% CeO 2 / 50wt% C, as a starting material, 1.0 mole / liter of cerium nitrate (99.99%) and 2.5 mol / l of an aqueous solution of ammonium carbonate (Purity 99.5%) was prepared, and the aqueous solution of cerium nitrate was dropped into the aqueous ammonium carbonate solution heated to 90 ° C. at a rate of 1 milliliter per minute while stirring sufficiently at a stirring speed of 1000 rpm. Produced. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 90 ° C. for 24 hours. However, since the rotational speed was fast, some of the solution was scattered and the yield was slightly reduced. In addition, with the formation of precipitates at a high temperature of 90 degrees, the generated precipitates grew greatly, and immediately after the stirring was stopped, sedimentation was confirmed in the precipitates.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was subsequently calcined at 400 ° C. for 2 hours under oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce crystalline ceria powder. 1 was confirmed to be composed of a single crystal phase of fluorite by an X-ray diffraction test.
After that, this nano-CeO 2 powder is platinum chloride so that a predetermined amount of Pt is supported using a 1 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less. The acid aqueous solution is diluted, and a solution dispersed in distilled water is prepared together with carbon black. After mixing the nano-CeO 2 powder and stirring with a magnetic stirrer for 2 hours, the container is sealed and dried. The sample was transferred into the prepared glove box and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 800 ° C. for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles that appeared on the cathode surface thus obtained was 8 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method was 5 m 2 / g, and the particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and a manipulation electron microscope were 19 nm and 68 nm, respectively. .
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, Pt1 value was 3% by volume, Pt2 value was 6% by volume, and Pt4 value was 15% by volume for all Pt.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 0.3.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, the area was calculated using image analysis software and found to be 20 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was not sufficiently high at 0.72 V (vs. RHE). At the same time, the n value obtained from the Koutecky-Levic plot showing the electrode reaction mechanism was about 4.

実験No.9
組成が20wt%Pt/30wt%CeO/50wt%Cになるように、出発原料として、10モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と12モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、65度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、65℃の温度で、24時間熟成を行った。生成した前駆体の粒径は大変大きく、攪拌操作停止後に、ただちに沈殿生成物の沈殿が確認された。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、900℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、400度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、28m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は8m/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、5nm及び60nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が1体積%、Pt2価が6体積%及びPt4価が16体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.3であった。
加えて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、20nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.72V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
Experiment No. 9
Composition so is 20wt% Pt / 30wt% CeO 2 / 50wt% C, as a starting material, 10 mol / l of cerium nitrate (99.99%) and 12 mol / l of ammonium carbonate aqueous solution (purity 99. 5%) was prepared, and a cerium nitrate aqueous solution was dropped into an aqueous ammonium carbonate solution heated to 65 ° C. at a rate of 1 milliliter per minute while stirring sufficiently at a stirring speed of 600 rpm. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 65 ° C. for 24 hours. The particle size of the produced precursor was very large, and immediately after the stirring operation was stopped, precipitation of the precipitated product was confirmed.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was then calcined at 900 ° C. for 2 hours under an oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce crystalline ceria powder. 1 was confirmed to be composed of a single crystal phase of fluorite by an X-ray diffraction test.
After that, this nano-CeO 2 powder is platinum chloride so that a predetermined amount of Pt is supported using a 1 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less. The acid aqueous solution is diluted, and a solution dispersed in distilled water is prepared together with carbon black. After mixing the nano-CeO 2 powder and stirring with a magnetic stirrer for 2 hours, the container is sealed and dried. The sample was transferred into the prepared glove box and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 400 ° C. for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles appearing on the cathode surface thus obtained was 28 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method was 8 m 2 / g, and the particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and a manipulation electron microscope were 5 nm and 60 nm, respectively. .
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, Pt1 value was 1% by volume, Pt2 value was 6% by volume, and Pt4 value was 16% by volume for all Pt.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 0.3.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, the area was calculated using image analysis software and found to be 20 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was not sufficiently high at 0.72 V (vs. RHE). At the same time, the n value obtained from the Koutecky-Levic plot showing the electrode reaction mechanism was about 4.

実験No.10
組成が20wt%Pt/30wt%CeO/50wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、60度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、60℃の温度で、20分間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、200度の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成したが、実験No.1同様のホタル石単一の結晶相は確認できず、炭酸塩、水酸化物に帰属されるピークが、X線回折試験により確認された。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、900度、2時間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、5m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子を含む混合物の比表面積は6m/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、20nm及び58nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価のピークは観察されず、Pt2価は5体積%、Pt4価は19体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.3であった。
加えて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、18nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.73V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
Experiment No. 10
Composition so is 20wt% Pt / 30wt% CeO 2 / 50wt% C, as a starting material, 1.0 mole / liter of cerium nitrate (99.99%) and 2.5 mol / l of an aqueous solution of ammonium carbonate (Purity 99.5%) was prepared, and the aqueous solution of cerium nitrate was dropped into the aqueous ammonium carbonate solution heated to 60 ° C. at a rate of 1 milliliter per minute with sufficient stirring at a stirring speed of 600 rpm. Produced. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 60 ° C. for 20 minutes.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was subsequently calcined at a temperature of 200 ° C. for 2 hours under an oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce a crystalline ceria powder. No single crystal phase of fluorite similar to 1 could be confirmed, and peaks attributed to carbonates and hydroxides were confirmed by X-ray diffraction tests.
After that, this nano-CeO 2 powder is platinum chloride so that a predetermined amount of Pt is supported using a 1 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less. The acid aqueous solution is diluted, and a solution dispersed in distilled water is prepared together with carbon black. After mixing the nano-CeO 2 powder and stirring with a magnetic stirrer for 2 hours, the container is sealed and dried. The sample was transferred into the prepared glove box and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 900 ° C. for 2 hours while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles appearing on the cathode surface thus obtained was measured using a CO striping method, and as a result, 5 m 2 / g, B.I. E. The specific surface area of the mixture containing CeO 2 particles measured by the T method is 6 m 2 / g, and the particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and a manipulation electron microscope are 20 nm and 58 nm, respectively. Met.
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, no peak of Pt1 value was observed for all Pt, Pt2 value was 5% by volume, and Pt4 value was 19% by volume.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 0.3.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, area calculation was performed using image analysis software, and the result was 18 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was not sufficiently high at 0.73 V (vs. RHE). At the same time, the n value obtained from the Koutecky-Levic plot showing the electrode reaction mechanism was about 4.

実験No.11;
組成が20wt%Pt/30wt%CeO/50wt%Cになるように、出発原料として、1.0モル/リットルの硝酸セリウム(純度99.99%)と2.5モル/リットルの炭酸アンモニウム水溶液(純度99.5%)を調製し、60度に熱した炭酸アンモニウム水溶液中に、攪拌速度600rpmにおいて十分に攪拌しながら、硝酸セリウム水溶液を毎分1ミリ・リットルの速度で滴下して沈殿を作製した。硝酸セリウム水溶液滴下終了後、60℃の温度で、24時間熟成を行った。
こうして得られた沈殿は、水洗処理とろ過とを交互に3回繰り返したのち、乾燥窒素ガス中において、2日間乾燥し、前駆体粉末を作製した。前駆体粉末は引き続き、酸素流通下(毎分150ミリ・リットル)において、400℃の温度で2時間仮焼して、結晶性セリア粉末を作成し、実験No.1同様、ホタル石単一の結晶相からなることをX線回折試験により確認した。
そののち、このナノCeO粉末を、10ppm以下に水分量を制御したグローブボックスの中で、1モル/リットルの塩化白金酸水溶液を用いて所定量のPt量が担持されるように、塩化白金酸水溶液を希釈し、カーボンブラックとともに、蒸留水中に分散した溶液を作製し、その中にナノCeO粉末を混合して、マグネティック・スターラーで2時間攪拌したのち、容器を密封し、乾燥用に用意したグローブボックス内に移し、同じく水分量を10ppm以下に制御した乾燥用グローブボックス内で、スターラーを用いて穏やかに攪拌しながら室温において乾燥し、実験No.1同様に、高純度水素ガスを毎分150ミリリットルの流速で流しながら、200度、20分間焼成を行い、カソード粉末を作成した。
こうして得られたカソード表面上に現れたPt粒子の比表面積は、COストリピング法を用いて測定した結果、7m/g、B.E.T法により測定されたCeO粒子の比表面積は35m/gであり、透過電子顕微鏡や操作型電子顕微鏡を用いて観察したPt及びCeOの粒子径は、それぞれ、20nm及び30nmであった。
また、作製した電極物質活物質表面上のPtの価数は、実験No.1同様の方法で測定した結果、すべてのPtに対して、Pt1価が1体積%、Pt2価が3体積%及びPt4価が14体積%の値を示した。
Ce3価およびCe4価の割合は、実験No.1同様の方法を用いて分析を行った結果、Ce3+/Ce4+比は、0.2であった。
加えて、CeO上に拡散したPtの領域は、実験No.1同様な観察結果をもとに、画像解析ソフトを用いて面積計算を行ったところ、15nmであった。
こうして得られた電極活物質を、実験No.1同様の方法で、カソード触媒活性の評価を行ったところ、酸素還元反応のオンセット・ポテンシャルは、0.75V (vs.RHE)と十分に高いものにはならなかった。同時に、電極反応機構を示すKoutecky−Levich プロットからもとめたn値は約4であった。
Experiment No. 11;
Composition so is 20wt% Pt / 30wt% CeO 2 / 50wt% C, as a starting material, 1.0 mole / liter of cerium nitrate (99.99%) and 2.5 mol / l of an aqueous solution of ammonium carbonate (Purity 99.5%) was prepared, and the aqueous solution of cerium nitrate was dropped into the aqueous ammonium carbonate solution heated to 60 ° C. at a rate of 1 milliliter per minute with sufficient stirring at a stirring speed of 600 rpm. Produced. After completion of the dropwise addition of the cerium nitrate aqueous solution, aging was performed at a temperature of 60 ° C. for 24 hours.
The thus obtained precipitate was alternately washed with water and filtered three times, and then dried in dry nitrogen gas for 2 days to prepare a precursor powder. The precursor powder was subsequently calcined at 400 ° C. for 2 hours under oxygen flow (150 milliliters per minute) to produce crystalline ceria powder. 1 was confirmed to be composed of a single crystal phase of fluorite by an X-ray diffraction test.
After that, this nano-CeO 2 powder is platinum chloride so that a predetermined amount of Pt is supported using a 1 mol / liter chloroplatinic acid aqueous solution in a glove box whose water content is controlled to 10 ppm or less. The acid aqueous solution is diluted, and a solution dispersed in distilled water is prepared together with carbon black. After mixing the nano-CeO 2 powder and stirring with a magnetic stirrer for 2 hours, the container is sealed and dried. The sample was transferred into the prepared glove box and dried at room temperature with gentle stirring using a stirrer in a glove box for drying whose moisture content was controlled to 10 ppm or less. 1 was fired at 200 ° C. for 20 minutes while flowing high-purity hydrogen gas at a flow rate of 150 ml / min to prepare cathode powder.
The specific surface area of the Pt particles appearing on the cathode surface thus obtained was 7 m 2 / g as a result of measurement using a CO striping method. E. The specific surface area of the CeO 2 particles measured by the T method was 35 m 2 / g, and the particle diameters of Pt and CeO 2 observed using a transmission electron microscope and an operation electron microscope were 20 nm and 30 nm, respectively. .
In addition, the valence of Pt on the surface of the produced electrode material active material was determined according to Experiment No. 1 As a result of measurement by the same method, Pt1 value was 1% by volume, Pt2 value was 3% by volume, and Pt4 value was 14% by volume for all Pt.
The ratio of Ce trivalent and Ce tetravalent was determined according to Experiment No. 1 As a result of analysis using the same method, the Ce 3+ / Ce 4+ ratio was 0.2.
In addition, the region of Pt diffused on CeO 2 is shown in Experiment No. 1 Based on the same observation results, area calculation was performed using image analysis software, and the result was 15 nm 2 .
The electrode active material thus obtained was used as an experiment No. 1 When the cathode catalyst activity was evaluated by the same method, the onset potential of the oxygen reduction reaction was not sufficiently high at 0.75 V (vs. RHE). At the same time, the n value obtained from the Koutecky-Levic plot showing the electrode reaction mechanism was about 4.

以上の実験を総合すると、本発明の特許請求の範囲で規定した、一般式に基づく組成式で規定されるカソード材料であって、電極活物質表面に、白金1価および2価、白金比表面積、CeO表面積、及びPtがCeO表面に拡散した領域の面積がそれぞれ特定の値を有してなる場合、その範囲外に比し極めて高いカソード活性を有することが明らかにされた。 Summarizing the above experiments, the cathode material defined by the composition formula based on the general formula defined in the claims of the present invention, which has a monovalent and bivalent platinum surface area on the surface of the electrode active material. When the surface area of CeO 2 and the area of the region where Pt diffuses on the CeO 2 surface have specific values, it has been clarified that the cathode activity is extremely high compared to the range outside the range.

近年、温暖化対策の一環として二酸化炭素削減が叫ばれる一方、高まるエネルギー需要に応えるために、家庭用高出力小型燃料電池の開発が活発に進められている。こうした家庭用小型燃料電池の開発には、高い発電性能を発現させるために必要な、高性能カソード材料の研究、開発が必要不可欠である。
高分子形燃料電池は、現在、家庭用燃料電池として、多くの家庭で利用され始めているが、実際に集合住宅などで用いるのは、その大きさが大きく、かつ寿命も3年程度と短い。
大きさを小さくするためには、燃料電池の性能を向上させ、燃料電池デバイスの大きさを小さくする必要がある。カソード上における大きな過電圧による損失は、燃料電池デバイスの性能を大きく低下させるが、一方、このカソード上の損失を小さくすることは、燃料電池の性能を大きく向上させることにつながり、燃料電池を集合住宅においても活用する道を拓くものと期待される。
また、燃料電池の寿命は、固体電解質膜の劣化と、電極性能の劣化が大きな要因とされている。そこで、燃料電池用カソードの高性能化を達成し、家庭で用いる電源として機能を十分に保障する期間を長くすることで、実用上の家庭用燃料電池の寿命を延ばすことにつながり、燃料電池の普及が、いっそう促進されるものと期待される。
本発明は、まさにこのニーズに対応した新規カソード材料を提供するもので、高性能なPt/CeO/導電性炭素系ナノへテロソード材料を用いることで、燃料電池の小型化・実用上の長寿命化につながり、結果として燃料電池デバイスの一般家庭への普及が大いに促進されるものと考えられることから、今後大いに利用されることが期待される。また本発明の優れた特性を有する電極材料は、極めて多角的且つ基本的な観点に立脚してナノレベルで新たな知見を得、その上で開発することに成功したものであるところから、極めて安定した品質が保証され、今後は、燃料電池のみならず、各種技術分野において優れた固体電解質として供され、且つ利用されるものと期待される。とくに、白金使用量の少ない高性能電極であるころからその利用範囲は広く、新産業創出へと発展することが期待される。
In recent years, carbon dioxide reduction has been called out as part of global warming countermeasures, and in order to meet increasing energy demand, development of high-power small-sized fuel cells for home use has been actively promoted. Research and development of high-performance cathode materials necessary to develop high power generation performance is indispensable for the development of such small household fuel cells.
Polymer fuel cells are now being used in many homes as household fuel cells, but they are actually used in apartment buildings and the like, and are large in size and have a short lifetime of about 3 years.
In order to reduce the size, it is necessary to improve the performance of the fuel cell and reduce the size of the fuel cell device. Loss due to a large overvoltage on the cathode greatly reduces the performance of the fuel cell device, while reducing the loss on the cathode greatly improves the performance of the fuel cell, and the fuel cell is installed in a housing complex. It is expected that it will open up the way to utilize it.
In addition, the life of the fuel cell is largely attributed to deterioration of the solid electrolyte membrane and electrode performance. Therefore, by achieving high performance of the cathode for fuel cells and extending the period of sufficiently ensuring the function as a power source used at home, it will extend the life of practical home fuel cells, The spread is expected to be further promoted.
The present invention provides a novel cathode material that exactly meets this need. By using a high-performance Pt / CeO 2 / conductive carbon-based nanoheterosode material, the fuel cell can be reduced in size and practically used. It is expected to be used in the future because it will lead to a long life, and as a result, the spread of fuel cell devices to general households will be greatly promoted. In addition, the electrode material having excellent characteristics of the present invention is based on an extremely diversified and basic viewpoint, obtained new knowledge at the nano level, and has been successfully developed on that basis. Stable quality is guaranteed, and it is expected that it will be used and used as an excellent solid electrolyte not only in fuel cells but also in various technical fields. In particular, since it is a high-performance electrode with a small amount of platinum, its range of use is wide and it is expected to develop into the creation of new industries.

(Takao Toda, Hiroshi Igarashi, Hiroyuki Uchida, and Masahiro Watanabe, Journal of The Electrochemical Society, 146(10), 3750−3756(1999).)(Takao Toda, Hiroshi Igarashi, Hiroyuki Uchida, and Masahiro Watanabe, Journal of The Electrochemical Society, 146 (10), 3750-56). (K.Sasaki, L.Zhang, and R.R.Adzic, Physical Chemistry Chemical Physics, 10, 159−167(2008).)(K. Sasaki, L. Zhang, and RR Adzic, Physical Chemistry Chemical Physics, 10, 159-167 (2008).) C. Bock and B. MacDougall, ‘‘Novel method for the estimation of the electroactive Pt area,’’ J. Electrochem. Society, 150, E377−E383 (2003).C. Bock and B.B. Mac Dougall, ‘’ Novel method for the estimation of the electroactive Ptarea, ’“ J. Electrochem. Society, 150, E377-E383 (2003).

Claims (9)

Pt粒子を電極物質とし、炭素粒子を導電物質としたカソード材料であって、前記Pt粒子がセリア粒子表面に担持されているとともに、前記Pt粒子表面に、Pt1価が5体積%以上存在することを特徴とするカソード材料。 A cathode material using Pt particles as an electrode material and carbon particles as a conductive material, the Pt particles being supported on the surface of the ceria particles , and having a Pt1 value of 5% by volume or more on the surface of the Pt particles. Cathode material characterized by 請求項1に記載のカソード材料において、Pt2価が、10体積%以上存在することを特徴とするカソード材料。 The cathode material according to claim 1, wherein the Pt2 value is 10% by volume or more . 請求項1または2のいずれかに記載のカソード材料において、Pt4価の存在割合が、10体積%以下でありかつ4電子反応を示すことを特徴とするカソード材料。 3. The cathode material according to claim 1, wherein the Pt tetravalent abundance ratio is 10% by volume or less and exhibits a four-electron reaction. 4 . 請求項1から3のいずれかに記載のカソード材料において、Pt粒子の比表面積が20m /g以上(COストリピング法による)であることを特徴とするカソード材料。 4. The cathode material according to claim 1, wherein the specific surface area of the Pt particles is 20 m 2 / g or more (by CO stripping method) . 5. 請求項1から4のいずれかに記載のカソード材料において、セリア粒子の比表面積が20m /g以上70m /g以下(B.E.T法による)であることを特徴とするカソード材料。 5. The cathode material according to claim 1, wherein the specific surface area of the ceria particles is 20 m 2 / g or more and 70 m 2 / g or less (according to the BET method) . 請求項1から5のいずれかに記載のカソード材料において、その組成を示す一般式を Pt/ CeO carbon(Z=100−X−Y)としたとき、0.01≦X≦70、20≦Y≦40であることを特徴とするカソード材料。 In the cathode material according to any one of claims 1 to 5, when the general formula indicating the composition is X Pt / Y CeO 2 / Z carbon (Z = 100−XY), 0.01 ≦ X ≦ A cathode material, wherein 70 and 20 ≦ Y ≦ 40 . 請求項1から6のいずれかに記載のカソード材料において、CeO 上に拡散したPtの領域が活性サイトとなることを特徴とするカソード材料。 The cathode material according to claim 1, wherein a Pt region diffused on CeO 2 serves as an active site . 請求項7に記載のカソード材料において、前記活性サイトの面積が1×10 平方ナノメーター以上4×10 平方ナノメーター以下であることを特徴とするカソード材料。 The cathode material according to claim 7 , wherein the active site has an area of 1 × 10 2 square nanometers or more and 4 × 10 2 square nanometers or less . 請求項1から8のいずれかに記載のカソード材料において、Ce 3+ /Ce 4+ 比が1.0以上となることを特徴とし、かつ4電子反応を示すことを特徴とするカソード材料。
The cathode material according to any one of claims 1 to 8, wherein the Ce 3+ / Ce 4+ ratio is 1.0 or more and exhibits a four-electron reaction .
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