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JP7782385B2 - catalyst - Google Patents
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JP7782385B2 - catalyst - Google Patents

catalyst

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JP7782385B2 JP2022118336A JP2022118336A JP7782385B2 JP 7782385 B2 JP7782385 B2 JP 7782385B2 JP 2022118336 A JP2022118336 A JP 2022118336A JP 2022118336 A JP2022118336 A JP 2022118336A JP 7782385 B2 JP7782385 B2 JP 7782385B2
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Description

本開示は、触媒に関する。 This disclosure relates to catalysts.

電気化学的酸素還元用の触媒について様々な研究がなされている。
特許文献1では、白金を含有するナノ粒子と、メラミン化合物、チオシアヌル酸化合物、並びに前記メラミン化合物若しくは前記チオシアヌル酸化合物をモノマーとする重合体よりなる群から選ばれる少なくとも1種とを含有する、電気化学的酸素還元用触媒が開示されている。
Various studies have been conducted on catalysts for electrochemical oxygen reduction.
Patent Document 1 discloses an electrochemical oxygen reduction catalyst containing platinum-containing nanoparticles and at least one selected from the group consisting of a melamine compound, a thiocyanuric acid compound, and a polymer containing the melamine compound or the thiocyanuric acid compound as a monomer.

国際公開第2019/221156号International Publication No. 2019/221156

酸素還元活性を有する触媒に触媒性能向上のために添加剤として有機窒素化合物を添加した場合であっても、金属粒子に添加剤が吸着せず、添加剤による触媒性能向上効果が発現しない場合がある。 Even when an organic nitrogen compound is added as an additive to a catalyst with oxygen reduction activity to improve catalytic performance, the additive may not be adsorbed onto the metal particles, and the additive's catalytic performance improvement effect may not be realized.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、有機窒素化合物を含み、且つ、触媒性能を向上させることができる触媒を提供することを主目的とする。 The present disclosure was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its primary objective is to provide a catalyst that contains an organic nitrogen compound and can improve catalytic performance.

本開示においては、酸素還元活性を有する金属粒子と、担体と、添加剤とを有し、
前記金属粒子は、前記担体に担持され、
前記添加剤は、少なくとも1種の有機窒素化合物であり、
前記担体のBET比表面積が641m-1 support以下であることを特徴とする、触媒を提供する。
In the present disclosure, there is provided a catalyst comprising metal particles having oxygen reduction activity, a support, and an additive,
the metal particles are supported on the support,
the additive is at least one organic nitrogen compound;
The catalyst is characterized in that the BET specific surface area of the support is 641 m 2 g −1 support or less.

本開示は、有機窒素化合物を含み、且つ、触媒性能を向上させることができる触媒を提供することができる。 The present disclosure provides a catalyst that contains an organic nitrogen compound and can improve catalytic performance.

図1は、実施例1~4、比較例1で用いた担体の平均細孔径と触媒質量活性向上倍率との関係を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the average pore diameter of the carriers used in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and the catalyst mass activity improvement ratio. 図2は、実施例1~4、比較例1で用いた担体のBET比表面積と触媒質量活性向上倍率との関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the BET specific surface area of the carriers used in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and the catalyst mass activity improvement ratio. 図3は、実施例1~4、比較例1で用いた担体の2-30nmの総細孔容量と触媒質量活性向上倍率との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the total pore volume of 2-30 nm of the carriers used in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and the catalyst mass activity improvement ratio.

以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄(例えば、本開示を特徴付けない触媒の一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
本明細書において数値範囲を示す「~」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described. It should be noted that matters other than those specifically mentioned in this specification that are necessary for implementing the present disclosure (for example, the general configuration and manufacturing process of the catalyst that do not characterize the present disclosure) can be understood as design matters for those skilled in the art based on prior art in the relevant field. The present disclosure can be implemented based on the contents disclosed in this specification and common general technical knowledge in the relevant field.
In this specification, the use of "to" to indicate a range of values means that the values before and after it are included as the lower and upper limits.
Any combination of upper and lower limits in the numerical range can be adopted.

1.触媒
本開示においては、酸素還元活性を有する金属粒子と、担体と、添加剤とを有し、
前記金属粒子は、前記担体に担持され、
前記添加剤は、少なくとも1種の有機窒素化合物であり、
前記担体のBET比表面積が641m-1 support以下であることを特徴とする、触媒を提供する。
1. Catalyst In the present disclosure, a catalyst is provided which comprises metal particles having oxygen reduction activity, a support, and an additive,
the metal particles are supported on the support,
the additive is at least one organic nitrogen compound;
The catalyst is characterized in that the BET specific surface area of the support is 641 m 2 g −1 support or less.

本開示においては、反応活性点である金属粒子を担体の外側表面に優先的に担持することで、添加剤による触媒性能向上効果を発現しやすくする。そのための方法として、平均細孔径が大きく、BET比表面積が小さく、細孔容量が小さい担体を使用することで、添加剤による触媒性能向上効果を確認することができることを見出した。 In this disclosure, the catalytic performance-enhancing effect of additives is more easily realized by preferentially supporting metal particles, which are reaction active sites, on the outer surface of the support. To achieve this, we have discovered that by using a support with a large average pore diameter, a small BET specific surface area, and a small pore volume, the catalytic performance-enhancing effect of additives can be confirmed.

本開示の触媒は、酸素還元活性を有する金属粒子と、担体と、添加剤とを有する。 The catalyst disclosed herein comprises metal particles having oxygen reduction activity, a support, and an additive.

添加剤は、少なくとも1種の有機窒素化合物である。
有機窒素化合物としては、窒素1モル当たりの乾燥重量を表す窒素当量が20~270g・eq-1を満たす化合物であってもよく、20~70g・eq-1を満たす化合物であってもよい。
窒素当量は、以下の式から算出することができる。なお、重合体の場合は当該モノマーの窒素当量を当該重合体の窒素当量とみなす。
窒素当量(g・eq-1)=分子量(g/mol)÷分子中の窒素物質量(mol/mol)
有機窒素化合物としては、アミン官能基を有する化合物であってもよく、ピリジン型窒素を有する化合物であってもよく、トリアジン環を含む化合物であってもよい。有機窒素化合物としては、下記一般式(1)で表されるモノマー、又は、少なくとも一部に当該モノマーを含むポリマーであってもよい。
The additive is at least one organic nitrogen compound.
The organic nitrogen compound may be a compound having a nitrogen equivalent, which represents the dry weight per mole of nitrogen, of 20 to 270 g·eq −1 , or may be a compound having a nitrogen equivalent of 20 to 70 g·eq −1 .
The nitrogen equivalent can be calculated from the following formula: In the case of a polymer, the nitrogen equivalent of the monomer is regarded as the nitrogen equivalent of the polymer.
Nitrogen equivalent (g·eq −1 ) = molecular weight (g/mol) ÷ amount of nitrogen substance in molecule (mol N /mol)
The organic nitrogen compound may be a compound having an amine functional group, a compound having pyridine-type nitrogen, or a compound containing a triazine ring. The organic nitrogen compound may be a monomer represented by the following general formula (1), or a polymer at least partially containing the monomer:

[ 一般式(1)中、R、R、Rは、それぞれ、水素原子、ハロゲン原子、又は、ニトリル基、アミド基、イミン基、アミノ基、チオール基、ヒドロキシル基、スルホ基、カルボン酸基、リン酸基、ケトン基、アルデヒド基、エステル基、アルコキシ基、フェノール基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、炭素数1~10のアルキルアミノ基、炭素数1~10のアルキルスルホン酸基、炭素数1~10のパーフルオロアルキル基、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のアルケニルアミノ基、炭素数1~10のアルケニルスルホン酸基、炭素数1~10のパーフルオロアルケニル基、及び、炭素数1~10のアルケニル基からなる官能基群より選ばれる1種の官能基であり、当該官能基は、それぞれ分子鎖に、前記官能基群より選ばれる少なくとも1種の官能基、芳香環、ヘテロ環、酸素原子、硫黄原子、窒素原子、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、及び、水素原子からなる群より選ばれる少なくとも1種を有していてもよい。] [In general formula (1), R 1 , R 2 , and R 3 each represent a hydrogen atom, a halogen atom, or a nitrile group, an amide group, an imine group, an amino group, a thiol group, a hydroxyl group, a sulfo group, a carboxylic acid group, a phosphate group, a ketone group, an aldehyde group, an ester group, an alkoxy group, a phenol group, a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, an alkylamino group having 1 to 10 carbon atoms, an alkylsulfonic acid group having 1 to 10 carbon atoms, a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or an alkenyl group having 1 to 10 carbon atoms. It is one functional group selected from the group consisting of an amino group, an alkenylsulfonic acid group having 1 to 10 carbon atoms, a perfluoroalkenyl group having 1 to 10 carbon atoms, and an alkenyl group having 1 to 10 carbon atoms, and the functional group may have, in the molecular chain, at least one functional group selected from the group consisting of the above functional groups, an aromatic ring, a heterocycle, an oxygen atom, a sulfur atom, a nitrogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom, and at least one atom selected from the group consisting of a hydrogen atom.]

一般式(1)中、R、R、Rは、それぞれ、1級アミン、2級アミン、3級アミン、又は、4級アンモニウムカチオンであってもよい。 In general formula (1), R 1 , R 2 and R 3 may each be a primary amine, a secondary amine, a tertiary amine or a quaternary ammonium cation.

有機窒素化合物としては、例えば、メラミン化合物(窒素当量21g・eq-1)、チオシアヌル酸化合物(窒素当量59g・eq-1)、シアヌル酸化合物(窒素当量34g・eq-1)、オレイルアミン(窒素当量267g・eq-1)、テトラデシルアミン(窒素当量213g・eq-1)、
2,4,6-Tris[bis(methoxymetyl)amino]-1,3,5-triazine(窒素当量65g・eq-1)、
6-(Dibutylamino)-1,3,5-triazine-2,4-dithiol(窒素当量68g・eq-1)、
2,4-Diamino-6-butylamino-1,3,5-triazine(窒素当量30 g eq-1)、
2,4,6-Tris(pentafluoroethyl)-1,3,5-triazine(窒素当量145g・eq-1)、及び、これらをモノマーとする重合体、並びに、
Poly(melamine-co-formaldehyde)methylated(窒素当量20~40g・eq-1)、及び、
Poly(melamine-co-formaldehyde)isobutylated(窒素当量20~40g・eq-1)等であってもよい。また、前述の添加剤を2種類以上含んでいてもよい。
メラミン化合物としては、メラミン、メラミンの誘導体等であってもよい。チオシアヌル酸化合物としては、チオシアヌル酸、チオシアヌル酸の誘導体等であってもよい。シアヌル酸化合物としては、シアヌル酸、シアヌル酸の誘導体等であってもよい。
メラミン化合物、チオシアヌル酸化合物、又はシアヌル酸化合物をモノマーとする重合体としては、上記したメラミン化合物、チオシアヌル酸化合物、又はシアヌル酸化合物を繰り返し単位の主鎖に有するメラミン樹脂、チオシアヌル酸樹脂、又はシアヌル酸樹脂等が挙げられる。
添加剤としては、上記の中でも、メラミン(1,3,5-triazine-2,4,6-triamine)、又は、当該メラミンの重合体であってもよい。重合体の場合は、モノマーの場合よりも金属粒子に吸着した後、脱離し難くなるため、吸着安定性が向上する。重合体は、重合度が1~10000の範囲であってもよい。
Examples of organic nitrogen compounds include melamine compounds (nitrogen equivalent: 21 g·eq −1 ), thiocyanuric acid compounds (nitrogen equivalent: 59 g·eq −1 ), cyanuric acid compounds (nitrogen equivalent: 34 g·eq −1 ), oleylamine (nitrogen equivalent: 267 g·eq −1 ), tetradecylamine (nitrogen equivalent: 213 g·eq −1 ),
2,4,6-Tris[bis(methoxymethyl)amino]-1,3,5-triazine (nitrogen equivalent 65 g·eq −1 ),
6-(Dibutylamino)-1,3,5-triazine-2,4-dithiol (nitrogen equivalent 68 g eq −1 ),
2,4-Diamino-6-butylamino-1,3,5-triazine (nitrogen equivalent 30 g eq -1 ),
2,4,6-Tris(pentafluoroethyl)-1,3,5-triazine (nitrogen equivalent: 145 g·eq −1 ), and polymers containing these as monomers, and
Poly(melamine-co-formaldehyde) methylated (nitrogen equivalent: 20 to 40 g·eq −1 ), and
Poly(melamine-co-formaldehyde) isobutylated (nitrogen equivalent: 20 to 40 g·eq −1 ), etc. Also, two or more of the above-mentioned additives may be contained.
The melamine compound may be melamine, a derivative of melamine, etc. The thiocyanuric acid compound may be thiocyanuric acid, a derivative of thiocyanuric acid, etc. The cyanuric acid compound may be cyanuric acid, a derivative of cyanuric acid, etc.
Examples of polymers containing a melamine compound, a thiocyanuric acid compound, or a cyanuric acid compound as a monomer include melamine resins, thiocyanuric acid resins, and cyanuric acid resins having the above-mentioned melamine compound, thiocyanuric acid compound, or cyanuric acid compound in the main chain of repeating units.
Among the additives listed above, melamine (1,3,5-triazine-2,4,6-triamine) or a polymer of the melamine may be used. The polymer is more difficult to desorb after adsorption onto metal particles than the monomer, improving adsorption stability. The polymer may have a degree of polymerization in the range of 1 to 10,000.

金属粒子は、酸素還元活性(酸素還元触媒能)を有する金属ではあればよく、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、及び、イットリウム等の金属が挙げられ、これらの金属を2種類以上用いてもよい。また、金属は酸化物、窒化物、硫化物、及び、リン化物等であってもよい。
金属粒子は、上記の中でも、白金粒子、白金合金粒子、及び、白金を含む複合粒子からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。
白金合金、及び、白金を含む複合粒子に含まれる、白金以外の金属は、例えば、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、及び、イットリウム等の金属が挙げられ、これらの金属を2種類以上含んでいてもよい。
白金合金中の白金以外の金属の元素比率は特に限定されず、0.11~50atm%であってもよい。
金属粒子の粒子径(粒径)は、特に限定されず、1~100nmであってもよい。
The metal particles may be any metal having oxygen reduction activity (oxygen reduction catalytic activity), such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, gadolinium, and yttrium, and two or more of these metals may be used. Furthermore, the metal may be an oxide, nitride, sulfide, phosphide, or the like.
Among the above, the metal particles may be at least one type selected from the group consisting of platinum particles, platinum alloy particles, and composite particles containing platinum.
Examples of metals other than platinum contained in the platinum alloy and the platinum-containing composite particles include ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, gadolinium, and yttrium, and the particles may contain two or more of these metals.
The element ratio of metals other than platinum in the platinum alloy is not particularly limited, and may be 0.11 to 50 atm %.
The particle size (particle diameter) of the metal particles is not particularly limited and may be 1 to 100 nm.

本開示において、粒子の粒径は、X線回折法により測定される平均結晶子径である。
粒子の粒径は、電子顕微鏡により100~1000個の粒子の粒径を測定し、これらの平均値を粒子の平均粒径としてもよい。本開示では上記2つの方法で粒径を測定した。
In the present disclosure, the particle size of particles is the average crystallite size measured by X-ray diffraction.
The particle size of the particles may be measured by an electron microscope for 100 to 1000 particles, and the average value of these particles may be used as the average particle size. In the present disclosure, particle size was measured by the above two methods.

本開示の触媒は、カーボン、及び、酸化物等の担体(担持体)を含む。
金属粒子は、担体に担持されている。
金属粒子を担体に担持させる方法は、特に限定されず、従来公知の方法を適宜採用することができる。
担体は、1次粒子であってもよく2次粒子であってもよい。
担体の1次粒子の粒径は、例えば、5~500nmであってもよい。
担体に担持される金属粒子の金属担持比率は、特に限定されず、1~60%であってもよく、18~48%であってもよい。
担体は、導電性を有するカーボン、及び、酸化物、または、これらの内少なくとも2種類を含む混合物等であってもよい。
カーボンは、カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ローラーブラック、ディスクブラック、オイルファーネスブラック、ガスファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、及び、VULCAN(登録商標)系カーボン等)、活性炭、黒鉛、グラッシーカーボン、グラファイト、グラフェン、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、窒化カーボン、硫黄化カーボン、及び、リン化カーボン、またはこれらの内少なくとも2種類を含む混合物等であってもよい。
酸化物は、チタン酸化物、ニオブ酸化物、スズ酸化物、タングステン酸化物、及び、モリブデン酸化物、またはこれらの内少なくとも2種類を含む混合物等であってもよい。
The catalyst of the present disclosure includes a support (carrier) such as carbon and an oxide.
The metal particles are supported on a carrier.
The method for supporting the metal particles on the carrier is not particularly limited, and any conventionally known method can be appropriately adopted.
The carrier may be either a primary particle or a secondary particle.
The particle size of the primary particles of the carrier may be, for example, 5 to 500 nm.
The metal loading ratio of the metal particles loaded on the carrier is not particularly limited, and may be 1 to 60%, or may be 18 to 48%.
The support may be a conductive carbon, an oxide, or a mixture containing at least two of these.
The carbon may be carbon black (acetylene black, ketjen black, channel black, roller black, disc black, oil furnace black, gas furnace black, lamp black, thermal black, VULCAN (registered trademark) type carbon, etc.), activated carbon, graphite, glassy carbon, graphene, carbon fiber, carbon nanotubes, carbon nitride, carbon sulfide, carbon phosphide, or a mixture containing at least two of these.
The oxide may be titanium oxide, niobium oxide, tin oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, or a mixture containing at least two of these.

本開示の触媒は、バインダーを含んでいてもよい。
バインダーは、イオン交換基を有する高分子電解質である。
イオン交換基を有する高分子電解質は、電解質、アイオノマ、イオノマ、又は、バインダーと呼ぶことがある。本開示では、以下バインダーと記載する。バインダーは、イオンを交換する高分子であればよく、イオン交換基として、スルホン酸、リン酸、及び、4級アンモニウムカチオン等を有していてもよい。バインダーは、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーであってもよく、アニオン交換ポリマーであってもよく、ポリエーテルエーテルケトン、及び、ポリベンズイミダゾール等を主成分とするポリマーであってもよい。
The catalyst of the present disclosure may also include a binder.
The binder is a polyelectrolyte having ion exchange groups.
A polymer electrolyte having an ion exchange group may be referred to as an electrolyte, ionomer, or binder. Hereinafter, the binder will be referred to as a binder. The binder may be any polymer that exchanges ions, and may have ion exchange groups such as sulfonic acid, phosphoric acid, and quaternary ammonium cations. The binder may be a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, an anion exchange polymer, or a polymer primarily composed of polyether ether ketone, polybenzimidazole, or the like.

[担体のBET比表面積(m-1 support)]
本開示の触媒においては、前記担体のBET比表面積が641m-1 support以下であればよく、224m-1 support以上であってもよい。
[BET specific surface area of support (m 2 g −1 support )]
In the catalyst of the present disclosure, the BET specific surface area of the support may be 641 m 2 g −1 support or less, and may be 224 m 2 g −1 support or more.

[担体の平均細孔径]
本開示の触媒においては、前記担体の平均細孔径が7.7nm以上であってもよく、11.5nm以下であってもよい。
[Average pore diameter of carrier]
In the catalyst of the present disclosure, the average pore diameter of the support may be 7.7 nm or more and 11.5 nm or less.

[担体の2.0-30nm範囲の総細孔容量(mL g-1 support)]
本開示の触媒においては、前記担体の2.0-30nm範囲の総細孔容量が2.62mL g-1 support以上であってもよく、6.50mL g-1 support以下であってもよい。
[Total pore volume of the support in the 2.0-30 nm range (mL g −1 support )]
In the catalyst of the present disclosure, the total pore volume of the support in the 2.0-30 nm range may be 2.62 mL g −1 support or more, and may be 6.50 mL g −1 support or less.

[触媒のBET比表面積(m-1 catalyst)]
本開示の触媒においては、前記触媒のBET比表面積が458m-1 catalyst以下であってもよく、151m-1 catalyst以上であってもよい。
[BET specific surface area of catalyst (m 2 g −1 catalyst )]
In the catalyst of the present disclosure, the BET specific surface area of the catalyst may be 458 m 2 g −1 catalyst or less, or 151 m 2 g −1 catalyst or more.

[触媒の2.0-30nm範囲の総細孔容量(mL g-1 catalyst)]
本開示の触媒においては、前記触媒の2.0-30nm範囲の総細孔容量が1.86mL g-1 catalyst以上であってもよく、5.10mL g-1 catalyst以下であってもよい。
[Total pore volume of catalyst in the 2.0-30 nm range (mL g −1 catalyst )]
In the catalyst of the present disclosure, the total pore volume of the catalyst in the 2.0-30 nm range may be 1.86 mL g −1 catalyst or more, and may be 5.10 mL g −1 catalyst or less.

[担体重量に対するバインダー重量]
本開示の触媒においては、担体の重量に対するバインダーの重量が0.1以上2.0以下であってもよく、0.5以上1.0以下であってもよい。
担体重量に対するバインダー重量は、(バインダー重量)/(担体重量)で定義する。
[Binder weight relative to carrier weight]
In the catalyst of the present disclosure, the weight ratio of the binder to the weight of the carrier may be 0.1 or more and 2.0 or less, or may be 0.5 or more and 1.0 or less.
The binder weight relative to the carrier weight is defined as (binder weight)/(carrier weight).

[担体重量に対する添加剤重量]
本開示の触媒においては、前記担体の重量に対する前記添加剤の重量が0より大きく0.20以下であってもよく、0.01以上0.10以下であってもよい。
担体重量に対する添加剤重量は、(添加剤重量)/(担体重量)で定義する。
[Weight of additive relative to weight of carrier]
In the catalyst of the present disclosure, the weight ratio of the additive to the weight of the support may be greater than 0 and not greater than 0.20, or may be 0.01 or greater and 0.10 or less.
The weight of the additive relative to the weight of the carrier is defined as (weight of the additive)/(weight of the carrier).

[金属粒子重量に対する添加剤重量]
本開示の触媒は、前記金属粒子の重量に対する前記添加剤の重量の比が0.01以上0.20以下であってもよい。
金属粒子重量に対する添加剤重量の比は、(添加剤重量)/(金属粒子重量)で定義する。
[Weight of additive relative to weight of metal particles]
In the catalyst of the present disclosure, the ratio of the weight of the additive to the weight of the metal particles may be 0.01 or more and 0.20 or less.
The ratio of the weight of the additive to the weight of the metal particles is defined as (weight of the additive)/(weight of the metal particles).

[添加剤重量評価法]
本開示の触媒に含まれる添加剤の重量の評価法は、CHN元素分析で窒素含有量を測定する手法、及び、触媒から添加剤を抽出し、添加剤を直接測定する手法等がある。
CHN元素分析で窒素含有量を測定する手法は、酸素で試料を一定時間燃焼させた後、生成した二酸化炭素、水、窒素酸化物をそれぞれ定量することで、試料中に含まれるカーボン、水素、窒素原子の量を定量する手法である。添加剤を導入前後の試料で窒素量を比較することで、添加剤の量を評価することが可能である。
酸素還元触媒から添加剤を抽出し、添加剤を直接測定する手法は、触媒中に含まれる添加剤を溶解する溶媒で添加剤を抽出した上で添加剤を定性・定量分析する手法である。
分析手法として、クロマトグラフィー、紫外可視分光法(UV-vis)、赤外分光法(IR)、及び、核磁気共鳴法(NMR)等がある。
[Additive weight evaluation method]
Methods for evaluating the weight of the additive contained in the catalyst of the present disclosure include a method for measuring the nitrogen content by CHN elemental analysis, and a method for extracting the additive from the catalyst and measuring the additive directly.
The method of measuring nitrogen content using CHN elemental analysis involves burning a sample with oxygen for a certain period of time, then quantifying the amounts of carbon, hydrogen, and nitrogen atoms contained in the sample by quantifying the amounts of carbon dioxide, water, and nitrogen oxides produced. By comparing the amount of nitrogen in the sample before and after adding the additive, it is possible to evaluate the amount of the additive.
The method of extracting additives from oxygen reduction catalysts and measuring them directly involves extracting the additives contained in the catalyst using a solvent that dissolves the additives, and then qualitatively and quantitatively analyzing the additives.
Analytical techniques include chromatography, ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis), infrared spectroscopy (IR), and nuclear magnetic resonance (NMR).

[金属粒子重量、担体重量、バインダー重量の評価法]
本開示の触媒に含まれる金属粒子の重量、担体の重量、バインダーの重量の評価法は、熱重量分析(TG)、及び、高周波誘導結合プラズマ発光分光(ICP)等がある。
熱重量分析(TG)は、ガス雰囲気、温度等を変化させた際の重量を測定する手法である。昇温し、水分、導電性担体、イオン交換基を有する高分子、不純物を燃焼させた後に、残存した重量を金属粒子重量とする測定手法である。
高周波誘導結合プラズマ発光分光(ICP)は、プラズマで励起させた原子が放出する発光線の波長と強度から含有元素を定性、定量する手法である。測定温度やガス雰囲気を制御することで任意の物質の重量を算出することが可能である。
触媒中に含まれる金属粒子重量、担体重量、バインダー重量を直接的に定量することが可能である。
[Method for evaluating metal particle weight, carrier weight, and binder weight]
Methods for evaluating the weight of the metal particles, the weight of the carrier, and the weight of the binder contained in the catalyst of the present disclosure include thermogravimetric analysis (TG), inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP), and the like.
Thermogravimetric analysis (TG) is a method for measuring weight when the gas atmosphere, temperature, etc. are changed. After heating and burning off moisture, conductive carriers, polymers with ion exchange groups, and impurities, the remaining weight is taken as the weight of the metal particles.
Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP) is a technique for qualitatively and quantitatively determining the elements contained in a substance based on the wavelength and intensity of the emission lines emitted by atoms excited by plasma. By controlling the measurement temperature and gas atmosphere, it is possible to calculate the weight of any substance.
It is possible to directly quantify the weight of metal particles, carrier, and binder contained in the catalyst.

[担体の平均細孔径、細孔容量、BET比表面積の評価法]
担体の各物性値に関し、担体を直接測定してもよい。担体と金属粒子が複合化された触媒を測定し、担体の重量に換算してもよい。平均細孔径、細孔容量、比表面積はいずれもN吸脱着法にて測定することができる。
サンプルへのN吸着量の相対圧依存性から上記3パラメーターを取得してもよい。
比表面積算出にはBET理論を用いる。
評価方法は上述の限りではなく、Hgポロシメトリ法、HO吸着法、フタル酸ジブチルを用いたDBP給油量等から評価してもよい。また、顕微鏡観察等を用いてもよい。
[Method for evaluating the average pore diameter, pore volume, and BET specific surface area of the carrier]
The physical properties of the carrier may be measured directly. Alternatively, the catalyst in which the carrier and metal particles are combined may be measured and converted into the weight of the carrier. The average pore diameter, pore volume, and specific surface area can all be measured by N2 adsorption/desorption.
The above three parameters may be obtained from the relative pressure dependence of the amount of N 2 adsorbed onto the sample.
The specific surface area is calculated using the BET theory.
The evaluation method is not limited to the above, and may be evaluated by Hg porosimetry, H 2 O adsorption, DBP oil supply amount using dibutyl phthalate, etc. Microscopic observation may also be used.

[金属粒子表面積評価法]
金属粒子表面積評価法は、例えば、気相ガス吸着法、及び、電気化学的物質吸着法等がある。
気相ガス吸着法は、金属粒子に吸着するガスを試料中に導入し、吸着したガス量から、金属粒子表面積を測定する手法である。吸着ガスの代表例として、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、及び、水等がある。
電気化学的物質吸着法は、金属粒子に吸着する物質を試料中に導入し、吸着した物質量から、金属粒子表面積を測定する手法である。物質が金属粒子表面から吸脱着する際に流れる電気量から、吸着した物質量を測定し、金属粒子表面積を測定する手法である。吸着物質の代表例として、一酸化炭素、水素、及び、銅等がある。
[Metal particle surface area evaluation method]
Methods for evaluating the surface area of metal particles include, for example, a gas phase gas adsorption method and an electrochemical substance adsorption method.
The gas-phase gas adsorption method is a technique for measuring the surface area of metal particles by introducing a gas that adsorbs onto the metal particles into a sample and measuring the amount of adsorbed gas. Typical examples of adsorbed gases include carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen, and water.
The electrochemical adsorption method is a technique in which a substance that adsorbs to metal particles is introduced into a sample, and the surface area of the metal particles is measured from the amount of adsorbed substance.The amount of adsorbed substance is measured from the amount of electricity that flows when the substance is adsorbed and desorbed from the metal particle surface, and the surface area of the metal particles is then measured.Typical examples of adsorbed substances include carbon monoxide, hydrogen, and copper.

本開示の触媒は、燃料電池用であってもよく、金属空気電池用であってもよい。本開示の触媒は、燃料電池のカソードに用いてもよく、燃料電池のアノードに用いてもよく、金属空気電池の空気極に用いてもよい。また、本開示の触媒は、燃料電池の逆反応である水電解用のアノードに用いてもよく、水電解用のカソードに用いてもよく、CO還元用のアノードに用いてもよく、CO還元用のカソードに用いてもよい。 The catalyst of the present disclosure may be used for a fuel cell or a metal-air battery. The catalyst of the present disclosure may be used in a cathode of a fuel cell, an anode of a fuel cell, or an air electrode of a metal-air battery. Furthermore, the catalyst of the present disclosure may be used in an anode for water electrolysis, which is the reverse reaction of a fuel cell, or in a cathode for water electrolysis, or in an anode for CO2 reduction, or in a cathode for CO2 reduction.

本開示の触媒の形状は層状であってもよい。すなわち、本開示の触媒は、触媒層であってもよい。
触媒層形成方法は、例えば以下の方法等が挙げられる。
The catalyst of the present disclosure may be in the form of a layer, i.e., the catalyst of the present disclosure may be a catalyst layer.
Examples of the method for forming the catalyst layer include the following methods.

[触媒インク調製工程]
まず、容器に金属粒子を担持した担体(金属粒子担持担体)と、バインダーと、添加剤と、溶媒と、を所定量投入し、これらを、撹拌機を用いて攪拌し、触媒インクを調製する。
溶媒種は特に限定されず、任意の液体を使用することができ、水、アルコール、又は、少なくとも1種のアルコールと水の混合溶液等であってもよい。
アルコールとしては、メタノール、ジアセトンアルコール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール(イソプロパノール)、tert-ブチルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール等が挙げられる。
撹拌機は、超音波ホモジナイザー、ジェットミル、ビーズミル等のボールミル、ハイシェアー、フィルミックス等が挙げられる。攪拌速度、攪拌時間、回転数等の攪拌条件は、特に限定されず、適宜設定することができる。
その後、真空脱泡処理を行ってもよい。静置する時間に制限はなく、任意で設定することができ、1日静置してもよい。また、静置せずに使用することも可能である。また、再度、真空脱泡処理を行ってもよい。
[Catalyst ink preparation process]
First, a predetermined amount of a carrier carrying metal particles (metal particle-carrying carrier), a binder, an additive, and a solvent are placed in a container, and these are stirred using a stirrer to prepare a catalyst ink.
The type of solvent is not particularly limited, and any liquid can be used, and may be water, alcohol, or a mixed solution of at least one type of alcohol and water.
Examples of the alcohol include methanol, diacetone alcohol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol (isopropanol), tert-butyl alcohol, ethylene glycol, and propylene glycol.
Examples of the stirrer include an ultrasonic homogenizer, a jet mill, a ball mill such as a bead mill, a high shear mill, a film mix, etc. The stirring conditions such as the stirring speed, stirring time, and rotation speed are not particularly limited and can be set appropriately.
Thereafter, a vacuum degassing treatment may be performed. There is no limit to the time for leaving the mixture to stand, and it may be left to stand for one day. It is also possible to use the mixture without leaving it to stand. It is also possible to perform a vacuum degassing treatment again.

[触媒インク塗工工程]
調製した触媒インクを基材上に塗工し、塗工後に溶媒を除去する。例えば、基材上に触媒インクを塗工し、塗工後の触媒インクを加温し、溶媒を乾燥除去する。
基材としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、イオン交換基を有する電解質膜、カーボンファイバーや金属ファイバーで構成されるガス拡散層(GDL)、及び、マイクロポーラスレイヤー(MPL)を有するカーボンファイバーや金属ファイバーで構成されるガス拡散層等が挙げられる。
塗工方法は基材上に触媒インクを均一に塗工可能な方法であればよく、ダイコート法、スピンコート法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スプレーコート法、及び、アプリケーター法等が挙げられる。加温速度や加温時間は、溶媒種等によって適宜設定することができる。また、加温と同時に脱気することで除去速度をあげてもよい。
塗工膜厚や、金属粒子含有量は変更することも可能である。
塗工膜厚は、5~30μmであってもよく、白金量が0.1~0.6 mg cm-2を満たすように塗工してもよい。
[Catalyst ink coating process]
The prepared catalyst ink is applied to a substrate, and the solvent is removed after application. For example, the catalyst ink is applied to a substrate, and the applied catalyst ink is heated to dry and remove the solvent.
Examples of the substrate include polytetrafluoroethylene (PTFE), an electrolyte membrane having an ion exchange group, a gas diffusion layer (GDL) made of carbon fiber or metal fiber, and a gas diffusion layer made of carbon fiber or metal fiber having a microporous layer (MPL).
The coating method may be any method that can uniformly coat the catalyst ink on the substrate, and examples thereof include die coating, spin coating, screen printing, doctor blade, squeegee, spray coating, and applicator methods. The heating rate and heating time can be appropriately set depending on the type of solvent, etc. The removal rate may also be increased by degassing simultaneously with heating.
The coating thickness and the metal particle content can be changed.
The coating thickness may be 5 to 30 μm, and the coating may be carried out so that the platinum amount satisfies 0.1 to 0.6 mg cm −2 .

2.空気極
本開示においては、前記触媒を含む、燃料電池用又は金属空気電池用の空気極を提供する。
本開示の空気極は、本開示の触媒を含む。本開示の空気極は、本開示の触媒層であってもよい。
本開示の空気極は、燃料電池用又は金属空気電池用であってもよい。
2. Air Electrode The present disclosure provides an air electrode for a fuel cell or a metal-air battery, which includes the catalyst.
The cathode of the present disclosure includes the catalyst of the present disclosure. The cathode of the present disclosure may also include the catalyst layer of the present disclosure.
The cathode of the present disclosure may be for use in a fuel cell or a metal-air battery.

3.燃料電池
本開示においては、前記空気極をカソードとして有する、燃料電池を提供する。
3. Fuel Cell The present disclosure provides a fuel cell having the air electrode as a cathode.

本開示の燃料電池は、本開示の空気極をカソード(カソード触媒層)として有する。
本開示の燃料電池は、本開示の空気極をカソードとして有する以外は従来公知の燃料電池の構成を適宜採用することができる。本開示の燃料電池は、本開示の触媒を含むアノードを有していてもよい。本開示の燃料電池は、本開示の触媒層をアノード(アノード触媒層)として有していてもよい。
本開示の燃料電池は、本開示の触媒を含む空気極をカソードとして用いるため、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
The fuel cell of the present disclosure has the air electrode of the present disclosure as the cathode (cathode catalyst layer).
The fuel cell of the present disclosure can appropriately adopt the configuration of a conventionally known fuel cell, except that it has the air electrode of the present disclosure as a cathode. The fuel cell of the present disclosure may have an anode containing the catalyst of the present disclosure. The fuel cell of the present disclosure may have the catalyst layer of the present disclosure as an anode (anode catalyst layer).
The fuel cell of the present disclosure uses an air electrode containing the catalyst of the present disclosure as a cathode, and therefore the power generation performance of the fuel cell can be improved.

4.金属空気電池
本開示においては、前記空気極をカソードとして有する、金属空気電池を提供する。
4. Metal-Air Battery The present disclosure provides a metal-air battery having the air electrode as a cathode.

本開示の金属空気電池は、本開示の空気極をカソードとして有する。
本開示の金属空気電池は、本開示の空気極をカソードとして有する以外は従来公知の金属空気電池の構成を適宜採用することができる。
本開示の金属空気電池は、本開示の触媒を含む空気極をカソードとして用いるため、金属空気電池の発電性能を向上させることができる。
The metal-air battery of the present disclosure has the air electrode of the present disclosure as a cathode.
The metal-air battery of the present disclosure can appropriately adopt the configuration of a conventionally known metal-air battery, except that it has the air electrode of the present disclosure as the cathode.
The metal-air battery of the present disclosure uses an air electrode containing the catalyst of the present disclosure as a cathode, and therefore the power generation performance of the metal-air battery can be improved.

(実施例1)
金属粒子として白金粒子、添加剤として1,3,5-triazine-2,4,6-triamine(メラミン、富士フィルム和光純薬製)、担体としてカーボン、バインダーとしてパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー(Chemours社製DE2020)を用意し、これらを含む触媒を用いた評価用電極を以下のように作製した。
金属粒子としての白金粒子は、金属粒子径2~3 nmのものを用いた。
担体としてのカーボンは、ケッチェンブラックであり、金属担持比率28.5 wt%、平均細孔径9.4nm、BET比表面積641m-1 support、2.0-30nm範囲の総細孔容量6.30mL g-1 supportのものを用いた。
触媒は、BET比表面積458m-1 catalyst、2.0-30nm範囲の総細孔容量4.50mL g-1 catalystのものを用いた。
[評価用電極の作製]
金属粒子を担持した担体(金属粒子担持担体)とバインダーと添加剤を2-プロパノール及び超純水の混合溶媒に分散させた。分散液を担体量が20μg/cmになるよう北斗電工製グラッシーカーボン回転電極(直径5mm)に滴下し、乾燥させ、評価用電極を作製した。
触媒中の担体重量に対するバインダー重量は、0.5とした。
触媒中の担体重量に対する添加剤重量は0.1とした。
Example 1
Platinum particles were used as the metal particles, 1,3,5-triazine-2,4,6-triamine (melamine, manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as the additive, carbon was used as the carrier, and perfluorocarbon sulfonic acid polymer (DE2020 manufactured by Chemours) was used as the binder. An electrode for evaluation was fabricated using a catalyst containing these as follows.
The platinum particles used as the metal particles had a metal particle diameter of 2 to 3 nm.
The carbon support used was Ketjen black, with a metal loading ratio of 28.5 wt %, an average pore diameter of 9.4 nm, a BET specific surface area of 641 m 2 g −1 support , and a total pore volume in the 2.0-30 nm range of 6.30 mL g −1 support .
The catalyst used had a BET specific surface area of 458 m 2 g −1 catalyst and a total pore volume of 4.50 mL g −1 catalyst in the range of 2.0 to 30 nm.
[Preparation of evaluation electrodes]
The carrier carrying metal particles (metal particle-supported carrier), binder, and additives were dispersed in a mixed solvent of 2 -propanol and ultrapure water. The dispersion was added dropwise to a Hokuto Denko glassy carbon rotating electrode (diameter 5 mm) so that the carrier amount was 20 μg/cm2, and then dried to prepare an electrode for evaluation.
The ratio of the binder weight to the carrier weight in the catalyst was set to 0.5.
The weight ratio of the additive to the weight of the carrier in the catalyst was 0.1.

(実施例2)
金属粒子として、金属粒子径2~3 nmの白金粒子を用い、担体として、金属担持比率17.9 wt%、平均細孔径7.7nm、BET比表面積252m-1 support、2.0-30nm範囲の総細孔容量6.22mL g-1 supportのアセチレンブラックを用いたこと以外は実施例1と同様の条件で触媒を用いた評価用電極を作製した。
触媒は、BET比表面積207m-1 catalyst、2.0-30nm範囲の総細孔容量5.10mL g-1 catalystのものを用いた。
Example 2
An electrode for evaluation was prepared using a catalyst under the same conditions as in Example 1, except that platinum particles with a metal particle diameter of 2 to 3 nm were used as the metal particles, and acetylene black with a metal loading ratio of 17.9 wt%, an average pore diameter of 7.7 nm, a BET specific surface area of 252 m 2 g −1 support , and a total pore volume in the 2.0-30 nm range of 6.22 mL g −1 support was used as the carrier.
The catalyst used had a BET specific surface area of 207 m 2 g −1 catalyst and a total pore volume of 5.10 mL g −1 catalyst in the range of 2.0 to 30 nm.

(実施例3)
金属粒子として、金属粒子径4~5 nmの白金粒子を用い、担体として、金属担持比率43.9 wt%、平均細孔径9.5nm、BET比表面積269m-1 support、2.0-30nm範囲の総細孔容量6.50mL g-1 supportのアセチレンブラックを用いたこと以外は実施例1と同様の条件で触媒を用いた評価用電極を作製した。
触媒は、BET比表面積151m-1 catalyst、2.0-30nm範囲の総細孔容量3.64mL g-1 catalystのものを用いた。
Example 3
An electrode for evaluation was prepared using a catalyst under the same conditions as in Example 1, except that platinum particles with a metal particle diameter of 4 to 5 nm were used as the metal particles, and acetylene black with a metal loading ratio of 43.9 wt%, an average pore diameter of 9.5 nm, a BET specific surface area of 269 m 2 g −1 support , and a total pore volume in the 2.0-30 nm range of 6.50 mL g −1 support was used as the carrier.
The catalyst used had a BET specific surface area of 151 m 2 g −1 catalyst and a total pore volume of 3.64 mL g −1 catalyst in the range of 2.0-30 nm.

(実施例4)
金属粒子として、金属粒子径2~3 nmの白金粒子を用い、担体として、金属担持比率29 wt%、平均細孔径11.5nm、BET比表面積224m-1 support、2.0-30nm範囲の総細孔容量2.62mL g-1 supportのVULCAN(登録商標)XC72(Cabot社製)を用いたこと以外は実施例1と同様の条件で触媒を用いた評価用電極を作製した。
触媒は、BET比表面積159m-1 catalyst、2.0-30nm範囲の総細孔容量1.86mL g-1 catalystのものを用いた。
Example 4
An evaluation electrode using a catalyst was prepared under the same conditions as in Example 1, except that platinum particles with a metal particle diameter of 2 to 3 nm were used as the metal particles, and VULCAN (registered trademark) XC72 ( manufactured by Cabot Corporation) with a metal loading ratio of 29 wt%, an average pore diameter of 11.5 nm, a BET specific surface area of 224 m 2 g −1 support , and a total pore volume in the 2.0-30 nm range of 2.62 mL g −1 support was used as the carrier.
The catalyst used had a BET specific surface area of 159 m 2 g −1 catalyst and a total pore volume of 1.86 mL g −1 catalyst in the range of 2.0-30 nm.

(比較例1)
金属粒子として、金属粒子径2~3 nmの白金粒子を用い、担体として、金属担持比率27.3 wt%、平均細孔径5.4nm、BET比表面積680m-1 support、2.0-30nm範囲の総細孔容量15.50mL g-1 supportのケッチェンブラックを用いたこと以外は実施例1と同様の条件で触媒を用いた評価用電極を作製した。
触媒は、BET比表面積494m-1 catalyst、2.0-30nm範囲の総細孔容量10.54mL g-1 catalystのものを用いた。
(Comparative Example 1)
An electrode for evaluation was prepared using a catalyst under the same conditions as in Example 1, except that platinum particles with a metal particle diameter of 2 to 3 nm were used as the metal particles, and Ketjen black with a metal loading ratio of 27.3 wt%, an average pore diameter of 5.4 nm, a BET specific surface area of 680 m 2 g −1 support , and a total pore volume in the 2.0-30 nm range of 15.50 mL g −1 support was used as the carrier.
The catalyst used had a BET specific surface area of 494 m 2 g −1 catalyst and a total pore volume of 10.54 mL g −1 catalyst in the range of 2.0 to 30 nm.

[触媒質量活性の評価]
実施例1~4、比較例1で作製した各評価用電極を作用極とし、可逆水素電極を参照極、カーボンロッドを対極として、三電極式で電気化学測定を行った。
電解液として、超純水で0.1 Mに調整した過塩素酸水溶液を使用した。
不活性ガス雰囲気下でサイクリックボルタンメトリーを行った。
その後、ガス雰囲気を酸素に変え、低電位側からリニアスイープボルタンメトリーを行った。
電極回転数を400,900,1600,2000,2500,3600rpmと変更し、リニアスイープボルタンメトリー測定を繰り返した。
得られた電位-電流特性から、Kouteckey-Levichプロットを作成し、0.9Vv.s.RHEの際の触媒質量活性(A/g)を算出した。
触媒質量活性は、金属粒子重量当たりの電流である。電流は電気化学反応の反応速度を表す値であり、大きいほど、触媒活性が高いことを意味する。
また、添加剤を含む触媒の触媒質量活性(添加剤導入後触媒の触媒質量活性)と添加剤を含まないこと以外は同じ構成の触媒の触媒質量活性(添加剤導入前触媒の触媒質量活性)をそれぞれ算出し、これらから、触媒質量活性向上倍率を算出した。
触媒質量活性向上倍率は、(添加剤導入後触媒の触媒質量活性)/(添加剤導入前触媒の触媒質量活性)で定義する。
またサイクリックボルタモグラムにおける還元波の水素吸着電流値から金属粒子の表面積を算出した。
これらの結果を表1に示す。
[Evaluation of catalyst mass activity]
Electrochemical measurements were carried out in a three-electrode system using each of the evaluation electrodes prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 as a working electrode, a reversible hydrogen electrode as a reference electrode, and a carbon rod as a counter electrode.
As the electrolyte, an aqueous solution of perchloric acid adjusted to 0.1 M with ultrapure water was used.
Cyclic voltammetry was carried out under an inert gas atmosphere.
Thereafter, the gas atmosphere was changed to oxygen, and linear sweep voltammetry was performed from the low potential side.
The electrode rotation speed was changed to 400, 900, 1600, 2000, 2500, and 3600 rpm, and the linear sweep voltammetry measurement was repeated.
From the obtained potential-current characteristics, a Kouteckey-Levich plot was created, and the catalyst mass activity (A/g) at 0.9 Vvs RHE was calculated.
Catalyst mass activity is the current per unit weight of metal particles. The current represents the reaction rate of an electrochemical reaction, and the larger the current, the higher the catalytic activity.
In addition, the catalytic mass activity of a catalyst containing an additive (catalytic mass activity of the catalyst after the additive was introduced) and the catalytic mass activity of a catalyst having the same configuration except that it did not contain an additive (catalytic mass activity of the catalyst before the additive was introduced) were calculated, and the catalytic mass activity improvement ratio was calculated from these.
The catalyst mass activity improvement factor is defined as (catalyst mass activity of the catalyst after the addition of the additive)/(catalyst mass activity of the catalyst before the addition of the additive).
The surface area of the metal particles was calculated from the hydrogen adsorption current value of the reduction wave in the cyclic voltammogram.
The results are shown in Table 1.

[評価結果]
図1は、実施例1~4、比較例1で用いた担体の平均細孔径と触媒質量活性向上倍率との関係を示すグラフである。
図2は、実施例1~4、比較例1で用いた担体のBET比表面積(m-1 carbon)と触媒質量活性向上倍率との関係を示すグラフである。なお、担体のBET比表面積(m-1 carbon)は、担体のBET比表面積(m-1 support)と同義である。
図3は、実施例1~4、比較例1で用いた担体の2-30nmの総細孔容量(mL g-1 carbon)と触媒質量活性向上倍率との関係を示すグラフである。なお、担体の2-30nmの総細孔容量(mL g-1 carbon)は、担体の2.0-30nm範囲の総細孔容量(mL g-1 support)と同義である。
図1~3、表1に示すように、平均細孔径が大きく、BET比表面積が小さく、細孔容量が小さい担体を使用した方が、触媒活性向上倍率が高くなることがわかる。
上記の結果から、平均細孔径が大きく、BET比表面積が小さく、細孔容量が小さい担体を用いることにより、添加剤による触媒の性能を向上させることができることが実証された。
[Evaluation results]
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the average pore diameter of the carriers used in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and the catalyst mass activity improvement ratio.
2 is a graph showing the relationship between the BET specific surface area (m 2 g −1 carbon ) of the support used in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and the catalyst mass activity improvement ratio. The BET specific surface area (m 2 g −1 carbon ) of the support is synonymous with the BET specific surface area (m 2 g −1 support ) of the support.
3 is a graph showing the relationship between the total pore volume (mL g −1 carbon ) of 2-30 nm of the support used in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and the catalyst mass activity improvement factor. The total pore volume (mL g −1 carbon ) of 2-30 nm of the support is synonymous with the total pore volume (mL g −1 support ) of the support in the 2.0-30 nm range.
As shown in Figures 1 to 3 and Table 1, it can be seen that the catalyst activity improvement rate is higher when a carrier having a larger average pore diameter, a smaller BET specific surface area, and a smaller pore volume is used.
The above results demonstrate that the performance of the catalyst can be improved by using a support with a large average pore diameter, a small BET specific surface area, and a small pore volume.

Claims (3)

電気化学的酸素還元用の触媒であって、
前記触媒は、酸素還元活性を有する金属粒子と、担体と、添加剤とを有し、
前記金属粒子は、前記担体に担持され、
前記添加剤は、少なくとも1種の有機窒素化合物であり、
前記担体のBET比表面積が224m-1 support以上641m-1 support以下であり、
前記担体の平均細孔径は、7.7nm~11.5nmであり、
前記担体の2.0-30nm範囲の総細孔容量は、2.62mL g -1 support 以上6.50mL g -1 support 以下であり、
前記有機窒素化合物は、メラミン(1,3,5-triazine-2,4,6-triamine)、又は、当該メラミンの重合体であり、
前記金属粒子は、白金粒子、白金合金粒子、及び、白金を含む複合粒子からなる群より選ばれる少なくとも一種であり、
前記担体は、導電性を有するカーボンであることを特徴とする、触媒。
A catalyst for electrochemical oxygen reduction, comprising:
the catalyst comprises metal particles having oxygen reduction activity, a support, and an additive;
the metal particles are supported on the support,
the additive is at least one organic nitrogen compound;
The BET specific surface area of the carrier is 224 m 2 g −1 support or more and 641 m 2 g −1 support or less,
The average pore diameter of the carrier is 7.7 nm to 11.5 nm,
The total pore volume of the support in the 2.0-30 nm range is 2.62 mL g −1 support or more and 6.50 mL g −1 support or less;
the organic nitrogen compound is melamine (1,3,5-triazine-2,4,6-triamine) or a polymer of the melamine;
the metal particles are at least one selected from the group consisting of platinum particles, platinum alloy particles, and platinum-containing composite particles;
The catalyst is characterized in that the support is electrically conductive carbon.
前記有機窒素化合物は、メラミンである、請求項1に記載の触媒。 The catalyst described in claim 1, wherein the organic nitrogen compound is melamine. 前記担体のBET比表面積が224m-1 supportである、請求項1に記載の触媒。 2. The catalyst of claim 1, wherein the support has a BET specific surface area of 224 m 2 g −1 support .
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