JP2008282725A - 炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ナノシェル構造を持つ炭素が、酸素還元活性を示すことおよび炭素材料の構造、物性、化学反応性は、炭素の材料となる有機物の種類、炭素化の温度や時間などの調製条件に依存する。そのため、炭素にいわゆる異性質を導入するカーボンアロイ法を用いることで炭素材料の構造、物性、化学反応性が制御できる。以上より、炭素が酸素還元性を与えるためのナノシェル構造の形成とカーボンアロイ法による炭素材料の制御を行った炭素材料を使用した非白金カソード触媒を用いた炭素系燃料電池用触媒を製造する方法を提供する。
【選択図】図14
Description
1.TEM(透過型電子顕微鏡)観察
調製した試料のナノシェル構造の発達の程度、及び大きさを確認するため透過型電子顕微鏡で試料を観察した。
2.酸素還元活性測定
回転電極法により、リニアスイープボルタンメトリーを行い、電極活性を測定した。なお、リニアスイープボルタンメトリーの手順は以下A〜Dに示した。
A.プラスチックバイアルに試料5mgをとり、ガラスビーズをスパチュラ一杯、ナフィオン50μl、蒸留水とエタノールをそれぞれ150μl加え、20分間超音波をあてた。
B.このスラリーを4μlとり、回転電極のガラス状炭素上に塗付し、飽和水蒸気雰囲気下で乾燥させた。
C.乾燥させた回転電極を作用極に、Ag/AgCl電極を参照極、白金線を対極にし、電解液とする0.5M硫酸に30分バブリングした。その後に自然電位を測定した。
D.600s初期電位を印加した後に、掃引速度1mV/s、回転速度1500rpmで、0.8VvsAg/AgClから−0.2VvsAg/AgClまで測定を行った。
炭素添加物を含まない炭素化物の調製
8−キノリノール10g、ホルムアルデヒド10g、シュウ酸二水和物1gを100mlナスフラスコに入れ、100℃で一晩還流させた。そこへ1MHCl5.5mlを加え、同じように一晩還流させた。得られた固体を吸引ろ過し、蒸留水で3回洗浄し一晩真空乾燥させて高分子を得た。
1回の合成で使用する8−キノリノールとフェノール量はあわせて0.1molとし、高分子中の8−キノリノールモル分率が80%、50%、30%、20%になるようにそれぞれを量りとり100mlナスフラスコに入れた。ここにホルムアルデヒド0.1molを加えた。そのナスフラスコを100℃の湯浴で温め、均一に混ぜる。そこにシュウ酸二水和物1gを入れ、100℃で一晩還流させた。1MHCl5.5mlを加え、さらに一晩還流させた。得られた物質を吸引ろ過し、蒸留水で3回洗浄し一晩真空乾燥させて高分子を得た。ここで、8−キノリノール75%高分子は粘性のある液体だった為、蒸留水を加え、上層をデカンテーションで取り除いたのち、エバポレーター(60℃)を用いて、可能な限りの水分を除去した。その後、一晩真空乾燥させて最終的に固体の高分子を得た。
1及び2で得られた高分子を3.3gとりDMF100mlに溶解させた。そこに塩化コバルト(II)2.7gをDMF50mlに溶解させたものを加えて一晩静置した。この溶液をエバポレーター(90℃)を用いてできる限り乾燥させ、一晩真空乾燥させた。得られた物質をソクッスレー抽出器でエタノールを用いて一日洗浄して再び一晩真空乾燥させてコバルトの高分子金属錯体を得た。なお、Coの添加量は8−キノリノール100%の高分子試料に対して等量である。これらの試料をCO−8−キノリノール、Co−100%、Co−50%、Co−30%、Co−20%とした。
Co−100%0.7g、フェノール樹脂2.3gを混練機を用いてアルゴン雰囲気下120℃で、10分間300rpmで混練を行った。ここで、コバルト量は5wt%となるように量り取った。この試料をCo−100%+phenolとした。
3および4で得られた試料を、赤外線イメージ炉を用いて、窒素雰囲気下10℃/minで1000度まで加熱し、1000度で1時間保持して炭素化を行った。この得られた試料を乳鉢ですり潰して開口径106μm以下の粒子を回収した。
試料からコバルトを除去するために、全ての試料において37%HClを加えて2時間撹拌した後静置して上澄み液をデカンテーションした。これを3回行った。吸引ろ過をした後蒸留水で洗浄、煮沸を行った。
カーボンブラックを混ぜての炭素化
高分子金属錯体の調製までは実施例1と同様に行うが、炭素化工程でカーボンブラックを添加して炭素化物を得た。
Co−100%、Co−30%にケッチェンブラックを5wt%加え、メノウ乳鉢で均一に混ぜる。この試料それぞれを赤外線イメージ炉を用いて窒素雰囲気下10℃/minで1000℃まで加熱し、それぞれ1時間保持して炭素化を行った。この得られた試料を乳鉢ですり潰して開口径106μm以下の粒子を回収した。
試料からコバルトを除去するために、全ての試料において37%HClを加えて2時間撹拌した後静置して上澄み液をデカンテーションした。これを3回行った。吸引ろ過をした後蒸留水で洗浄、煮沸を行った。得られた試料名をそれぞれCo−100%+KB、Co−30%+KBとした。
実施例1、実施例2と同様にして炭素化物を調製しさらに窒素ドープ工程を行った。
1.炭素ドープ
実施例1、実施例2と同様にして得られたCo−100%、Co−100%+KB、Co−30%、Co−30%+KBの試料それぞれを石英製縦型反応管に装填し、窒素雰囲気下で600℃まで昇温し、アンモニア/空気混合ガス(NH3濃度比70%)に切り替え、2h保持し窒素ドープした試料を得た。得られた試料をそれぞれCo−100%−N、Co−100%+KB−N、Co−30%−N、Co−30%+KB−Nとする。
1.ナノシェル構造のTEM(透過型電子顕微鏡)観察結果および評価
A.図1は実施例1の8−キノリノール錯体を重合し高分子化した高分子金属錯体のTEM(透過型電子顕微鏡)観察写真である。高分子金属錯体の前駆体の高分子化を行うことで、より微細なナノシェル炭素を調製できることがわかる。
A.図9A、Bは、8−キノリノールとフェノールを共重合し高分子化する際の8−キノリノール配合率をモル比で100%(c−1)、50%(c−2)、30%(c−3)、20%(c−4)、とした場合の酸素還元ボルタモグラムである。また、図10には、各濃度の配合率における電位0.6V、0.7Vのときの電流値を示した。酸素還元活性は8−キノリノールモル分率が20%〜50%の間で顕著に向上することがわかった。
a−2 低分子の8−キノリノール錯体を使用した炭素化材料
b−1 電位0.6V(vs.NHE)の電流値
b−2 電位0.7V(vs.NHE)の電流値
c−1 8−キノリノールの配合率をモル比で100%としたときの酸素還元活性
c−2 8−キノリノールの配合率をモル比で50%としたときの酸素還元活性
c−3 8−キノリノールの配合率をモル比で30%としたときの酸素還元活性
c−4 8−キノリノールの配合率をモル比で20%としたときの酸素還元活性
d−1 8−キノリノールの配合率をモル比で30%配合し、炭素化温度を600℃としたときの酸素還元活性
d−2 8−キノリノールの配合率をモル比で30%配合し、炭素化温度を800℃としたときの酸素還元活性
d−3 8−キノリノールの配合率をモル比で30%配合し、炭素化温度を1000℃としたときの酸素還元活性
d−4 8−キノリノールの配合率をモル比で30%配合し、カーボンブラックを添加して炭素化温度を1000℃としたときの酸素還元活性
e−1 8−キノリノールの配合率をモル比で30%配合し、カーボンブラックを添加したときの酸素還元活性
e−2 8−キノリノールの配合率をモル比で30%配合し、カーボンブラックを添加し、更に窒素をドープする工程を経た時の酸素還元活性
Claims (9)
- 重合可能な部位を有する高分子金属錯体の前駆体もしくはそれらと共重合可能なモノマーを重合し、貴金属以外の遷移金属を添加することにより高分子金属錯体を得る工程と、
前記高分子金属錯体に炭素添加物を混合し熱処理して炭素化し、炭素化物を得る炭素化工程と、
前記炭素化物に配位子として窒素原子を少なくとも1つ以上含むように窒素をドープした炭素材料を得る工程と、
を含むことを特徴とする炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法。 - 前記高分子金属錯体の前駆体もしくはそれらと共重合可能なモノマーは、8−キノリノールを高分子化して得られる樹脂である請求項1に記載の炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法。
- 前記8−キノリノールを高分子化して樹脂を得た工程の後にフェノールを添加する工程を含む請求項2に記載の炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法。
- 前記重合可能な部位を有する錯体高分子金属錯体の前駆体もしくはそれらと共重合可能なモノマーは、8−キノリノールをフェノールと共重合して得られる樹脂である請求項1に記載の炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法。
- 前記8−キノリノールとフェノールと共重合する際の8−キノリノールの配合率がモル分率で20%〜50%である請求項4に記載の炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法。
- 前記高分子金属錯体に混合する炭素添加物は、カーボンブラックである請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法。
- 前記重合可能な部位を有する錯体の前駆体の重合可能部位がフェノール基である請求項1〜請求項6の何れか一項に記載の炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法。
- 前記遷移金属は、コバルト、鉄を中心元素として持つ錯体である請求項1〜請求項7の何れか一項に記載の炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法。
- 前記炭素化工程の後に、前記炭素化物を微粉砕する粉砕工程を包含する請求項1〜請求項8の何れか一項に記載の炭素系燃料電池用電極触媒の製造方法。
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