JP4815823B2 - 燃料電池用触媒及びその製造方法、並びにそれを用いた燃料電池用電極及び燃料電池 - Google Patents
燃料電池用触媒及びその製造方法、並びにそれを用いた燃料電池用電極及び燃料電池 Download PDFInfo
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Description
本発明の燃料電池用触媒は、X線回折法(Cu−Kα線)による回折角2θ(±0.3゜)が40゜以上60゜以下の領域における、最大回折ピークの半値幅が、0.80゜以上である炭化タングステンを含有することを特徴とする。
炭化タングステンとは、タングステン(W)原子と炭素(C)原子が、結合を持って化合物として存在する形態を有するものであり、例えば、WC、WC1−x(0<x<1)、W2C等が挙げられる。
(粉末XRD分析)
測定装置
粉末X線解析装置/PANalytical PW1700
測定条件
X線出力(Cu−Kα):40kV,30mA
走査軸:θ/2θ
測定範囲(2θ):3.0°〜70.0°
測定モード:Continuous
読込幅:0.05°
走査速度:3.0°/min
DS,SS,RS:1°,1°,0.20mm
ゴンオメーター半径:173mm
(SEMによる測定)
測定装置
日立製作所製「S−4100」を使用し、電子線の加速電圧を15kVに制御して観測を実施する。
測定方法
カーボン蒸着したSiウエハー上に、粉体試料を適量ばらまき、メタノールを滴下して乾燥させる。具体的には分散状態は100倍から1000倍で観察した写真調査し、粒径は1万及び10万倍以上の従来の写真から調査する。
本発明の燃料電池用触媒において、基体は必ずしも必須ではないが、炭化タングステンが基体に被着して用いることが、活性維持の点で好ましく、中でも、炭素系基体を用いることが、高い導電性が得られる点で好適である。
本発明において、基体上に炭化タングステンが被着されている状態とは、炭化タングステンと基体との間の導電性がとれるように両者が接触している状態を指す。従って、炭化タングステンと基体とを単に混合するのみでも炭化タングステンを基体に被着させることができるが、また、更に、この混合物を焼成しても良い。なお、以下において、基体に混合後焼成して被着させた状態を特に「担持」と称す。
本発明においては、本発明の効果を損なわない限り、遷移金属及び炭化タングステン以外の遷移金属化合物から選ばれる触媒成分(以下「他の触媒成分」と称す場合がある。)を併用することができる。なお、炭化タングステン以外の遷移金属化合物は、炭化タングステン以外のタングステン化合物であっても良い。
酸化体+ne−=還元体
で示される、水溶液中での標準電極電位E゜(25℃)の値がプラスであるものが望ましい。これは、金属本来の性質として酸化による溶出が起こり難く、それに起因する触媒の劣化が少ないからである。このようなものとしては、具体的には、金、イリジウム、パラジウム、銀、ロジウム、及びルテニウム等が挙げられる。
(1) 炭化タングステンと共に他の触媒成分を基体に混合する。
(2) 炭化タングステンと共に他の触媒成分を基体に担持する。
(3) 基体に担持した炭化タングステンを、他の触媒成分と混合する。
(4) 他の基体に担持した他の触媒成分を、炭化タングステンと混合する。
(5) 他の基体に担持した他の触媒成分を、基体に担持した炭化タングステンと混合する。
(炭化タングステンの製造)
炭化タングステンの製造方法としては、ポーリングの電気陰性度が1.8以上3.0以下の典型非金属元素とタングステンとの間に結合を少なくとも1つ有する、炭化タングステン以外の、タングステン化合物(以下「前駆化合物」と称す場合がある。)を、炭化タングステンに転化させる方法が挙げられる。
前駆化合物を構成するポーリングの電気陰性度が1.8以上3.0以下の典型非金属元素としては、H(2.1)、B(2.0)、N(3.0)、Si(1.8)、P(2.1)、S(2.5)、Cl(3.0)、As(2.0)Se(2.4)Br(2.8)、Te(2.1)、I(2.5)、At(2.2)が挙げられるが(カッコ内は電気陰性度)、これらの中でも、周期表の第2周期及び第3周期の典型非金属元素からなる群から選ばれるB、N、Si、P、Sの元素が、毒性が低い等の理由から好適である。
本発明で用いる上記前駆化合物を誘導するタングステン化合物(以下「原料化合物」と称する場合がある。)は、特に制限はないが、具体的には、WO3、WO2、H2WO4、(NH4)10W12O41・5H2O等のタングステン酸化物の他、WF6、WCl4、WCl6及びWBr5等のタングステンハロゲン化物等の無機タングステン化合物や(NH4)2WS4等の硫黄原子含有タングステン化合物が挙げられる。その他、有機タングステン化合物としてタングステン錯体が挙げられる。具体的には、エチルボリルエチリデン(ethylborylethylidene)配位子等のホウ素原子配位タングステン錯体、カルボニル配位子やシクロペンタジエニル配位子、アルキル基配位子、オレフィン系配位子等の炭素原子配位タングステン錯体、ピリジン配位子、アセトニトリル配位子等の窒素原子配位タングステン錯体、ホスフィン配位子、ホスファイト配位子等の配位したリン原子配位タングステン錯体、ジエチルカルバモジチオラト配位子等が配位した硫黄原子配位タングステン錯体、が挙げられる。また、これらの配位子を複数個有する錯体であっても良いし、また複数の種類の配位子を有する錯体であっても良い。具体的には、ヒドリド配位子とオレフィン系配位子が配位したタングステン錯体、炭素原子と窒素原子が配位したW(CO)3(NCCH3)3、W(CO)4(bipyridyl)等のタングステン錯体が挙げられる。
原料化合物から、前駆化合物への転化反応は、公知の任意の手法を用いることができる。例えば、好ましい前駆化合物である窒化タングステン、硫化タングステン、リン化タングステンの原料化合物からの転化反応は、次のような条件で行える。
前駆化合物としての窒化タングステンの合成方法については特に制限はなく、公知の任意の方法によって行うことができる。
前駆化合物としての硫化タングステンの形状は特に制限はなく、特定の構造を持たないものの他、ナノロッド、ナノチューブ、ナノツイスト、ナノクラスター、ナノファイバー等のナノマテリアルやサブマイクロコイルでも良い。またその合成方法についても特に制限はなく、公知の任意の方法によって行うことができる。たとえば“Journal of Materials Chemistry 12巻1450頁(2002)にはW(CO)6をジフェニルエタン中で、わずかに過剰のS存在下90℃においてアルゴン雰囲気で超音波処理を行い、得られたアモルファス粉末をアルゴン雰囲気で800℃で加熱することにより、WS2ナノロッドが生成することが報告されている。
前駆化合物としてのリン化タングステンの合成方法については特に制限はなく、公知の任意の方法によって行うことができる。
本発明においては、好ましくはホウ化タングステン、窒化タングステン、硫化タングステン、リン化タングステン、及びケイ化タングステンから選ばれる化合物を前駆化合物とし、これを基体の存在下又は不存在下に、所定の加熱条件下に炭化水素或いはこれに更に水素を接触させて、炭化タングステンに転化させることが好ましい。
窒化タングステンから本発明で用いる炭化タングステンを与える合成方法については特に制限はなく、公知の任意の方法によって行うことができる。例えば、“Applied Catalysis A:General”183巻、253頁(1999)には、W2Nをメタンと水素流通下、25℃で加熱を開始し、毎時60℃の速度で加熱温度を上昇させ、最終温度750℃で加熱することによりWC1−xが生成すること、更に、1%O2/Heガスを室温で流通させて不動態膜を形成することによって安定化させることができることが開示されているが、この方法を採用することもできる。
硫化タングステンから本発明で用いる炭化タングステンを与える合成方法については特に制限はなく、任意の方法によって行うことができる。
リン化タングステンから本発明で用いる炭化タングステンを与える合成方法については特に制限はなく、任意の方法によって行うことができ、例えば、上述の硫化タングステンから炭化タングステンへの転化反応と同様な反応条件で、炭化タングステンを得ることができる。
基体に炭化タングステンが被着してなる本発明の燃料電池用触媒を製造する場合、炭化タングステンの合成過程において基体を付与するタイミングは任意であるが、例えば、次のような方法が挙げられる。
(1) 原料化合物に基体を混合した後、原料化合物の前駆化合物への転化反応を行い、その後更に前駆化合物の炭化タングステンへの転化反応を行う。
(2) 前駆化合物に基体を混合した後、前駆化合物の炭化タングステンへの転化反応を行う。
(3) 炭化タングステンを調製した後にこれに基体を混合した後、所望により更に焼成処理などを施す。
他の触媒成分を含む本発明の燃料電池用触媒を製造する場合、炭化タングステンの合成過程において他の触媒成分或いは他の触媒成分を生成する物質(以下「他の触媒成分源」と称す。)を付与するタイミングについては特に制限はないが、通常は、次のような方法が採用される。
(1) 原料化合物或いは原料化合物と基体との混合物に他の触媒成分又は他の触媒成分源を混合した後、原料化合物の前駆化合物への転化反応を行い、その後更に前駆化合物の炭化タングステンへの転化反応を行う。更に必要に応じて基体との混合を行う。
(2) 前駆化合物或いは前駆化合物と基体との混合物に他の触媒成分又は他の触媒成分源を混合した後、前駆化合物の炭化タングステンへの転化反応を行う。更に必要に応じて基体との混合を行う。
(3) 炭化タングステン或いは炭化タングステンが基体に被着したものを調製した後に、これに他の触媒成分又は他の触媒成分源を混合した後、所望により更に焼成処理などを施す。
本発明の触媒を水素流通下で加熱して還元処理を行うことにより、触媒活性を更に向上させることができる。これは触媒表面に付着した活性の無い炭素層がCH4等として除去され、活性なWC表面が露出すること等に因る。
本発明の燃料電池用電極は、上記した本発明の燃料電池用触媒を含有することを特徴とする。また、本発明の燃料電池は、このような本発明の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする。
(1) 用いるイオン交換膜に吹き付けて乾燥する。
(2) カーボンペーパー等のガス拡散電極材に触媒スラリーを吹き付けて乾燥する。
(3) テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)フィルム等の転写用フィルム材上に触媒スラリーを吹き付けて(展開処理)乾燥し、転写用フィルム面と反対側の面をナフィオン等の所望のイオン交換膜上に適宜圧接して触媒層を転写する。
(4) (3)におけるのと同様に、FEPフィルム上に触媒スラリーを展開処理した後、スラリー上にカーボンペーパー等のガス拡散電極材を被せて乾燥する。
サイクリックボルタンメトリー(CV)測定は、電解槽に密封性を保ち得る栓を用い、電解液中に窒素又は水素をバブリングしつつ、水素は供給律速になっていない条件で行った。なお、測定に先立ち不動態化処理されているWC等の触媒成分の表面酸素を除去すべく、−0.99Vで1000秒間印加処理を行った。測定条件は以下の通りである。
電解液:1.0M H2SO4水溶液
走査速度:10mV/秒
走査範囲:0〜900mV
カウンター電極:Pt
比較電極:標準水素電極(SHE)
H2=2H++2e−
による水素の酸化電流が流れるのが認められる。貴の方向に走査した時に450mV(SHE基準)の時に流れる電流値を測定し、測定された電流値を触媒に含まれるWC或いはWCとRuの単位重量(1g)当たりの電流値に換算したもので触媒活性を評価した。
<WCの合成>
キシダ化学製WO31.0gを石英製焼成管に入れ、NH3ガス30ml/min.の気流下、300〜630℃まで7hrかけて49℃/hrの昇温速度で昇温し、更に630℃で0.5hr保持して還元、窒化してW2Nの黒色粉末を得た。このようにして得られたW2N1.0gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、777℃で6hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
なお、用いた原料化合物のWO3の粒径(平均粒径)はおよそ250nmであった。
得られたα−WC粉末20mgとカーボンブラック(VULCAN XC−72R(Cabot社製、比表面積(BET)254m2/g))80mgを乳鉢で混合し、その42.41mgをエタノール5mLに混合し、超音波洗浄器で充分撹拌した後、マイクロシリンジでα−WCが0.30mg/cm2となるように作用電極であるグラッシーカーボン電極に滴下し、放置により乾燥した。次に、デュポン社のナフィオン膜を溶媒に溶解した市販のナフィオン液を滴下し、放置により乾燥し、その後更に真空下で乾燥することによりアノード電極とした。
実施例1で用いたものと同一のα−WC粉末135mgと、同一のカーボンブラック15mgを乳鉢で混合し、その47.1mgをエタノール5mLに混合した他は実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの表面処理>
実施例1で用いたものと同一のα−WC粉末500mgを石英製焼成管に入れ、H2ガスの50ml/min.の気流下、400℃で3hr還元処理を行った。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記表面処理を行ったα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの表面処理>
実施例1で用いたものと同一のα−WC粉末500mgを1N NaOH水溶液25mlに加え、3時間還流処理を行った。次に、処理したα−WC粉末を石英製焼成管に入れ、水素ガスの50ml/min.の気流下、400℃で2hr還元処理を行った。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記表面処理を行ったα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
キシダ化学製WO31.0gを石英製焼成管に入れ、NH3ガス30ml/min.の気流下、300〜680℃まで7hrかけて54℃/hrの昇温速度で昇温し、更に680度で0.5hr保持して還元、窒化してW2Nの黒色粉末を得た。このようにして得られたW2N1.0gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、777℃で6hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例2において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例2と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が3.00mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
アルドリッチ社製のWO31.0g(カタログ番号23,278−5)を石英製焼成管に入れ、NH3ガス30ml/min.の気流下、300〜680℃まで7hrかけて54℃/hrの昇温速度で昇温し、更に680度で0.5hr保持して還元、窒化してW2Nの黒色粉末を得た。このようにして得られたW2N1.0gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、777℃で2hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
アルドリッチ社製のWO31.0g(カタログ番号23,278−5)を石英製焼成管に入れ、アルゴン80ml/min.、H2 20ml/min.、H2Sガス20ml/min.の気流下、昇温して850℃で2.0hr処理した。このようにして得られたWS20.3gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、840℃で13hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
アルドリッチ社製のWO30.5g(nanopowder、カタログ番号55,008−6)を石英製焼成管に入れ、NH3ガス30ml/min.の気流下、300〜680℃まで7hrかけて54℃/hrの昇温速度で昇温し、更に680℃で0.5hr保持して還元、窒化してW2Nの黒色粉末を得た。このようにして得られたW2N0.5gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、777℃で6hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
なお、用いた原料化合物のWO3の粒径(平均粒径)はおよそ50nmであった。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
アルドリッチ社製のWO30.6g(nanopowder、カタログ番号55,008−6)を石英製焼成管に入れ、アルゴン80ml/min.、H2Sガス20ml/min.の気流下、昇温して800℃で2.5hr焼成した。このようにして得られたWS20.3gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、840℃で17hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
アルドリッチ社製のWO31.0g(nanopowder、カタログ番号55,008−6)を石英製焼成管に入れ、アルゴン80ml/min.、H2ガス20ml/min.、H2Sガス20ml/min.の気流下、昇温して850℃で2.0hr処理した。このようにして得られたWS20.3gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、840℃で8hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
ガラス製コルベにアルドリッチ製W(CO)64.22g、キシダ製S0.832g、溶媒としてキシレン80mlを入れ、撹拌しながら4時間還流したところ、黒色の粒子が沈殿してきた。反応終了後、沈殿物を濾過により採取し、更に未反応のW(CO)6を除くために沈殿物を60mlのCH3CNで2時間還流した後、熱濾過を行った。得られた沈殿物を最終的にアルゴン気流下、350℃で3時間加熱処理を行いWS2を取得した。このようにして得られたWS20.3gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、810℃で24hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
ガラス製コルベにアルドリッチ製W(CO)64.22g、キシダ製S0.832g、溶媒としてキシレン80mlを入れ、撹拌しながら4時間還流したところ、黒色の粒子が沈殿してきた。反応終了後、沈殿物を濾過により採取し、更に未反応のW(CO)6を除くために沈殿物を60mlのCH3CNで2時間還流した後、熱濾過を行った。得られた沈殿物を最終的にアルゴン気流下、350℃で3時間加熱処理を行いWS2を取得した。このようにして得られたWS20.5gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、840℃で11hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例2において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例2と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が3.00mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
ガラス製コルベにアルドリッチ製W(CO)64.22g、キシダ製S0.832g、溶媒としてキシレン80mlを入れ、撹拌しながら4時間還流したところ、黒色の粒子が沈殿してきた。反応終了後、沈殿物を濾過により採取し、更に未反応のW(CO)6を除くために沈殿物を60mlのCH3CNで2時間還流した後、熱濾過を行った。得られた沈殿物を最終的にアルゴン気流下、350℃で3時間加熱処理を行いWS2を取得した。このようにして得られたWS20.5gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、900℃で7hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例2において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例2と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.75mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
アルドリッチ製W(CO)3(CH3CN)30.6gを石英製焼成管に入れ、NH3ガスの30ml/min.の気流下、200〜500℃まで5hrかけて60℃/hrの昇温速度で昇温し、更に500℃で2hr保持して還元、窒化してW2Nの黒色粉末を得た。このようにして得られたW2N0.3gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスを70ml/min.の気流下、777℃で6hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末20mg、同一カーボンブラック80mgを乳鉢で混合し、その35.3mgをエタノール5mLに混合し、他は実施例1におけると同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.10mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
キシダ化学製WCl40.7gを石英製焼成管に入れ、NH3ガス30ml/min.の気流下、300〜630℃まで5hrかけて66℃/hrの昇温速度で昇温し、更に630℃で0.5hr保持して還元、窒化してW2Nの黒色粉末を得た。このようにして得られたW2N0.3gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、777℃で2hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表2に示した。
<WCの合成>
アルドリッチ製(NH4)2WS40.5gを石英製焼成管に入れ、チオフェンを充填したガラス反応管に25ml/min.のH2ガスをバブルしながら、チオフェンを同伴させて焼成管にH2ガスを導入しながら600℃、0.5hr反応させた。得られたWS2を石英焼成管に入れCH4/H2(2/8)のガス70ml/min.気流中、840℃、8hr焼成炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.30mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Ruの合成>
実施例1で得られたWC0.4gに、NEケムキャト製RuCl31.04gを10mlの脱塩水に溶解して調製した触媒液を1ml及び5mlの脱塩水を加え一昼夜放置した後、エバポレータで水を除去した。乾固物をアルゴン気流下200℃で、3hr乾燥した。室温に冷却後、アルゴンから水素に切り替え350℃で1.5hr還元した。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたRuを被着したα−WC粉末20mg、同一カーボンブラック80mgを乳鉢で混合し、その35.3mgをエタノール5mLに混合し、他は実施例1におけると同様な方法により、電極へのRuが被着したα−WC担持量が0.10mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Pdの合成>
実施例1で得られたWC0.4gに、NEケムキャト製PdCl20.89gを10mlの脱塩水に溶解して調製した触媒液を1ml及び5mlの脱塩水を加え一昼夜放置した後、エバポレータで水を除去した。乾固物をアルゴン気流下200℃で、3hr乾燥した。室温に冷却後、アルゴンから水素に切り替え350℃で1.5hr還元した。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたPdを被着したα−WC粉末10mgと同一のカーボンブラック90mgを乳鉢で混合し、得られた混合物10mgと同一のカーボンブラック90mgを再度乳鉢で混合し、その28.3mgをエタノール5mLに混合し、他は実施例1におけると同様な方法により、電極へのPdが被着したα−WC担持量が0.01mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Ptの合成>
実施例1で得られたWC0.4gに、NEケムキャト製H2PtCl41.70gを10mlの脱塩水に溶解して調製した触媒液を1ml及び5mlの脱塩水を加え一昼夜放置した後、エバポレータで水を除去した。乾固物をアルゴン気流下200℃で、3hr乾燥した。室温に冷却後、アルゴンから水素に切り替え350℃で1.5hr還元した。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1において用いたα−WC粉末の替わりに、上記合成方法で得られたPtを被着したα−WC粉末10mgと同一カーボンブラック90mgとを乳鉢で混合し、得られた混合物10mgと同一のカーボンブラック90mgを再度乳鉢で混合し、その28.3mgをエタノール5mLに混合し、他は実施例1におけると同様な方法により、電極へのPtが被着したα−WC担持量が0.01mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Ruの合成>
実施例1で合成されたα−WCの代わりに、実施例13で合成されたα−WCを用いた他は、実施例17と同様な方法によりRuを被着したα−WCを得た。
実施例17において用いたRuを被着したα−WCの代わりに、上記合成方法で得られたRuを被着したα−WCを用いた他は、実施例17と同様な方法により、電極へのRuが被着したα−WC担持量が0.10mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Pdの合成>
実施例1で合成されたα−WCの代わりに、実施例13で合成されたα−WCを用いた他は、実施例18と同様な方法によりPdを被着したα−WCを得た。
実施例18において用いたPdを被着したα−WCの代わりに、上記合成方法で得られたPdを被着したα−WCを用いた他は、実施例18と同様な方法により、電極へのPdが被着したα−WC担持量が0.01mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Ptの合成>
実施例1で合成されたα−WCの代わりに、実施例13で合成されたα−WCを用いた他は、実施例19と同様な方法によりPtを被着したα−WCを得た。
実施例19において用いたPtを被着したα−WCの代わりに、上記合成方法で得られたPtを被着したα−WCを用いた他は、実施例19と同様な方法により、電極へのPtが被着したα−WC担持量が0.01mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Ruの合成>
実施例1で合成されたα−WCの代わりに、実施例16で合成されたα−WCを用いた他は、実施例17と同様な方法によりRuを被着したα−WCを得た。
実施例17において用いたRuを被着したα−WCの代わりに、上記合成方法で得られたRuを被着したα−WCを用いた他は、実施例17と同様な方法により、電極へのRuが被着したα−WC担持量が0.10mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Ptの合成>
実施例1で合成されたα−WCの代わりに、実施例16で合成されたα−WCを用いた他は、実施例19と同様な方法によりPtを被着したα−WCを得た。
実施例19において用いたPtを被着したα−WCの代わりに、上記合成方法で得られたPtを被着したα−WCを用いた他は、実施例19と同様な方法により、電極へのPtが被着したα−WC担持量が0.01mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WCの合成>
キシダ化学製WO31.2gを石英製焼成管に入れ、CH4/H2(混合比2/8)の混合ガスの70ml/min.の気流下、877℃で6hr還元、炭化してα−WCの黒色粉末を得た。室温に冷却後、アルゴンガスに焼成管内を置換後2%O2−98%N2混合ガスで1.5hr不動態化して空気中に取り出した。
実施例1で用いたα−WC粉末の代わりに上記合成方法で得られたα−WC粉末を用いた他は、実施例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.75mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
比較例1と同一のα−WC粉末135mgと同一のカーボンブラック15mgを乳鉢で混合し、その47.1mgをエタノール5mLに混合し、他は比較例1と同様な方法により、電極へのα−WC担持量が0.75mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Ruの合成>
実施例1で合成されたα−WCの代わりに、比較例1で合成されたα−WCを用いた他は、実施例17と同様な方法によりRuを被着したα−WCを得た。この化合物はXRD分析により、α−WC構造を有していることを確認した(2θの値は31.400゜、35.648゜、40.311゜、48.299゜、63.777゜、64.153゜にピークを与えた)。また、48.299゜のピークの半値幅は0.624゜であった。
実施例17において用いたRuを被着したα−WCの代わりに、上記合成方法で得られたRuを被着したα−WCを用いた他は、実施例17と同様な方法により、電極へのRuが被着したα−WC担持量が0.10mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Pdの合成>
実施例1で合成されたα−WCの代わりに、比較例1で合成されたα−WCを用いた他は、実施例18と同様な方法によりPdを被着したα−WCを得た。この化合物はXRD分析により、α−WC構造を有していることを確認した(2θの値は31.400゜、35.649゜、40.305゜(Pd)、46.608゜(Pd)、48.254゜、58.349゜、64.297°、65.393°、68.376°(Pd)にピークを与えた)。また、48.254゜のピークの半値幅は0.562゜であった。
実施例18において用いたPdを被着したα−WCの代わりに、上記合成方法で得られたPdを被着したα−WCを用いた他は、実施例18と同様な方法により、電極へのPdが被着したα−WC担持量が0.01mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
<WC−Ptの合成>
実施例1で合成されたα−WCの代わりに、比較例1で合成されたα−WCを用いた他は、実施例19と同様な方法によりPtを被着したα−WCを得た。この化合物はXRD分析により、α−WC構造を有していることを確認した(2θの値は31.401゜、35.605゜、39.800゜(Pt)、40.342゜、46.253゜(Pt)、48.254゜、58.311°、64.350°、67.690°(Pt)にピークを与えた)。また、48.254゜のピークの半値幅は0.566゜であった。
実施例19において用いたPtを被着したα−WCの代わりに、上記合成方法で得られたPtを被着したα−WCを用いた他は、実施例19と同様な方法により、電極へのPtが被着したα−WC担持量が0.01mg/cm2となるようにアノード電極を作成し、同様に評価を行って結果を表3に示した。
実施例1と実施例3を比較することにより、水素ガス気流下で加熱することにより還元処理を行うと活性が向上することが分かる。また実施例3と実施例4を比較することにより、当該還元処理に加えてNaOH水溶液に接触させることにより、活性が更に向上することが分かる。
実施例1と実施例8を比較することにより、粒径がおよそ50nmの原料化合物WO3を用いて調整したWCの方が、粒径がおよそ250nmの原料化合物WO3を用いて調整したWCより活性が高いことが分かる。
Claims (9)
- X線回折法(Cu−Kα線)による回折角2θ(±0.3゜)が40゜以上60゜以下の領域における最大回折ピークの半値幅が、1.0゜以上、16.5°以下である炭化タングステンを含有する燃料電池用触媒であって、
該炭化タングステンは、窒化タングステン、及び硫化タングステンからなる群から選ばれる化合物を、炭化タングステンに転化させてなることを特徴とする燃料電池用触媒。 - 請求項1に記載の燃料電池用触媒において、該炭化タングステンが基体に被着されてなることを特徴とする燃料電池用触媒。
- 請求項1又は2に記載の燃料電池用触媒において、該炭化タングステンの平均粒径が、0.1nm以上1000nm以下であることを特徴とする燃料電池用触媒。
- 請求項2又は3に記載の燃料電池用触媒において、該基体が炭素系基体であることを特徴とする燃料電池用触媒。
- 請求項4に記載の燃料電池用触媒において、該炭素系基体の比表面積が200m2/g以上、5000m2/g以下であることを特徴とする燃料電池用触媒。
- 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒において、更に、遷移金属と炭化タングステン以外の遷移金属化合物とからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有することを特徴とする燃料電池用触媒。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の燃料電池用触媒を含有することを特徴とする燃料電池用電極。
- 請求項7に記載の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする燃料電池。
- 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の炭化タングステンを含有する燃料電池用触媒を製造する方法において、窒化タングステン、及び硫化タングステンからなる群から選ばれる化合物を、炭素系基体の存在下又は不存在下に、炭化水素或いは炭化水素及び水素と接触させて、炭化タングステンに転化させることを特徴とする燃料電池用触媒の製造方法。
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