JP6570515B2 - 酸素還元触媒及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る酸素還元触媒は、導電性酸化物と、導電性酸化物の少なくとも表面に設けられた、酸素空孔を有する、Ti、Zr、Nb及びTaからなる群から選択された少なくとも1種以上の遷移金属の酸化物とを含む。本実施形態に係る酸素還元触媒において、導電性酸化物は母材として機能することができ、導電性を有しつつ、カーボンのような材料に対して安定性が良好である。また、導電性酸化物の少なくとも表面に、酸素空孔を有する、Ti、Zr、Nb及びTaからなる群から選択された少なくとも1種以上の遷移金属の酸化物が設けられているため、当該酸素空孔が酸素還元反応の活性点として有効に機能する。そして、当該活性点である酸素空孔の近傍に上記導電性酸化物が存在するため、導電性酸化物が伝導経路となり、酸素還元性能を向上させることができる。さらに、本発明では遷移金属の酸化物として、4族、5族元素であるTi、Zr、Nb及びTaを用いているため、酸素還元反応の活性点として機能する酸素空孔を形成し易く、製造効率が良好となる。
次に、本実施形態に係る酸素還元触媒の製造方法について説明する。まず、(1)導電性酸化物、及び、(2)Ti、Zr、Nb及びTaの酸化物からなる群から選択された酸化物を準備する。次に、(1)導電性酸化物が50〜95質量%、(2)Ti、Zr、Nb及びTaの酸化物からなる群から選択された酸化物が5〜50質量%となるように調合した後、ボールミル等を用いて、Ti、Zr、Nb及びTaの酸化物からなる群から選択された酸化物が、導電性酸化物の少なくとも表面に担持するように1〜10時間混合する。続いて、1〜100%水素の不活性ガス雰囲気下で、1〜50時間、800〜1300℃の熱処理を行い、上記混合物の還元処理を行う。このようにして、導電性酸化物と、導電性酸化物の少なくとも表面に設けられた、酸素空孔を有する、Ti、Zr、Nb及びTaからなる群から選択された少なくとも1種以上の遷移金属の酸化物とを含む酸素還元触媒が得られる。
本実施形態に係る酸素還元触媒を用いて空気極を作製することができる。当該空気極は、燃料電池や空気電池に用いることができる。該燃料電池の電解液としては、酸性溶液、アルカリ溶液、中性溶液、有機系溶媒のいかなる性質をもつ電解液も使用することができる。燃料電池の燃料としては特に制限されず、水素、メタノール又は水素化合物等を用いることができる。空気電池の場合も同様に電解液や負極活物質は特に限定されない。また、Liを含む物質を負極とするLi空気電池の空気極として利用することもできる。
実施例で作製した各酸素還元触媒について、ボールミル後且つ熱処理前のもの(焼成前と表記)、及び、40時間で1050℃の焼成後のもの(40hと表記)について、それぞれ、XRD(Ultima IV X-RAY DIFFRACTION METER、Rigaku社製)を用いて粉末X線回折の測定を行った。測定結果を図1に示す。粉末X線回折の測定により、(2)としてZrO2を用いたものについてZrO2-x構造を含む複合酸化物相が形成されていることが確認された。また、(2)としてNb2O5を用いたものについてNbO2-x構造を含む酸化物相が形成されていることが確認された。また、(2)としてTa2O5を用いたものについてTaO2-x構造を含む酸化物相が形成されていることが確認された。また、TiO2のみを用いたものについてTiO2-x構造を持つ酸化物相が形成されていることが確認された。
実施例で作製した40時間で1050℃の焼成後の各酸素還元触媒について、XPS測定装置(アルバック−ファイ社、型式PHI Quantum−2000)にてXPS測定を行った。測定結果を図3〜5に示す。
上記実施例で作製した各酸素還元触媒について、酸化物熱処理前のものと、40時間熱処理後のものとを、それぞれ10mg採取し、5質量%ナフィオン(登録商標)16.6μLと1−ヘキサノール溶液428.4μLの混合溶液に加えて、触媒インクを調製した。次に、触媒インクを超音波処理により分散した後、鏡面処理したグラッシーカーボン(GC、φ5.2mm、東海カーボン社製)に担体を含んだ触媒担体量0.15mgを目安に滴下し、60℃の恒温槽で乾燥して作用極とした。
次に、酸素還元能評価試験1として、電解質を0.1mol/dm3のH2SO4とし、温度を30±5℃とし、窒素で飽和した三電極式セルを準備した。参照極を可逆水素電極(RHE)、対極をグラッシーカーボンプレートとした。前処理として酸素雰囲気でCyclic Voltammetry(CV)を走査速度150mV/s、0.05〜1.2Vvs.RHEの範囲で300サイクル行った。その後、Slow Scan Voltammetry (SSV)を走査速度5mV/s、0.2〜1.2Vvs.RHEの範囲で酸素、窒素雰囲気にてそれぞれ3サイクル行った。3サイクル目のSSVから得た酸素雰囲気の電流密度から窒素雰囲気でのバックグラウンドの電流密度を引いて酸素還元電流密度iORRを算出した。算出結果を用いて、図2に、触媒の担体を含む単位質量当たりのORR(酸素還元反応)の電流と電位との関係を示す。図2によれば、酸化物熱処理前の触媒では、元素の種類によらず、どれも同様に電流が流れなかった。また、焼成後のものは、いずれも0.9Vvs.RHEから既に酸素還元し始めており、活性が高いことがわかる。また、特にTiO2+Nb2O5の組み合わせで作製した酸素還元触媒を用いたものが最も酸素還元能が高いことがわかった。
また、図2によれば、熱処理を行うことで混合物全体に複合化が行われて、酸素空孔を有する遷移金属の酸化物が少なくとも導電性酸化物であるTi4O7の表面に生成していることがわかる。これは、酸素還元反応は触媒表面でしか起こり得ず、図2のように触媒能を持つことそのものが、活性点(酸素空孔)が表面にあることを示しているためである。
さらに、図3〜5によれば、各酸素還元触媒において、いずれの元素(Nb、Zr、Ta)も空孔のない酸化物(Nb2O5、ZrO2、Ta2O5)よりもピークが低エネルギー側にシフトしており、還元状態にあることを示した。
上記実施例のうち、TiO2とNb2O5とで作製した酸素還元触媒(図2の(4)の酸素還元触媒)を用いて、上記酸素還元能評価試験1と同様の評価を2回行い(1st、2nd)、酸素還元電流密度iORRを算出した。算出結果を用いて、図6に、触媒の担体を含む単位質量当たりのORR(酸素還元反応)の電流と電位との関係を示す。
図6によれば、TiO2とNb2O5とで作製した酸素還元触媒を用いたときの開始電位が1.1Vとなり、Ptを酸素還元触媒として用いた場合(開始電位1.05V)に比べて良好な結果となった。
上記実施例のうち、TiO2とNb2O5とで作製した酸素還元触媒(図2の(4)の酸素還元触媒)について、起動停止試験を、電解質を0.1mol/dm3のH2SO4とし、30℃(室温を想定)、試験電圧1.0〜1.5Vvs.RHE、電位走査速度500mV/sの三角波を用いて20000サイクル行った。次に、当該酸素還元触媒について、上記酸素還元能評価試験1と同様の評価を0サイクル、20000サイクル後のサンプルについてそれぞれ行い、酸素還元電流密度iORRを算出した。算出結果を用いて、図7に、触媒の担体を含む単位質量当たりのORR(酸素還元反応)の電流と電位との関係を示す。
図7によれば、20000サイクル後であっても酸素還元触媒の酸素還元能が劣化していないことがわかる。
上記実施例のうち、TiO2とNb2O5とで作製した酸素還元触媒(図2の(4)の酸素還元触媒)について、起動停止試験を、電解質を0.1mol/dm3のH2SO4とし、80℃(実際の燃料電池の操業条件を想定)、試験電圧1.0〜1.5Vvs.RHE、電位走査速度500mV/sの三角波を用いて20000サイクル行った。次に、当該酸素還元触媒について、上記酸素還元能評価試験1と同様の評価を0サイクル、3000サイクル、5000サイクル、10000サイクル、20000サイクル後のサンプルについてそれぞれ行い、酸素還元電流密度iORRを算出した。算出結果を用いて、図8に、触媒の担体を含む各サイクルに対するORR(酸素還元反応)の電流と電気量との関係を示す。
図8によれば、活性は各サイクル後のサンプルでほぼ一定であり、電気量も各サイクル後のサンプル間でほとんど変わらないことがわかる。
上記実施例のうち、TiO2とNb2O5とで作製した酸素還元触媒(図2の(4)の酸素還元触媒)について、起動停止試験を、電解質を0.1mol/dm3のH2SO4とし、80℃(実際の燃料電池の操業条件を想定)、試験電圧1.0〜1.5Vvs.RHE、電位走査速度500mV/sの三角波を用いて20000サイクル行った。次に、当該酸素還元触媒について、上記酸素還元能評価試験1と同様の評価を0サイクル、5000サイクル、10000サイクル、20000サイクル後のサンプルについてそれぞれ行い、酸素還元電流密度iORRを算出した。図9に、触媒の担体を含む各サイクルにおける、0.7Vvs.RHEにおける0サイクル時の酸素還元電流密度に対する、各サイクル時の酸素還元電流密度の比の関係を示す。
図9によれば、0サイクル目の酸素還元電流密度(0.7Vvs.RHE)に対して、サイクルが増えても、実施例の酸素還元触媒の触媒能は劣化しないことがわかる。
上記実施例のうち、TiO2とNb2O5とで作製した酸素還元触媒(図2の(4)の酸素還元触媒)について、負荷応答試験を、電解質を0.1mol/dm3のH2SO4とし、80℃(実際の燃料電池の操業条件を想定)、試験電圧0.6〜1.0Vvs.RHE、それぞれの電圧保持時間3秒の矩形波を用いて20000サイクル行った。次に、当該酸素還元触媒について、上記酸素還元能評価試験1と同様の評価を0サイクル、1000サイクル、2500サイクル、5000サイクル、10000サイクル、20000サイクル後のサンプルについてそれぞれ行い、酸素還元電流密度iORRを算出した。図10に、触媒の担体を含む各サイクルに対する0.7Vvs.RHEにおける0サイクル時の酸素還元電流密度に対する、各サイクル時の酸素還元電流密度の比を示す。
図10によれば、0サイクル目の酸素還元電流密度(0.7Vvs.RHE)に対して、サイクルが増えても、実施例の酸素還元触媒の触媒能は劣化しないことがわかる。
Claims (8)
- 導電性酸化物と、
前記導電性酸化物の少なくとも表面に設けられた、酸素空孔を有する、Ti、Zr、Nb及びTaからなる群から選択された少なくとも1種以上の遷移金属の酸化物と、
を含む酸素還元触媒。 - 前記遷移金属の酸化物が、0<x≦0.2としたとき、TiO2-x、ZrO2-x、NbO2-x、又は、TaO2-xで表される請求項1に記載の酸素還元触媒。
- 前記導電性酸化物が、Ti、Zr、Nb及びTaからなる群から選択された少なくとも1種以上の遷移金属の酸化物である請求項1又は2に記載の酸素還元触媒。
- 前記導電性酸化物が、Ti4O7、Ti3O5、Ti2O3、TiO、Ti3O2、ZrO、NbO又はTaOである請求項3に記載の酸素還元触媒。
- 前記導電性酸化物と前記遷移金属の酸化物とが複合化されて形成されている請求項3又は4に記載の酸素還元触媒。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の酸素還元触媒を空気極として用いた燃料電池。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の酸素還元触媒を空気極として用いた空気電池。
- 導電性酸化物を50〜95質量%に対し、Ti、Zr、Nb及びTaの酸化物からなる群から選択された酸化物を5〜50質量%を前記導電性酸化物の少なくとも表面に担持させるように混合した後、1〜100%水素の不活性ガス雰囲気下で800〜1300℃の熱処理を行う工程を含む請求項1〜5のいずれか一項に記載の酸素還元触媒の製造方法。
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