JP7262779B2 - 異方性ナノ構造体及びその製造方法並びに触媒 - Google Patents
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Description
項1. 式RuxM1-x(式中、0.6≦x≦0.999、MはIr、Rh、Pt、Pd及びAuからなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。)で表わされ、 RuとMが原子レベルで固溶し、かつ、異方性の六方最密構造(hcp)を有する異方性ナノ構造体。
項2. 0001面が主要な面として露出したナノシート又はナノプレートが積み重なった2次元シート構造を有する、項1に記載の異方性ナノ構造体。
項3. 異方性の六方最密構造を有する異方性ナノ構造体が、下記式(I)
Z/Y≧1.5 (I)
(式中、YはX線回折パターンの10-11ピークから算出された結晶子の大きさを表し、Zは11-20ピークから算出された結晶子の大きさを表す。)
の関係を満たす、項1又は2に記載の異方性ナノ構造体。
項4. 異方性の六方最密構造を有する異方性ナノ構造体が、下記式(Ia)
Z/Y≧2.5 (Ia)
(式中、YはX線回折パターンの10-11ピークから算出された結晶子の大きさを表し、Zは11-20ピークから算出された結晶子の大きさを表す。)
の関係を満たす、項3に記載の異方性ナノ構造体。
Z/Y≧3 (Ib)
(式中、YはX線回折パターンの10-11ピークから算出された結晶子の大きさを表し、Zは11-20ピークから算出された結晶子の大きさを表す。)
の関係を満たす、項3に記載の異方性ナノ構造体。
項6. 0001面の全表面積に対する露出割合が60~99%である、項1~5のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。
項7. 異方性ナノ構造体を構成する[0001]面が主要な面として露出したナノシート又はナノプレートの厚さが0.2~20nmである、項1~6のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。
項8. MがIrである、項1~7のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。
項9. 0.8≦x≦0.995である、項1~8のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。
項10. 樹枝状、珊瑚状、網目状又はフラワー状の形状を有する項1~9のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。
項11. 項1~10のいずれか1項に記載のナノ構造体を含む、触媒。
項12. OER(酸素発生反応)又はHER(水素発生反応)用電極触媒である、項11に記載の触媒。
項13. 項1~10のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体を製造する方法であって、還元剤を含む215~230℃の溶液に、Ru化合物とM化合物とを含む溶液を添加する工程を含むことを特徴とする、異方性ナノ構造体の製造方法。
項14. 前記溶液におけるRu化合物とM化合物との合計の濃度が0.55 C0~ 2C0(C0 = 1 mmol / 15ml)である項13に記載の異方性ナノ構造体の製造方法。
項15. Ru化合物とM化合物とを含む溶液の添加速度が0.5 r0~ 5r0(r0 = 1 ml / min)である項13又は14に記載の異方性ナノ構造体の製造方法。
Z/Y≧1.5 (I)
(式中、YはX線回折パターンの10-11ピークから算出された結晶子の大きさを表し、Zは11-20ピークから算出された結晶子の大きさを表す。)
の関係を満たす。
Ru化合物: [Ru(NH3)6]Cl3, [Ru(C5H7O2)3], K2[RuCl5(NO)], K2[RuCl6]、Na2[RuCl6]、(NH4)3[RuCl6]、、RuCl3、RuBr3、硝酸ルテニウム、酢酸ルテニウムなど、
Ir化合物: IrCl4, IrBr4などのハロゲン化ルテニウム、K2[IrCl6]、硝酸イリジウム、イリジウムアセチルアセトナート、イリジウムシアン酸カリウム、イリジウム酸カリウムなど、
Pd化合物: K2PdCl4, Na2PdCl4, K2PdBr4, Na2PdBr4、硝酸パラジウムなど
Rh化合物: 酢酸ロジウム、硝酸ロジウム、塩化ロジウムなど
Pt化合物: K2PtCl4、(NH4)2K2PtCl4、(NH4)2PtCl6、Na2PtCl6など、ビスアセチルアセトナト白金(II)、
Au化合物: HAuCl4、HAuBr4、K2AuCl6、Na2AuCl6、酢酸金など、
Ru化合物とM化合物の溶媒溶液中の濃度としては、各々0.01~1000mmol/L程度、好ましくは0.05~100 mmol/L 程度、より好ましくは0.1~50 mmol/L程度である。Ru化合物とM化合物の濃度が0.01~1000mmol/L程度である場合にはRuとMの原子レベルで均一性が保たれる。
(i)Powder X-ray Diffraction (PXRD)
Rigaku Miniflex600 (Cu Kα)
(ii)Transmission electron microscope (TEM)
Hitachi HT7700 (accelerating voltage: 100 kV)
(iii)High-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM)
JEOL JEM-ARM200F (accelerating voltage: 200 kV)
(iv)X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)
Shimadzu ECSA-3400 (The data were calibrated by carbon 1s signal)
(v)Electrocatalytic process
ALS CHI electrochemical analyzer Model 760E
Rotating Ring Disk Electrode RRDE-3A (ALS Japan(BAS社))
テトラエチレングリコール(TEG)50 ml、PVP(5mmol)、IrCl4(0.1mmol)、RuCl3・nH2O(0.9mmol)を100mlのナス型フラスコに室温で加え、撹拌下にオイルバスで230℃まで加熱し、3時間反応させた。得られた反応液を遠心分離して沈殿した球状のRuIr固溶体ナノ粒子(Ru:Ir=93:7、粒径=4.0nm)を得た。以下、得られたナノ粒子をS-RuIrと略記する。得られたS-RuIrのTEM像と蛍光X線分析(XRF)の結果を図3に示す。また、Ruナノ粒子およびIrナノ粒子を上記と同様の方法で作製した。ただし、金属塩はRuナノ粒子ではRuCl3・nH2O(3.0mmol)、Irナノ粒子ではIrCl4(1.0 mmol)を使用した。得られたナノ粒子(Ir NPsとRu NPs)についてのTEM像とXRFの結果を図3に示す。
TEG(100ml)とPVP(10mmol)を200mlのビーカーに加え、撹拌下にオイルバスで230℃に加熱した。IrCl4(0.16mmol)とRuCl3・nH2O (1.84mmol)を15mlの水に溶解した溶液(合計の濃度は2C0、C0=1mmol/15ml)を上記のTEGとPVPを含む230℃の加熱溶液に撹拌下に0.5r0(r0=1.00ml/min)の速度で注入装置(商品名KDS200シリンジポンプ、KD Scientific社製)により注入し、30分間反応させた。得られた反応液を遠心分離して沈殿した固溶体であるRuIrナノ構造体(Ru:Ir=94:6)を得た(#39)。以下、得られたナノ構造体をN-RuIrと略記する。得られたN-RuIrのTEM像とXRFの結果を図3に示す。
実施例1で得られたN-RuIrと比較例1で得られたS-RuIr、さらにRu NPs、Ir NPs、Ruバルク(Ru bulk)、Irバルク(Ir bulk)についてのPXRDの結果を図4に示す。
なお、PXRDの測定は、SPring-8 BL02B2 (λ = 0.58 Å)、Bruker D8 Advance (Cu Kα; λ= 1.54 Å)により行った。
[電極触媒の製造]
実施例1で得られたN-RuIrをカーボン粒子に担持したRuIrナノ構造体触媒(RuIr/C:金属量20wt%)を製造した。また、比較例1で得られたS-RuIrをカーボン粒子に担持したRuIr固溶体粒子触媒(RuIr/C:金属量20wt%)を製造した。さらに、N-RuIrの代わりにRu NPs、Ir NPs、IrO2(Sigma-Aldrich製)、RuO2(和光純薬工業株式会社製)、をカーボン粒子に担持した触媒およびPt/C(Johnson Matthey製)(各々Ru/C、Ir/C、IrO2/C、RuO2/C、Pt/C:金属量20wt%)を製造した。得られた触媒は回転ディスク電極(φ 5.00 mm, 0.196 cm-2)に各0.01mg塗布し触媒評価を行った。
電流測定装置:ポテンシオスタット(BAS社製 ALS760E)
測定方法:実施例1のN-RuIrをカーボンに担持した回転リングディスク電極をアノードとし、3電極式セル(対極:白金線、参照極:銀-塩化銀電極(Ag/AgCl)、電解液:0.05MのH2SO4水溶液、25℃、Ar-パージ、1600rpm)を用いて、1Vから2.0V(vs.RHE)まで5mV/sにて電位Eを掃引したときの電流値Iを測定した。比較のために電極材料をN-RuIrに代えてS-RuIr、Ruナノ粒子(Ru NPs)、Irナノ粒子(Ir NPs)、酸化イリジウム(IrO2)、酸化ルテニウム(RuO2)を用いて同様にOER触媒活性を測定した。結果を図8aに示す。さらに、1.43VRHEでの電流密度(図8b)、電流密度1mA/cm2でのクロノポテンシオメトリー曲線(図8c)を測定した。OER分極曲線を繰り返し測定し、1回目(1st)、2回目(2nd)、4回目(4th)の結果を図9に示す。図8(a)-(b)より本発明のRuIrナノ構造体触媒が同金属組成のRuIrナノ粒子触媒および、Ruナノ粒子触媒、Irナノ粒子触媒、IrO2、RuO2触媒よりの高い活性を示し、RuIrナノ構造体触媒は電流密度10mA/cm-2までわずか170mVの過電圧で到達することが明らかとなった。図8(c)からはRuIrナノ構造体触媒が同金属組成のRuIrナノ粒子触媒および、Irナノ粒子触媒に比べはるかに高い耐久性を示すことが明らかとなった。図9(a)では、RuIrナノ構造体触媒が繰り返しの活性評価において触媒活性が低下しないことに対し、同金属組成のRuIrナノ粒子触媒では、2回目の評価ですでに活性が低下することが示されている。図9(b)では、Ruナノ構造体触媒およびRuナノ粒子触媒を比較しており、Ruナノ構造体触媒はRuナノ粒子より高い耐久性を有するが、2回目の評価で既に活性が低下している。図9の結果より、本発明のRuIrナノ構造体触媒の高い耐久性は特異なナノ構造と合金(固溶体)という2つの効果によるものであると示された。
電流測定装置:ポテンシオスタット(BAS社製 ALS760E)
測定方法:実施例1のN-RuIrをカーボン粒子に担持した回転リングディスク電極をカソードとし、3電極式セル(対極:白金線、参照極:水銀-酸化水銀電極(Hg/HgO)、電解液:0.05MのH2SO4水溶液、25℃、Ar-パージ、1600rpm)を用いて、-1Vから0.1V(vs.RHE)まで5mV/sにて電位Eを掃引したときの電流値Iを測定し、HER触媒活性を評価した。比較のために電極材料をN-RuIrに代えてS-RuIr、Ruナノ粒子(Ru NPs)、Irナノ粒子(Ir NPs)、白金ナノ粒子(Pt NPs)を用いて同様にHER触媒活性を測定した。結果を図10に示す。本発明のRuIrナノ構造体触媒はいずれの触媒よりも高い活性を示し、市販のPt触媒よりも高い活性を示すことが分かった。
IrCl4とRuCl3の濃度を0.55C0(#38)、1.00C0(#42)、2.00C0(#33)とし、注入速度を1.0r0(r0=1.00ml/min)とした以外は、実施例1と同様にしてN-RuIrを得た。得られたN-RuIrのTEM像、PXRD、XRFの結果を図12に示す。金属塩濃度が高いとより異方的成長が促されることが分かった。
TEGとPVPを含む加熱溶液の温度を200℃(#41)、215℃(#40)、230℃(#33)、245℃(#34)とし、注入速度を1.0r0(r0=1.00ml/min)とした以外は実施例1と同様にしてN-RuIrを得た。得られたN-RuIrのTEM像、PXRD、XRFの結果を図13に示す。加熱溶液の温度は215℃から230℃の範囲がより異方的成長を促すことが分かった。
IrCl4とRuCl3を含む溶液の注入速度を0.2r0(#36)、4r0(#37)、5r0(#23)とした以外は、実施例1と同様にしてN-RuIrを得た。得られたN-RuIrのTEM像、PXRD、XRFの結果を図14に示す。注入速度は0.5 r0から5 r0で異方的成長が促され、早くするほど結晶子サイズが小さくなることがわかった。
合成条件を「RuCl30.7 mmol、IrCl4 0.3 mmol、H2O 15 ml(#6)」又は「RuCl3 0.65 mmol、IrCl4 0.35 mmol、H2O 15 ml(#5)」、「RuCl3 0.60 mmol、IrCl4 0.40 mmol、H2O 15 ml(#24) 」又は「RuCl3 0.59 mmol、IrCl4 0.41 mmol、H2O 15 ml(#25) 」とした以外は実施例1と同様にしてN-RuIrを得た。得られたN-RuIrのTEM像、XRF PXRD、の結果を図15、図16に示す。
合成条件をRuCl30.50 mmol、IrCl4 0.50 mmol、H2O 15 ml(#27)とした以外は実施例1と同様にして球状のRuIr固溶体ナノ粒子を得た。得られたRuIr固溶体ナノ粒子のTEM像、XRF、PXRDの結果を図15、図16に示す。 実施例1の製造条件で製造した場合にも、Irの割合が40原子%を超えると(47原子%)球状のRuIr固溶体ナノ粒子が得られることから、還元剤溶液の温度、金属化合物の濃度と添加速度に加えてRuが60~99.9原子%含まれることが本発明のナノ構造体の製造に重要であることが明らかになった。
合成条件を「RuCl31.90 mmol、K2PdCl40.10 mmol、H2O 15 ml(実施例6)」又は「RuCl3 1.90 mmol、K2PtCl4 0.10 mmol、H2O 15 ml(実施例7)」とした以外は実施例1と同様にしてN-RuPd(実施例6)、N-RuPt(実施例7)を得た。得られたN-RuPd、N-RuPtのTEM像、PXRD、10-11面のサイズ、11-20面のサイズ並びにこれらの比(11-20/10-11)の結果を図17、18に示す。
合成条件を「RuCl31.90 mmol、酢酸ロジウム0.10 mmol、H2O 15 ml(実施例8)」又は「RuCl3 1.90 mmol、HAuCl4 0.10 mmol、H2O 15 ml(実施例9)」とした以外は実施例1と同様にしてN-RuRh(実施例8)、N-RuAu(実施例9)を得た。得られたN-RuRh、N-RuAuのTEM像、PXRD、10-11面のサイズ、11-20面のサイズ並びにこれらの比(11-20/10-11)の結果を図17、18に示す。
N-RuPd(実施例6)、N-RuIr(実施例1)並びに特許文献2の実施例において、200℃で15分間反応させて得られた比較RuPd(ナノ粒子)について、10-11面、11-20面の結晶子サイズをXRDから求め、それによりシート厚を推定した。具体的には、図20に示されるように、XRDから得られた11-20(面内方向)の結晶子サイズを平均的なシートの広さと仮定して、円盤シートを想定し、相似関係より、10-11の√(9/32)≒0.53倍が円盤シートの厚みと計算し、推定総表面積、0001面の面積、0001面の全表面積に対する露出割合を算出した。なお、10-11と図20の01-11は等価な面である。結果を表1に示す。本発明のRuPd又はRuIrナノ構造体は0001面の全表面積に対する露出割合が79.7%、74.1%と高く、耐久性が高い原因となっているが、特許文献2の実施例に従い製造された比較RuPdナノ粒子は0001面の全表面積に対する露出割合が53.5%と低く、耐久性が低いことが明確になった。また、RuPd NCs、RuIr NCs、比較RuPdナノ粒子の10-11ピークから算出された結晶子の大きさ(Y)、11-20ピークから算出された結晶子の大きさ(Z)、これらの比(Z/Y)を以下の表1に合わせて示す。
実施例6~9で得られたN-RuPd、N-RuPt、N-RuRh、N-RuAuについて、Ru NP(Ruナノ粒子)とともに試験例2と同様にしてHER触媒活性を求めた。結果を図21に示す。N-RuPd、N-RuPt、N-RuRh、N-RuAuは、5%程度の第2金属の添加によりRu NP(Ruナノ粒子)よりも高いHER触媒活性を有することが明らかになった。
実施例1の製造方法に準じ、IrCl4とRuCl3・nH2Oの比率を図22に示すように変更し、保護剤(PVP)を使用せず、図22に示す実験条件で、Ir 7at%、Ir 20at%、Ir 30at%のN-RuIrを合成した。得られたN-RuIrのXRDパターン及び結晶子サイズ解析結果を図23に示し、TEM像を図24に示す。また、酸性水溶液中でのOER活性と安定性を評価した。結果を図25に示す。
実施例1の製造方法に準じ、IrCl4とRuCl3・nH2Oの濃度を図26に示すように変更し、図26に示す実験条件で、N-RuIrのSample 1及びSample 2を合成した。得られたSample 1及びSample 2のXRDパターン、TEM像及び結晶子サイズ解析結果を図27に示し、酸性水溶液中でのOER活性と安定性を評価した。結果を図28に示す。
Claims (14)
- 式RuxM1-x(式中、0.6≦x≦0.999、MはIr、Rh、Pt、Pd及びAuからなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。)で表わされ、RuとMが原子レベルで固溶し、かつ、異方性の六方最密構造(hcp)を有し、且つ、下記式(I)
Z/Y≧1.5 (I)
(式中、YはX線回折パターンの10-11ピークから算出された結晶子の大きさを表し 、Zは11-20ピークから算出された結晶子の大きさを表す。)
の関係を満たす、異方性ナノ構造体。 - 0001面が主要な面として露出したナノシート又はナノプレートが積み重なった2次元 シート構造を有する、請求項1に記載の異方性ナノ構造体。
- 異方性の六方最密構造を有する異方性ナノ構造体が、下記式(Ia)
Z/Y≧2.5 (Ia)
(式中、YはX線回折パターンの10-11ピークから算出された結晶子の大きさを表し 、Zは11-20ピークから算出された結晶子の大きさを表す。)
の関係を満たす、請求項1又は2に記載の異方性ナノ構造体。 - 異方性の六方最密構造を有する異方性ナノ構造体が、下記式(Ib)
Z/Y≧3 (Ib)
(式中、YはX線回折パターンの10-11ピークから算出された結晶子の大きさを表し 、Zは11-20ピークから算出された結晶子の大きさを表す。)
の関係を満たす、請求項1~3のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。 - 0001面の全表面積に対する露出割合((0001面の面積)/(全表面積))が60~99%である、請求項1~4のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。
- 異方性ナノ構造体を構成する[0001]面が主要な面として露出したナノシート又はナノプレートの厚さが0.2~20nmである、請求項1~5のいずれか1項に記載の異方 性ナノ構造体。
- MがIrである、請求項1~6のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。
- 0.8≦x≦0.995である、請求項1~7のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載のナノ構造体を含む、触媒。
- OER(酸素発生反応)又はHER(水素発生反応)用電極触媒である、請求項9に記載の触媒。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体を製造する方法であって、還元剤を含む215~230℃の溶液に、Ru化合物とM化合物とを含む溶液を添加する工程を含むことを特徴とする、異方性ナノ構造体の製造方法。
- 前記溶液におけるRu化合物とM化合物との合計の濃度が0.55C0~2C0(C0=1mmol/15ml)である請求項11に記載の異方性ナノ構造体の製造方法。
- Ru化合物とM化合物とを含む溶液の添加速度が0.5r0~5r0(r0=1ml/min)である請求項11又は12に記載の異方性ナノ構造体の製造方法。
- 0001面内の結晶構造の長さが5nm以上、0001面外の結晶構造の長さが5nm以下、0001面内と0001面外の結晶構造の長さの比(0001面内の結晶の長さ/0001面外の結晶の長さ)=1.5~50である、請求項1~8のいずれか1項に記載の異方性ナノ構造体。
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