催化剂的制造方法和催化剂的制作方法_2

文档序号:8399413阅读:来源:国知局
溶液100mL,用珠磨机进行30min湿式粉碎,其后,向浆料中加入35%过氧化氢溶液100mL,在室温下搅拌48h。
[0073](2)将搅拌后浆料过滤,重新加入35%过氧化氢溶液150ml,在室温下搅拌48h。
[0074](3)过滤后,在120°C真空干燥12h。
[0075](4)向(3)的碳载体Ig中加入水12g,用复合型混合机离心搅拌4min。
[0076](5)追加水88g,用超声波均质器处理lOmin。
[0077](6)用纯水将六羟基铂酸硝酸溶液(铂1wt %,硝酸浓度50wt% )稀释至300倍,加入(5)。
[0078](7)用搅拌器搅拌4小时。
[0079](8)进行过滤.纯水清洗后,在60°C真空干燥3h。
[0080](9)在150°〇在队气流中加热。
[0081 ] 应予说明,铂催化剂微粒的担载方法与已经叙述的实施例的催化剂A相同。
[0082](哈米特酸度函数的评价)
[0083]使用哈米特酸度函数(表I)不同的磺酸基修饰催化剂制作催化剂层,在阴极中使用它的MEA的低湿润条件(温度:80°C,湿度:40% RH,压力:大气压)下进行发电评价。
[0084]表I
[0085]哈米特酸度函数的调整在用磺酸基修饰催化剂载体时通过控制(I)?(3)的步骤进行。
[0086]具体而言,实施已经叙述的⑴?⑶的步骤得到催化剂A — I。若省略(3)的步骤则为催化剂A — 2。若省略⑵和(3)的步骤则得到催化剂A — 3。催化剂A — 4是在40°C实施(I)的步骤,并省略步骤(2)、(3) ο
[0087]将结果示于图2。
[0088]如图2所示,哈米特酸度函数负得越大,1-V性能越好。另外,对于0.1?0.8A/cm2的发电性能而言,A-1、A-2与A-3、A-4相比性能更高。认为这是由于没有进行离聚物涂布的催化剂也利用在载体上存在的磺酸基充分确保了质子导电性,即便在低湿度条件下也能够继续发电,利用生成水保持湿润。
[0089]此外,认为由于磺酸基本身为亲水性,所以与水的亲和力强,还具有抑制生成水的蒸发的作用。
[0090]上述中,哈米特酸度函数是指固体酸、高浓度溶液、混合溶剂体系、超强酸等不适用氢离子指数(PH)的情况下使用的表示酸的强度的标准。由于磺化多孔性碳为固体酸,所以用哈米特酸度函数表示酸的强度是恰当的,是评价酸催化剂时有用的标准。
[0091]该例中,基于松桥等人的方法(H.Matsuhashi et al., J.Phys.Chem.B.105,9669 (2001)),测定氩吸附热,利用经验式转换成哈米特酸度函数。
[0092]应予说明,得到图2的结果时的催化剂层如下制作。
[0093]实施以下(7 )?(力)的步骤制作催化剂糊料。
[0094]( 7 )向催化剂(Pt:50wt% )0.5g中加入水6g,用复合型混合机离心搅拌4min。
[0095]( )追加水90g,用超声波均质器处理lOmin。
[0096](々)静置I小时以上使催化剂沉淀,除去上清液。
[0097](工)以上述预糊料的催化剂:水的比率为1:12的方式除去上清液。
[0098](才)加热除去高分子电解质溶液(DE2020)的溶剂,使高分子再次溶解于IPAiTBA =1:1溶液,制成5%溶液。
[0099](力)向(工)的催化剂+水糊料中加入5g的(才)高分子电解质溶液,用复合型混合机混合搅拌4min。
[0100]将实施上述步骤而得的催化剂糊料通过丝网印刷涂布在⑶L上,用热风进行干燥。
[0101]在140 °C以40kgf/cm2对这样得到的电极和电解质膜进行热压接。
[0102]以下,对PFF结构进行说明。
[0103]在此,PFF(申请人的注册商标)结构是指高分子电解质的侧链的亲水性官能团为了在催化剂上形成亲水层而在催化剂侧取向的结构。
[0104]例如作为高分子电解质通用的全氟磺酸(Naf1n等;DU PONT公司注册商标)中,作为亲水性官能团的磺酸基(一 S03_)作为侧链E2与疏水性的主链El键合,如图3所示,通过使该亲水性官能团在催化剂C侧取向,从而在催化剂C与电解质层E之间形成连续的亲水区域W。在凝聚的催化剂C中,各催化剂粒子表面的该亲水区域W相互连通。在PFF结构的亲水区域W质子(H+)和水(H2O)能够顺利地移动,其结果,促进燃料电池的电气化学反应。
[0105]另外,根据PFF结构,由于水聚集在催化剂C的周围,所以即便是少量的水,由于其大部分有效地帮助电气化学反应,所以即便在低湿润状态下也能够防止燃料电池的发电能力降低。另一方面,连续的亲水区域W作为过量的水的排水通道发挥功能,于是在高湿润状态下也能够预防水淹现象。
[0106]上述中催化剂C是使催化剂金属粒子C2担载在具备导电性的载体Cl上而得到的。对载体Cl要求导电性和通气性,可以采用多孔的炭黑粒子,也可以使用氧化锡、钛酸化合物等。催化剂金属粒子C2由能够提高燃料电池反应的活性点的金属微粒构成,可以使用钼、钴、?!了等贵金属和该贵金属的合金。
[0107]使催化剂金属粒子C2担载在载体Cl上的方法根据两者的材质、催化剂的用途从含浸法、胶体法和析出沉淀法等公知的方法中适当地选择。
[0108](催化剂的处理)
[0109]通常,催化剂由催化剂制造商提供。根据燃料电池所需的特性等优选对该催化剂进行物理和/或化学处理。
[0110](催化剂的物理处理)
[0111]作为催化剂的物理处理,有粉碎处理和脱泡处理。
[0112]一粉碎处理一
[0113]一般而言催化剂的载体彼此凝聚而形成2次粒子、3次粒子。因此,为了提高催化剂的表面积,优选将凝聚体粉碎使其微粉末化,因此优选使催化剂的凝聚体分散于介质而进行湿式粉碎。
[0114]通过采用湿式粉碎,与干式粉碎相比,能够对催化剂的凝聚体施加更高能量而将其粉碎得更细。另外,与干式粉碎相比,能够有效防止催化剂的再结合。作为湿式粉碎的方法,可以采用均质器、湿式喷磨机、球磨机或者珠磨机。
[0115]通过采用湿式粉碎还得到除去附着在催化剂的载体上的杂质的效果。介质通常采用水,但根据杂质的特性,也可以采用其它介质(有机溶剂等)。也可以最初以水为介质实施湿式粉碎,其后用有机溶剂等从催化剂中除去杂质。
[0116]为了使湿式粉碎的催化剂干燥,优选通过升华除去介质。由此,能够防止催化剂的再凝聚。作为使介质升华的方法,可举出真空干燥法。与此相对,如果采用加热干燥法则在通过加热而介质移动时或者介质蒸发时,产生毛细管收缩现象而使催化剂彼此再结合,无法维持湿式干燥中得到的高分散状态。
[0117]也可以对催化剂的载体实施湿式粉碎和根据需要实施杂质除去,在载体分散于介质(例如水等)中的状态下使催化剂金属粒子担载在该载体上。在这种情况下,作为干燥工序,优选通过升华除去使催化剂分散的介质。
[0118]—脱泡处理一
[0119]优选在催化剂混合分散于水中的状态下从催化剂周围除去气泡(脱泡处理)。因为在催化剂与电解质层之间形成亲水区域时该气泡成为障碍。
[0120]该脱泡处理可以利用复合型混合机(自转/公转式离心搅拌机)并采用离心搅拌法进tx。
[0121]当然,不限于该离心搅拌法,也可以采用其它搅拌法(球磨法、搅拌法、珠磨法、辊磨法等)。
[0122]另外,进行湿式粉碎时,有时也能够从催化剂周围除去气泡,这种情况下不需要单独的脱泡处理。
[0123](催化剂的化学处理)
[0124]对催化剂进行化学处理,用特定的亲水基修饰其载体的表面。
[0125]通过用亲水基修饰载体的表面,从而提高载体的周围的亲水性,提高催化剂C与电解质层E之间的亲水区域W的亲水性。
[0126]在此修饰是指使该修饰基团存在于载体表面,并且经过通常的制造工序使该修饰基团不从载体表面分离。
[0127]作为亲水基,可举出选自硝基、硝酸基、亚硝酸基、氨基、磺酸基、磷酸基、羟基和卤素基团中的至少I种。作为亲水基,更优选举出选自硝基和磺酸基中的至少I种。
[0128]通过使这些亲水基存在于载体的周围,从而容易在载体的周围形成亲水区域。催化剂金属粒子均衡地分散在载体上,因此作为结果,催化剂的表面的亲水区域容易形成,另外形成后该亲水区域稳定。
[0129]作为向催化剂金属粒子上修饰上述的亲水基的方法,本发明中使与催化剂金属粒子相同或同种的金属(贵金属)的配合物、即含有上述修饰基团的物质与上述催化剂金属粒子键合。利用配合物能够在不对催化剂的结构施与任何应力的情况下向催化剂金属粒子上修饰亲水基。
[0130]采用铂或铂合金作为催化剂金属粒子时,优选用下述的铂配合物溶液进行修饰。作为该铂配合物溶液,认为可以采用氯铂(IV)酸水合物水溶液(H2PtCl6.nH20/H20 sol.)、氯铂(IV)酸盐酸溶液(H2PtCl6/HCl sol.)、氯铂(IV)酸铵水溶液((NH4)2PtCl6M2O sol.)、二亚硝基二氨铂(II)水溶液(cis — [Pt (NH3)2 (NO2)2]/H2O sol.)、二亚硝基二氨钼(II)硝酸溶液(cis - [Pt (NH3)2 (NO2)2]/HNO3Sol.)、二亚硝基二氨铂(II)硫酸溶液(cis —[Pt (NH3)2 (NO2)2]/H2SO4Sol.)、四氯铂(II)酸钾水溶液(K2PtCl4) /H2O sol.)、二氯化铂(II)水溶液(PtCl2/H20 sol.)、氯化铂(IV)水溶液(PtCl4/H20 sol.)、二氯四氨合铂(II)水合物水溶液([Pt(NH3)JCl2.Η20/Η20 sol.)、四氨合氢氧化铂(II)水溶液([Pt(NH3)4] (OH)2/H2O sol.)、二氯六氨合铂(IV)水溶液([Pt (NH3) 6] Cl2ZH2O sol.
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