催化剂及其制造方法以及其用途技术

本发明专利技术提供在酸性电解质中和／或高电位下不腐蚀、耐久性优异、具有高的氧还原能力的催化剂。本发明专利技术的催化剂，其特征在于，包含含铌的碳氮氧化物，所述含铌的碳氮氧化物在采用粉末Ｘ射线衍射法（Ｃｕ－Ｋα射线）的测定中，在将衍射角２θ＝２５．４５°～２５．６５°间的Ｘ射线衍射强度的最大值记为Ｉ１，将衍射角２θ＝２５．６５°～２６．０°间的Ｘ射线衍射强度的最大值记为Ｉ２时，Ｉ２／（Ｉ１＋Ｉ２）为０．２５以上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及催化剂及其制造方法以及其用途。
技术介绍
燃料电池根据电解质的种类或电极的种类被分类为各种类型，作为代表性的类型有碱型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型、固体高分子型。其中，在低温(-40°C左右) 到120°C左右可工作的固体高分子型燃料电池受到关注，近年来作为汽车用低公害动力源正进行开发和实用化。作为固体高分子型燃料电池的用途，研究了车辆用驱动源和定置型电源，但为了能适用于这些用途，要求长期间的耐久性。该高分子固体型燃料电池是由阳极和阴极夹持高分子固体电解质，向阳极供给燃料，向阴极供给氧或空气，在阴极氧被还原从而取出电的形式。燃料主要使用氢或甲醇等。以往，为了提高燃料电池的反应速度，提高燃料电池的能量转换效率，在燃料电池的阴极(空气极)表面和/或阳极(燃料极)表面设置有含有催化剂的层(以下也记为 “燃料电池用催化剂层”)。作为该催化剂，一般使用贵金属，在贵金属中，主要使用在高的电位下稳定、活性高的钼。可是，由于钼价格高，且资源量受限，因此要求开发能够替代的催化剂。另外，在阴极表面使用的贵金属在酸性气氛下，存在溶解的情况，存在不适合于需要长期间的耐久性的用途的问题。因此，强烈要求开发在酸性气氛下不腐蚀、耐久性优异、 具有高的氧还原能力的催化剂。作为代替钼的催化剂，含有碳、氮、硼等非金属的材料作为催化剂在近年受到注目。含有这些非金属的材料，与钼等贵金属比较，价格廉价，并且资源量丰富，因此在大学、 研究机构等正在研究它们应用于各种领域。例如，在专利文献1中公开了将碳化物、氧化物、氮化物混合，在真空、惰性或非氧化性气氛下、在500 1500°C进行了加热的碳氮氧化物。但是，在专利文献1中公开的碳氮氧化物是薄膜磁头陶瓷基板材料，没有研究将该碳氮氧化物作为催化剂使用的情况。在专利文献2中，作为替代钼的材料，公开了含有选自长周期表4族、5族和14族的元素群中的一种以上的元素的氮化物的氧还原电极材料。但是，含有这些非金属的材料， 存在作为催化剂在实用上得不到充分的氧还原能力的问题。另外，在非专利文献1中公开了还原Nb2O5从而制造Nb12O29的方法。但是，非专利文献1中公开的Nb12O29作为显示反强磁性及导电性的材料而公开，没有研究作为燃料电池用氧还原催化剂。现有技术文献专利文献专利文献1 特开2003-342058号公报专利文献2 特开2007-31781号公报非专利文献非专利文献 1 :R. J. Cava, B. Batlogg, J. J. Krajewski, P. Gamme 1, H. F. Poulsen, W. F.Peck Jr & L. W. Rupp Jr,"Antiferromagnetism and metallic conductivity in Nb12O29", Nature, 1991 年，vol. 350，p. 598-600
技术实现思路
本专利技术的课题是解决这样的现有技术中的问题，本专利技术的目的在于提供在酸性电解质中和/或高电位下不腐蚀、耐久性优异的、具有高的氧还原能力的催化剂。本专利技术人为解决上述现有技术的问题而进行深入研讨的结果发现，包含显示特定的X射线衍射峰图案的含铌的碳氮氧化物的催化剂，特别是包含在特定的条件下将含铌的碳氮化物进行氧化而得到的碳氮氧化物的催化剂具有高的氧还原能力，至此完成了本专利技术。另外，通过非专利文献1中记载的制造方法得到的Nb12O29,作为燃料电池用氧还原催化剂在实用上不能获得充分的氧还原能力。本专利技术涉及例如以下的(1) (13)。(1) 一种催化剂，其特征在于，包含含铌的碳氮氧化物，所述含铌的碳氮氧化物在采用粉末X射线衍射法(Cu-κ α射线)的测定中，在将衍射角2Θ = 25.45° 25. 65°间的X射线衍射强度的最大值记为I1，将衍射角2 θ = 25.65° 沈.0°的X射线衍射强度的最大值记为I2时，V(I^I2)为0. 25以上。(2)根据(1)所述的催化剂，其特征在于，上述含铌的碳氮氧化物的组成式由 NbCxNyOz(其中，x、y、z表示原子数的比，0. 01彡χ彡2，0. 01彡y彡2，0. 01彡ζ彡3，并且 x+y+z <5。)表不。(3)根据(1)所述的催化剂，其特征在于，上述含铌的碳氮氧化物除了含有铌以夕卜，还含有选自锡、铟、钼、钽、锆、铜、铁、钨、铬、钼、铪、钛、钒、钴、锰、铈、金、银、铱、钯、钇、 钌和镍中的至少一种金属(以下也记为“金属M”或‘‘M”。)。(4)根据C3)所述的催化剂，其特征在于，上述含铌的碳氮氧化物的组成式由 NbaMbCxNyOz (其中，M表示“金属M”，a、b、x、y、z表示原子数的比，0. 01彡a < 1，0 < b彡0. 99， 0. 01 彡 χ 彡 2,0. 01 彡 y 彡 2,0. 01 彡 ζ 彡 3，a+b = 1，并且 x+y+z 彡 5。)表示。(5) 一种制造(1) 的任一项所述的催化剂的方法，其特征在于，包括以下工序通过在含有氧气的惰性气体中加热含铌的碳氮化物来得到含铌的碳氮氧化物。(6)根据( 所述的催化剂的制造方法，其特征在于，上述加热的温度范围为 600 1200°C，上述惰性气体中的氧气的浓度范围为0. 1 5体积％。(7)根据( 或(6)所述的催化剂的制造方法，其特征在于，上述惰性气体含有4 体积％以下的范围的氢气。(8) 一种燃料电池用催化剂层，其特征在于，含有⑴ ⑷的任一项所述的催化剂。(9)根据(8)所述的燃料电池用催化剂层，其特征在于，还含有电子传导性粒子。(10) 一种电极，是具有燃料电池用催化剂层和多孔质支持层的电极，其特征在于， 上述燃料电池用催化剂层为(8)或(9)所述的燃料电池用催化剂层。(11) 一种膜电极组件(膜电极接合体)，是具有阴极和阳极以及配置于上述阴极和上述阳极之间的电解质膜的膜电极组件，其特征在于，上述阴极和/或上述阳极为(10)所述的电极。(12) 一种燃料电池，其特征在于，具有(11)所述的膜电极组件。(13) 一种固体高分子型燃料电池，其特征在于，具有(11)所述的膜电极组件。本专利技术的催化剂，在酸性电解质中和/或高电位下不腐蚀且稳定，具有高的氧还原能力，并且比钼廉价。因此，具有上述催化剂的燃料电池比较廉价且性能优异。附图说明图1是实施例1的碳氮化铌(1)的粉末X射线衍射光谱。图2是实施例1的碳氮化铌(1)的粉末X射线衍射光谱中的衍射角2 θ =20° 30°的范围的放大图。图3是实施例1的催化剂⑴的粉末X射线衍射光谱。图4是实施例1的催化剂(1)的粉末X射线衍射光谱中的衍射角2 θ = 20° 30°的范围的放大图。图5是实施例2的催化剂(2)的粉末X射线衍射光谱。图6是实施例2的催化剂(2)的粉末X射线衍射光谱中的衍射角2 θ =20° 30°的范围的放大图。图7是实施例3的催化剂(3)的粉末X射线衍射光谱。图8是实施例3的催化剂(3)的粉末X射线衍射光谱中的衍射角2 θ =20° 30°的范围的放大图。图9是实施例4的催化剂⑷的粉末X射线衍射光谱。图10是实施例4的催化剂(4)的粉末X射线衍射光谱中的衍射角2 θ = 20° 30°的范围的放大图。图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种催化剂，其特征在于，包含含铌的碳氮氧化物，所述含铌的碳氮氧化物在采用粉末Ｘ射线衍射法（Ｃｕ－Ｋα射线）的测定中，在将衍射角２θ＝２５．４５°～２５．６５°间的Ｘ射线衍射强度的最大值记为Ｉ１，将衍射角２θ＝２５．６５°～２６．０°间的Ｘ射线衍射强度的最大值记为Ｉ２时，Ｉ２／（Ｉ１＋Ｉ２）为０．２５以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：今井卓也，
申请(专利权)人：昭和电工株式会社，
类型：发明
国别省市：JP