表面修飾カーボンナノ材料及びＰｔ系触媒の製造方法
【課題】 Ｐｔ微粒子の凝集を防止し、Ｐｔの使用量が少なくても触媒能が高いＰｔ系触媒、及びそのための表面修飾カーボンナノ材料の製造方法を提供する。
【解決手段】 カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱し、該カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入して表面修飾カーボンナノ材料を得る。
【解決手段】 カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱し、該カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入して表面修飾カーボンナノ材料を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面修飾されたカーボンナノ材料の製造方法、及び燃料電池等に好適に使用できるＰｔ系触媒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車の動力源である燃料電池の触媒活性の向上が重要な課題の一つとなっている。このようなメタノールを使用する燃料電池の電極材料として、従来から白金系触媒をカーボンに担持させたものが用いられている。又、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）合金触媒が用いられてきている（例えば、特許文献１、２参照）。Ｒｕは、Ｐｔ上に吸着したＣＯをＣＯ２に酸化し、Ｐｔの被毒を防止する。
しかし、これらの技術の場合、担体上でＰｔやＲｕの微粒子が凝集して粗大化し、触媒の有効表面積が向上し難いという問題がある。
【０００３】
このようなことから、担体上にアルコール還元法で生成したＰｔＲｕ合金を、３００〜５００℃で加熱処理することにより、ＰｔとＲｕの金属微粒子の原子間距離を更に接近させて合金化する技術が開発されている（例えば、特許文献３参照）。この技術によれば、粒子径１ｎｍ〜５０ｎｍのＰｔＲｕ触媒微粒子が得られるとされる。
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１１１４４０号公報
【特許文献２】特開２００４−２６７９６１号公報
【特許文献３】特開２００５−１７７６６１号公報（段落００２３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した特許文献３記載の技術を用いても、ＰｔやＲｕ微粒子の凝集を防止することは難しく、触媒の有効表面積を向上させる点で不充分である。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ＰｔやＲｕ微粒子の凝集を防止し、Ｐｔの使用量が少なくても触媒能が高いＰｔ系触媒の製造方法、及びそのための表面修飾カーボンナノ材料の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の表面修飾カーボンナノ材料の製造方法は、カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱し、該カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入することを特徴とする。
本発明のＰｔ系触媒の製造方法は、前記表面修飾カーボンナノ材料と、Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体とを共存させた状態で、前記Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体を還元させ、前記表面修飾カーボンナノ材料表面にＲｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子とを担持させる工程と、前記Ｒｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子を担持させた前記表面修飾カーボンナノ材料を、非酸化雰囲気で熱処理する工程とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、Ｐｔ微粒子の凝集を防止し、Ｐｔの使用量が少なくても触媒能が高いＰｔ系触媒が得られる。又、本発明によれば、このようなＰｔ系触媒の製造に適用可能で表面にカルボキシル基を導入した表面修飾カーボンナノ材料が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
<表面修飾カーボンナノ材料の製造>
表面修飾カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱し、該カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入することで製造する。
１）カーボンナノ材料
カーボンナノ材料としては、例えば、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、カーボンナノ繊維（ＣＮＦ）、活性カーボンナノ繊維（ＡＣＦ）が例示される。
特に、以下のカルボキシル基の導入反応が進み易いことから、直径２ｎｍ以下のＳＷＮＴ、又は直径１０ｎｍ以下のＭＷＮＴを用いることが好ましい。
【００１０】
２）コハク酸アシル過酸化物
コハク酸アシル過酸化物は、以下の式（１）
【化１】
で表され、溶媒中でカーボンナノ材料と加熱することにより、以下の式（２）
【化２】
で表される末端にラジカルを持つ分子に分解する。
コハク酸アシル過酸化物は、例えばコハク酸を過酸化水素水溶液中で攪拌することにより得られる。
【００１１】
３）カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物との反応
カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱することにより、カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入する。コハク酸アシル過酸化物を加熱すると式（２）のラジカルに分解し、このラジカルがカーボンナノ材料の二重結合を攻撃してカーボンナノ材料表面に結合する。これにより、カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基が導入（修飾）される。
上記反応に用いる溶媒としては、O-ジクロロベンゼンを用いることができる。又、加熱条件としては、80〜90℃の温度で、10〜15日間行うことができる。
【００１２】
ここで、カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物との配合割合を調整することにより、カルボキシル基がカーボンナノ材料の表面に結合する数を減らし、カルボキシル基をカーボンナノ材料の表面に分散して修飾させることができる。このようなことから、カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物との混合比率は、質量割合で、カーボンナノ材料１に対してコハク酸アシル過酸化物100程度とすると好ましい。コハク酸アシル過酸化物の混合割合が多くなると、カーボンナノ材料表面に多数のカルボキシル基が導入され、白金を凝集し易くなる傾向にある。
【００１３】
以上のようにして、表面修飾カーボンナノ材料が製造される。
【００１４】
<表面修飾カーボンナノ材料表面へのＰｔ及び／またはＲｕの担持>
上記表面修飾カーボンナノ材料（担体）を用い、以下のようにしてＰｔ系触媒を製造することができる。
【００１５】
Ａ）チオール基の修飾
まず、表面修飾カーボンナノ材料のカルボキシル基にチオール基を修飾する。本発明者らの検討によれば、従来の液状還元法（特許文献３参照）で担体にＰｔやＲｕを担持させた場合、担持の際にＰｔやＲｕが凝集してその粒子径が大きくなったり、粒子径の大きなものが混在することが判明している。
そこで、本発明者らは、担体にチオール基を分散させて修飾させ、チオール基にＰｔやＲｕを担持させることとした。これにより、担体上に分散したチオール基に選択的にＰｔやＲｕが析出するので、これら粒子の凝集を抑制し、粒子径を微細化することに成功した、チオールは、Ｐｔの前駆体となる塩化白金溶液中の白金イオンと相互作用する官能基であるため、チオールに白金イオンが選択的に結合する。その結果、カーボンナノ材料の表面に白金を凝集させずに分散させることができる。
従って、カルボキシル基は、担体上にチオール基を分散させるための前駆体となる。
【００１６】
ここで、チオール化を行う前駆体となるカルボキシル基をカーボンナノ材料表面に導入する方法として、本発明者らは、本発明方法の他に酸処理法を検討した。酸処理法は、カーボンナノ材料を高温（３００〜７００℃）で酸と共に加熱する方法であるが、この方法を用いるとカーボンナノ材料表面が破壊される不具合がある。一方、本発明による方法の場合、反応温度も低く、反応が緩和であるため、カーボンナノ材料表面が破壊されることが少ない。
【００１７】
Ｂ）ハロゲン化処理
チオール化処理の前に上記カルボキシル基をハロゲン化処理する。ハロゲン化にはハロゲン化剤を用いることができる。
ハロゲン化剤としては、例えば、塩化チオニル、塩化アルミニウム、塩化水銀等が挙げられるがこれらに限定されない。そして、担体及びハロゲン化剤を適当な温度、時間で攪拌することによってハロゲン化処理を行うことができる。ハロゲン化処理の温度は、通常５０〜１００℃程度とすることができ、処理時間は特に限定されないが、通常、１２時間以内であればよい。
【００１８】
Ｃ）チオール化
ハロゲン化させたカルボキシル基をチオール化することにより、カーボンナノ材料表面にチオール基を導入する。チオール化の方法は特に限定されないが、有機化学的方法、機械化学的方法を用いることができる。
有機化学的方法としては、担体とチオール化剤とを反応させる方法が挙げられる。この場合、チオール化剤として、アミノメタンチオール、アミノエタンチオール、アミノドデカンチオール等の炭素数１〜１２のアミノアルカンチオール；メルカプトメタノール、メルカプトエタノール、メルカプトドデカノール等の炭素数１〜１２のメルカプトアルコール；アミノチオフェノール、メルカプトフェノール等のベンゼン誘導体；等が挙げられるがこれらに限定されない。
担体とチオール化剤との反応は、例えば両者を接触させて行うことができ、反応効率の点から反応温度は５０〜１００℃であることが好ましい。反応時間は特に限定されないが、通常、２４時間以内であればよい。
【００１９】
Ｄ）担体表面へのＲｕ及び／又はＰｔの担持
次に、チオール化した担体と、Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体を共存させた状態で、Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体を還元させ、担体表面にＲｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子を担持させる。これは、金属前駆体を液状還元法で還元させる方法である。
Ｒｕ及び／又はＰｔの前駆体としては、これらの金属の塩又は錯体を用いることができ、たとえば、塩化ルテニウム水溶液及び／又は塩化白金水溶液が挙げられる。そして、これらの水溶液に担体を浸漬し、超音波を与えたり、攪拌することにより、担体と水溶液とを充分に接触させた後、還元剤を添加して前駆体を還元する。
還元剤としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素等が挙げられるが、これらに限定されない。還元剤の量は、通常、上記Ｒｕ及びＰｔの前駆体の合計に対して過剰量（例えば、上記前駆体の合計１mol当り1.5〜10mol）となるように調整することが好ましい。
【００２０】
以上のようにして、表面がチオール化した担体に、Ｒｕ及び／又はＰｔの金属微粒子が担持される。これらの金属微粒子は凝集せず、担体上に微細に分散することができる。
なお、担体上にＲｕ金属微粒子とＰｔ金属微粒子とを共に担持させる場合、Ｒｕ金属微粒子とＰｔ金属微粒子との割合は、Ｒｕ前駆体及びＰｔ前駆体の濃度割合を変化させて調整することができる。
Ｒｕ及びＰｔの担持量は、担体表面のチオール基の数、Ｒｕ及びＰｔ前駆体の液濃度等によって異なるが、触媒活性を維持する点から、通常、担体の１０〜６０質量％程度とすることが好ましい。
【００２１】
Ｅ）熱処理
次に、Ｒｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子とを担持させた担体を、非酸化雰囲気で熱処理することにより、担体表面のチオール基が除去されると共に、担体上に担持された隣接する金属微粒子同士が一体化し、所定の粒径となる。
熱処理はチオール基が分解する温度である２００℃以上とする必要がある。熱処理を行うと、チオール基が除去され、Ｒｕ及び／又はＰｔの金属原子が担体上に存在する。
熱処理によりＲｕやＰｔの金属微粒子が担体上を移動して凝集し、所定の粒径となるが、これらの金属微粒子はチオール基上に選択的に存在しているため、比較的分散した小粒径の状態で凝集するようになる。そのため、従来のように、極めた大粒径の凝集体となることが少なく、触媒活性が向上する。
【００２２】
熱処理温度は、２００〜６００℃の範囲とすることが好ましく、２００℃以上３００℃未満とすることがより好ましく、２００〜２５０℃とすることが最も好ましい。熱処理温度が６００℃を超えると、Ｒｕ及びＰｔ金属微粒子が凝集して粗大化し、触媒活性が低下する場合がある。
熱処理時間は特に制限されないが、通常、１時間程度とすることができる。
非酸化雰囲気としては、例えば水素雰囲気が挙げられる。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態による表面修飾カーボンナノ材料及びＰｔ触媒の製造工程の１例を示す。Ｐｔは微細なクラスターとして担体表面に担持される。
【００２４】
なお、Ｒｕ及びＰｔの金属微粒子を共に担持させた場合は、次のような凝集状態となる。まず融点の低いＲｕの金属微粒子が担体上を移動して凝集し、所定の粒径となる。Ｐｔ金属微粒子は凝集せず、隣接するＲｕの移動に伴って移動する。Ｒｕの凝集が完了すると、Ｐｔ金属微粒子は周囲をＲｕの凝集体で囲まれているために、他のＰｔ金属微粒子と凝集することが難しく、チオール化した担体に担持された時の粒径をほぼ維持すると考えられる。つまり、Ｐｔを単独で担持させた場合に比べ、Ｐｔ金属微粒子をさらに分散させて小径の凝集体とすることができる。
従って、チオール化の時点で担持されるＰｔの量（原子比）を、Ｒｕの量より少なくすることにより、熱処理によるＰｔ金属微粒子の凝集を防止し、Ｒｕ表面にＰｔを分散させることができる。
【００２５】
<Ｐｔ系触媒の構成>
以上のようにしてＰｔ系触媒を製造することができる。
１）Ｐｔ触媒の構成
本発明の製造方法によって得られるＰｔ触媒の構成は、例えば以下のようになっている。
担体表面の個々のＰｔ金属微粒子の平均粒径は、通常０．５〜１５ｎｍであり、この金属微粒子が担体上にそれぞれ離間して分散している。Ｐｔは触媒反応を生じさせるものである。Ｐｔ金属微粒子の平均粒径が０．５ｎｍ未満であるものは製造することが困難であり、又、以下のＴＥＭ像で確認することが困難である。一方、平均粒径が１５ｎｍを超えると、Ｐｔ粒が粗大となって触媒活性が向上せず、触媒反応に有効に寄与するPtの割合が低減する場合がある。
なお、Ｒｕ及びＰｔ金属微粒子の平均粒径は、例えばＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像から求めることができる。
【００２６】
２）Ｐｔ−Ｒｕ系触媒の構成
Ｐｔ−Ｒｕ系触媒の構成は、例えば以下のような構成になっている。
２−１）Ｒｕ金属微粒子
担体表面にはＲｕ金属微粒子が分散している。Ｒｕは、メタノールの酸化反応中間物であるＣＯやアルデヒドによって白金が被毒されることを防止し、Ｐｔの触媒活性を維持するものである。Ｒｕ金属微粒子の平均粒径は０．５〜１５ｎｍ程度であることが好ましい。Ｒｕ金属微粒子の平均粒径が０．５ｎｍ未満であるものは製造することが困難であり、平均粒径が１５ｎｍを超えると、Ｒｕによる白金の被毒防止効果が改善されない。
【００２７】
２−２）Ｐｔ金属微粒子
Ｒｕ金属微粒子の表面には、通常、平均粒径０．５〜１５ｎｍのＰｔ金属微粒子が分散している。Ｐｔは触媒反応を生じさせるものである。Ｐｔ金属微粒子の平均粒径が０．５ｎｍ未満であるものは製造することが困難であり、又、以下のＴＥＭ像で確認することが困難である。一方、平均粒径が１５ｎｍを超えると、Ｐｔ粒が粗大となって触媒活性が向上せず、触媒反応に有効に寄与するPtの割合が低減する場合がある。
【００２８】
２−３）ＰｔとＲｕの原子比
ＰｔとＲｕの原子比は特に制限はないが、Ｐｔ／Ｒｕ＝０．０１〜５であることが好ましい。本発明においては、Ｐｔ金属微粒子がＲｕ金属微粒子の表面に存在し、かつＰｔ金属微粒子の大きさのばらつきが小さいため、触媒反応に有効に寄与するPtの割合が高くなるため、Ｐｔ／Ｒｕの比が小さくても触媒活性を維持することができる。
Ｐｔ／Ｒｕ＝０．０１未満であると、Ｐｔの触媒活性が低下する場合があり、Ｐｔ／Ｒｕ＝５を超えると、Ｐｔの使用量が多くなってコスト増となる場合がある。
【００２９】
上記Ｐｔ系触媒は、燃料電電池の触媒電極、キャパシター、二次電池の複合電極などに好適に使用できる。
【００３０】
次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【００３１】
<表面修飾カーボンナノ材料の製造>
カーボンナノ材料としては、ＣＶＤ法で得られた単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ、直径2nm以下のものを用いた。
まず、８％過酸化水素水溶液２０ｍｌ中にコハク酸１０ｇを投入した。これを１時間攪拌した後、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）膜で濾過し、少量の水で洗い、式
【化１】
で表されるコハク酸アシル過酸化物を得た。
得られたコハク酸アシル過酸化物を室温で２４時間真空乾燥した後、このコハク酸アシル過酸化物５００ｍｇと、ＳＷＮＴ５０ｍｇをo-ジクロロベンゼン溶媒５０ｍｌ中に投入し、８０℃で１０日間反応させた。反応の間、１日おきにコハク酸アシル過酸化物５００ｍｇを加え、合計で５ｇのコハク酸アシル過酸化物を反応に用い、カルボキシル基で表面修飾されたカーボンナノ材料を得た。カーボンナノ材料の表面修飾基がカルボキシル基であることは、IR(フーリエ変換赤外吸収スペクトル分析法)により確認した。
【００３２】
<担体のチオール化>
上記表面修飾カーボンナノ材料（担体）５０ｍｇに塩化チオニル100ｍＬを加えて７０℃で１２時間還流することにより、カーボンナノ材料表面を塩素化させた。還流後に未反応の塩化チオニルを蒸発させて除き、塩素化された表面修飾カーボンナノ材料をトラップして得た。次に、脱水トルエン中に、塩素化された表面修飾カーボンナノ材料とアミノエタンチオールとを加え、７０℃で２４時間反応させた後、メタノールで洗浄した。洗浄後の液を濾過し、濾過物を採取し、表面にチオール基が導入された担体を得た。
【００３３】
<Ｐｔの担持>
蒸留水４０ｍｌに、チオール化した担体５０ｍｇを加え、超音波ホモジナイザー（Sonics & Material社製、出力１３０Ｗ、周波数２０ｋＨｚ）で５分間超音波攪拌し、担体を分散させた。これに、Ｐｔ前駆体である１０ｍｍｏｌのH2PtCl6を6.25ｍｌ加え、超音波スターラー（日本精機製作所製、出力３５Ｗ、周波数４０ｋＨｚ）で１時間攪拌した。H2PtCl6の量は、担体０．２ｇに対する質量比が２０％になるように調整した。
次に、純水２０ｍｌに水素化ホウ素ナトリウム０．２５ｇを溶かした水溶液を、上記攪拌液に加えてＰｔを還元させ、担体表面にＰｔ金属微粒子を担持させた。水素化ホウ素ナトリウムの量は、Ｐｔの合計量に対し過剰量となるように調整した。還元後の単体を蒸留水で洗浄後、濾過して採取した。
【００３４】
<熱処理>
Ｐｔを担持した担体を、水素雰囲気下（１００ｓｃｃｍ）で２００℃〜５００℃の範囲の所定温度で１時間熱処理し、触媒を得た。熱処理は、赤外線加熱炉（アルバック理工社製、ＭＩＲＡ３０００）を用いた。
【００３５】
<評価>
１．ＴＥＭ像
得られた触媒のＴＥＭ像を図２〜図６に示す。各図において、担体１０の表面にＰｔ粒２が析出しているのがわかる。なお、ＴＥＭ観察用の試料は、電子顕微鏡用カーボン支持膜上に、エタノールを浸した上記触媒をスポイトで滴下し、自然乾燥したものを用いた。ＴＥＭは日立製作所製のＨ−９０００ＮＡＲ １００ｋＶを用いた。
図２は、熱処理前の試料であり、Ｐｔがクラスターに凝集していない単一原子分散の状態であるため、Ｐｔ粒はＴＥＭで確認できないほど微細であった。
図３〜図６に移行するに伴い、熱処理温度が２００℃〜５００℃に１００℃ずつ高くなっている。そのため、図３の試料ではＰｔ粒の平均粒径が１ｎｍ程度であったが、熱処理温度が高い図６の試料ではＰｔ粒の平均粒径が５ｎｍ程度に増加した。但し、粒径１５ｎｍを超える粗大粒は見られなかった。
【００３６】
２．Ｘ線回折像
得られた触媒の粉末Ｘ線回折像を図７に示す。図において、担体１０の表面にＰｔ粒２が析出しているのがわかる。なお、ＴＥＭ観察用の試料は、電子顕微鏡用カーボン支持膜上に、エタノールを浸した上記触媒をスポイトで滴下し、自然乾燥したものを用いた。ＴＥＭは日立製作所製のＨ−９０００ＮＡＲ １００ｋＶを用いた。
図７において、熱処理前の試料はＰｔ（１１１）を示すピーク（２θ＝４０近傍）が見られなかったが、熱処理温度を高くするに伴い、このピークが増大した。つまり、熱処理によって、Ｐｔ（１１１）が成長することがわかった。
なお、Ｘ線回折試料は以下のように作製した。まず、少量の触媒を細かくすりつぶし、X線回折用ソーダガラス製キャピラリ（W.Muller社製、長さ８０ｍｍ、ガラス厚０．０１ｍｍ、内径０．５ｍｍ）に深さ１０ｍｍ程度詰めた。キャピラリの開口を封じた後、測定に供した。
粉末X線装置は、MACサイエンス社製（線源：CuKα線（λ＝1.5418×10-10ｍ（1.5418Å）、出力４０kV、６０mA、２θ＝５〜９０°）のものを用いた。
【００３７】
３．Ｘ線光電子分光スペクトル測定（XPS）
得られた触媒のＸ線光電子分光スペクトル測定（XPS：X-ray photoelectron spectroscopy）したスペクトルを図８，９に示す。
図８において、金属状態（金属原子集合体；バルク）の結合エネルギーを横軸のＭ（７１．２ｅｖ）で示す。熱処理前の触媒であるPt-S-SWNT（図の符号Ａ、以下の図で同じ）は白金が単一原子に近い大きさで担持されており、バルクと比較して高エネルギー側（７２．７ｅＶ）へシフトした。したがって、Pt-S-SWNTは普通の金属（バルク）とは明らかに違う電子構造を持っている。触媒にそれぞれ２００、３００、４００、５００℃で熱処理を行ったものを図の符号Ｂ、Ｃ，Ｄ，Ｅで表す（以下の図で同じ）。熱処理温度が大きくなるにつれて、大きな微粒子へ成長するため、電子構造がバルク（金属の状態）に近づくことが判明した。すなわち、Ｐｔ微粒子の大きさによって電子構造が変化する。
図９は、Ptに配位している硫黄のＸＰＳスペクトルである。Ａの試料では硫黄のピークが見られるが、熱処理温度473K（図のＢ）で硫黄が脱離し始め、573Kより高温（図のＣ〜Ｅ）では完全に硫黄が脱離した。燃料電池の触媒では白金に配位している硫黄が触媒反応の妨げになるので、熱を加える事で硫黄が除去できることがわかる。
なお、Ｘ線光電子分光装置はアルバックファイ社製のPHI5600（X線源：AlKα線（1486.6eV）、１５ｋV、３００w）を用いた。又、結合エネルギーは担体（カーボン）のC1S(284.5eV)を基準とした。
【００３８】
４．電気化学的測定
得られた触媒の触媒活性として、メタノール酸化反応（MOR）における電気触媒活性をサイクリックボルタンメトリ（CV、608、ALS）で評価した。動作電極には上記触媒を用いた電気触媒層をコーティングした直径3ｍｍのグラッシーカーボン電極を用いた。まず、上記した方法で20％のＰｔを担持させた上記カーボンナノ材料3ｍｇと、5w％のナフィオンを含むエタノール6μｌとを150μlのイソプロピルアルコールに投入し、1時間超音波分散した。このスラリーを6μlとり、上記グラッシーカーボン電極上に塗布し、60℃で1時間で乾燥させた。カウンター電極とリファレンス電極として、それぞれPt線と飽和カロメル電極（SCE）を用いた。
触媒を含む動作電極をサイクリックボルタンメトリ装置に取り付け、溶液として0.5mol／ｌ硫酸溶液を用いた。測定系を窒素ガスで１分間パージした後、走査速度を高速にして電極を電気化学的にクリーニングした。その後、電解液（0.5mol／ｌ硫酸＋2mol／ｌメタノール）中、走査速度50ｍV／sで、０〜０．９６V（飽和カロメロ電極（SCE）基準）の範囲でサイクリックボルタモグラムを得た。
得られたサイクリックボルタモグラムを図１０に示す。この図から、熱処理なし（Ａ）、及び熱処理温度２００℃（Ｂ）の試料では酸化活性がほとんど見られなかった。この理由としては、上記したようにＰｔに配位した硫黄が反応を妨げていると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒の製造方法の１例を示す図である。
【図２】チオール化後の熱処理を行わなかった場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図３】チオール化後の熱処理を４７３Ｋとした場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図４】チオール化後の熱処理を５７３Ｋとした場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図５】チオール化後の熱処理を６７３Ｋとした場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図６】チオール化後の熱処理を７７３Ｋとした場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＸＰＳスペクトルを示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＸＰＳスペクトルを示す別の図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒を電極に用いた場合のサイクリックボルタモグラムを示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
２ Ｐｔ金属微粒子
１０ 担体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面修飾されたカーボンナノ材料の製造方法、及び燃料電池等に好適に使用できるＰｔ系触媒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車の動力源である燃料電池の触媒活性の向上が重要な課題の一つとなっている。このようなメタノールを使用する燃料電池の電極材料として、従来から白金系触媒をカーボンに担持させたものが用いられている。又、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）合金触媒が用いられてきている（例えば、特許文献１、２参照）。Ｒｕは、Ｐｔ上に吸着したＣＯをＣＯ２に酸化し、Ｐｔの被毒を防止する。
しかし、これらの技術の場合、担体上でＰｔやＲｕの微粒子が凝集して粗大化し、触媒の有効表面積が向上し難いという問題がある。
【０００３】
このようなことから、担体上にアルコール還元法で生成したＰｔＲｕ合金を、３００〜５００℃で加熱処理することにより、ＰｔとＲｕの金属微粒子の原子間距離を更に接近させて合金化する技術が開発されている（例えば、特許文献３参照）。この技術によれば、粒子径１ｎｍ〜５０ｎｍのＰｔＲｕ触媒微粒子が得られるとされる。
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１１１４４０号公報
【特許文献２】特開２００４−２６７９６１号公報
【特許文献３】特開２００５−１７７６６１号公報（段落００２３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した特許文献３記載の技術を用いても、ＰｔやＲｕ微粒子の凝集を防止することは難しく、触媒の有効表面積を向上させる点で不充分である。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ＰｔやＲｕ微粒子の凝集を防止し、Ｐｔの使用量が少なくても触媒能が高いＰｔ系触媒の製造方法、及びそのための表面修飾カーボンナノ材料の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の表面修飾カーボンナノ材料の製造方法は、カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱し、該カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入することを特徴とする。
本発明のＰｔ系触媒の製造方法は、前記表面修飾カーボンナノ材料と、Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体とを共存させた状態で、前記Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体を還元させ、前記表面修飾カーボンナノ材料表面にＲｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子とを担持させる工程と、前記Ｒｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子を担持させた前記表面修飾カーボンナノ材料を、非酸化雰囲気で熱処理する工程とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、Ｐｔ微粒子の凝集を防止し、Ｐｔの使用量が少なくても触媒能が高いＰｔ系触媒が得られる。又、本発明によれば、このようなＰｔ系触媒の製造に適用可能で表面にカルボキシル基を導入した表面修飾カーボンナノ材料が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
<表面修飾カーボンナノ材料の製造>
表面修飾カーボンナノ材料は、カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱し、該カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入することで製造する。
１）カーボンナノ材料
カーボンナノ材料としては、例えば、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、カーボンナノ繊維（ＣＮＦ）、活性カーボンナノ繊維（ＡＣＦ）が例示される。
特に、以下のカルボキシル基の導入反応が進み易いことから、直径２ｎｍ以下のＳＷＮＴ、又は直径１０ｎｍ以下のＭＷＮＴを用いることが好ましい。
【００１０】
２）コハク酸アシル過酸化物
コハク酸アシル過酸化物は、以下の式（１）
【化１】
で表され、溶媒中でカーボンナノ材料と加熱することにより、以下の式（２）
【化２】
で表される末端にラジカルを持つ分子に分解する。
コハク酸アシル過酸化物は、例えばコハク酸を過酸化水素水溶液中で攪拌することにより得られる。
【００１１】
３）カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物との反応
カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱することにより、カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入する。コハク酸アシル過酸化物を加熱すると式（２）のラジカルに分解し、このラジカルがカーボンナノ材料の二重結合を攻撃してカーボンナノ材料表面に結合する。これにより、カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基が導入（修飾）される。
上記反応に用いる溶媒としては、O-ジクロロベンゼンを用いることができる。又、加熱条件としては、80〜90℃の温度で、10〜15日間行うことができる。
【００１２】
ここで、カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物との配合割合を調整することにより、カルボキシル基がカーボンナノ材料の表面に結合する数を減らし、カルボキシル基をカーボンナノ材料の表面に分散して修飾させることができる。このようなことから、カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物との混合比率は、質量割合で、カーボンナノ材料１に対してコハク酸アシル過酸化物100程度とすると好ましい。コハク酸アシル過酸化物の混合割合が多くなると、カーボンナノ材料表面に多数のカルボキシル基が導入され、白金を凝集し易くなる傾向にある。
【００１３】
以上のようにして、表面修飾カーボンナノ材料が製造される。
【００１４】
<表面修飾カーボンナノ材料表面へのＰｔ及び／またはＲｕの担持>
上記表面修飾カーボンナノ材料（担体）を用い、以下のようにしてＰｔ系触媒を製造することができる。
【００１５】
Ａ）チオール基の修飾
まず、表面修飾カーボンナノ材料のカルボキシル基にチオール基を修飾する。本発明者らの検討によれば、従来の液状還元法（特許文献３参照）で担体にＰｔやＲｕを担持させた場合、担持の際にＰｔやＲｕが凝集してその粒子径が大きくなったり、粒子径の大きなものが混在することが判明している。
そこで、本発明者らは、担体にチオール基を分散させて修飾させ、チオール基にＰｔやＲｕを担持させることとした。これにより、担体上に分散したチオール基に選択的にＰｔやＲｕが析出するので、これら粒子の凝集を抑制し、粒子径を微細化することに成功した、チオールは、Ｐｔの前駆体となる塩化白金溶液中の白金イオンと相互作用する官能基であるため、チオールに白金イオンが選択的に結合する。その結果、カーボンナノ材料の表面に白金を凝集させずに分散させることができる。
従って、カルボキシル基は、担体上にチオール基を分散させるための前駆体となる。
【００１６】
ここで、チオール化を行う前駆体となるカルボキシル基をカーボンナノ材料表面に導入する方法として、本発明者らは、本発明方法の他に酸処理法を検討した。酸処理法は、カーボンナノ材料を高温（３００〜７００℃）で酸と共に加熱する方法であるが、この方法を用いるとカーボンナノ材料表面が破壊される不具合がある。一方、本発明による方法の場合、反応温度も低く、反応が緩和であるため、カーボンナノ材料表面が破壊されることが少ない。
【００１７】
Ｂ）ハロゲン化処理
チオール化処理の前に上記カルボキシル基をハロゲン化処理する。ハロゲン化にはハロゲン化剤を用いることができる。
ハロゲン化剤としては、例えば、塩化チオニル、塩化アルミニウム、塩化水銀等が挙げられるがこれらに限定されない。そして、担体及びハロゲン化剤を適当な温度、時間で攪拌することによってハロゲン化処理を行うことができる。ハロゲン化処理の温度は、通常５０〜１００℃程度とすることができ、処理時間は特に限定されないが、通常、１２時間以内であればよい。
【００１８】
Ｃ）チオール化
ハロゲン化させたカルボキシル基をチオール化することにより、カーボンナノ材料表面にチオール基を導入する。チオール化の方法は特に限定されないが、有機化学的方法、機械化学的方法を用いることができる。
有機化学的方法としては、担体とチオール化剤とを反応させる方法が挙げられる。この場合、チオール化剤として、アミノメタンチオール、アミノエタンチオール、アミノドデカンチオール等の炭素数１〜１２のアミノアルカンチオール；メルカプトメタノール、メルカプトエタノール、メルカプトドデカノール等の炭素数１〜１２のメルカプトアルコール；アミノチオフェノール、メルカプトフェノール等のベンゼン誘導体；等が挙げられるがこれらに限定されない。
担体とチオール化剤との反応は、例えば両者を接触させて行うことができ、反応効率の点から反応温度は５０〜１００℃であることが好ましい。反応時間は特に限定されないが、通常、２４時間以内であればよい。
【００１９】
Ｄ）担体表面へのＲｕ及び／又はＰｔの担持
次に、チオール化した担体と、Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体を共存させた状態で、Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体を還元させ、担体表面にＲｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子を担持させる。これは、金属前駆体を液状還元法で還元させる方法である。
Ｒｕ及び／又はＰｔの前駆体としては、これらの金属の塩又は錯体を用いることができ、たとえば、塩化ルテニウム水溶液及び／又は塩化白金水溶液が挙げられる。そして、これらの水溶液に担体を浸漬し、超音波を与えたり、攪拌することにより、担体と水溶液とを充分に接触させた後、還元剤を添加して前駆体を還元する。
還元剤としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、水素化アルミニウムリチウム、水素等が挙げられるが、これらに限定されない。還元剤の量は、通常、上記Ｒｕ及びＰｔの前駆体の合計に対して過剰量（例えば、上記前駆体の合計１mol当り1.5〜10mol）となるように調整することが好ましい。
【００２０】
以上のようにして、表面がチオール化した担体に、Ｒｕ及び／又はＰｔの金属微粒子が担持される。これらの金属微粒子は凝集せず、担体上に微細に分散することができる。
なお、担体上にＲｕ金属微粒子とＰｔ金属微粒子とを共に担持させる場合、Ｒｕ金属微粒子とＰｔ金属微粒子との割合は、Ｒｕ前駆体及びＰｔ前駆体の濃度割合を変化させて調整することができる。
Ｒｕ及びＰｔの担持量は、担体表面のチオール基の数、Ｒｕ及びＰｔ前駆体の液濃度等によって異なるが、触媒活性を維持する点から、通常、担体の１０〜６０質量％程度とすることが好ましい。
【００２１】
Ｅ）熱処理
次に、Ｒｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子とを担持させた担体を、非酸化雰囲気で熱処理することにより、担体表面のチオール基が除去されると共に、担体上に担持された隣接する金属微粒子同士が一体化し、所定の粒径となる。
熱処理はチオール基が分解する温度である２００℃以上とする必要がある。熱処理を行うと、チオール基が除去され、Ｒｕ及び／又はＰｔの金属原子が担体上に存在する。
熱処理によりＲｕやＰｔの金属微粒子が担体上を移動して凝集し、所定の粒径となるが、これらの金属微粒子はチオール基上に選択的に存在しているため、比較的分散した小粒径の状態で凝集するようになる。そのため、従来のように、極めた大粒径の凝集体となることが少なく、触媒活性が向上する。
【００２２】
熱処理温度は、２００〜６００℃の範囲とすることが好ましく、２００℃以上３００℃未満とすることがより好ましく、２００〜２５０℃とすることが最も好ましい。熱処理温度が６００℃を超えると、Ｒｕ及びＰｔ金属微粒子が凝集して粗大化し、触媒活性が低下する場合がある。
熱処理時間は特に制限されないが、通常、１時間程度とすることができる。
非酸化雰囲気としては、例えば水素雰囲気が挙げられる。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態による表面修飾カーボンナノ材料及びＰｔ触媒の製造工程の１例を示す。Ｐｔは微細なクラスターとして担体表面に担持される。
【００２４】
なお、Ｒｕ及びＰｔの金属微粒子を共に担持させた場合は、次のような凝集状態となる。まず融点の低いＲｕの金属微粒子が担体上を移動して凝集し、所定の粒径となる。Ｐｔ金属微粒子は凝集せず、隣接するＲｕの移動に伴って移動する。Ｒｕの凝集が完了すると、Ｐｔ金属微粒子は周囲をＲｕの凝集体で囲まれているために、他のＰｔ金属微粒子と凝集することが難しく、チオール化した担体に担持された時の粒径をほぼ維持すると考えられる。つまり、Ｐｔを単独で担持させた場合に比べ、Ｐｔ金属微粒子をさらに分散させて小径の凝集体とすることができる。
従って、チオール化の時点で担持されるＰｔの量（原子比）を、Ｒｕの量より少なくすることにより、熱処理によるＰｔ金属微粒子の凝集を防止し、Ｒｕ表面にＰｔを分散させることができる。
【００２５】
<Ｐｔ系触媒の構成>
以上のようにしてＰｔ系触媒を製造することができる。
１）Ｐｔ触媒の構成
本発明の製造方法によって得られるＰｔ触媒の構成は、例えば以下のようになっている。
担体表面の個々のＰｔ金属微粒子の平均粒径は、通常０．５〜１５ｎｍであり、この金属微粒子が担体上にそれぞれ離間して分散している。Ｐｔは触媒反応を生じさせるものである。Ｐｔ金属微粒子の平均粒径が０．５ｎｍ未満であるものは製造することが困難であり、又、以下のＴＥＭ像で確認することが困難である。一方、平均粒径が１５ｎｍを超えると、Ｐｔ粒が粗大となって触媒活性が向上せず、触媒反応に有効に寄与するPtの割合が低減する場合がある。
なお、Ｒｕ及びＰｔ金属微粒子の平均粒径は、例えばＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像から求めることができる。
【００２６】
２）Ｐｔ−Ｒｕ系触媒の構成
Ｐｔ−Ｒｕ系触媒の構成は、例えば以下のような構成になっている。
２−１）Ｒｕ金属微粒子
担体表面にはＲｕ金属微粒子が分散している。Ｒｕは、メタノールの酸化反応中間物であるＣＯやアルデヒドによって白金が被毒されることを防止し、Ｐｔの触媒活性を維持するものである。Ｒｕ金属微粒子の平均粒径は０．５〜１５ｎｍ程度であることが好ましい。Ｒｕ金属微粒子の平均粒径が０．５ｎｍ未満であるものは製造することが困難であり、平均粒径が１５ｎｍを超えると、Ｒｕによる白金の被毒防止効果が改善されない。
【００２７】
２−２）Ｐｔ金属微粒子
Ｒｕ金属微粒子の表面には、通常、平均粒径０．５〜１５ｎｍのＰｔ金属微粒子が分散している。Ｐｔは触媒反応を生じさせるものである。Ｐｔ金属微粒子の平均粒径が０．５ｎｍ未満であるものは製造することが困難であり、又、以下のＴＥＭ像で確認することが困難である。一方、平均粒径が１５ｎｍを超えると、Ｐｔ粒が粗大となって触媒活性が向上せず、触媒反応に有効に寄与するPtの割合が低減する場合がある。
【００２８】
２−３）ＰｔとＲｕの原子比
ＰｔとＲｕの原子比は特に制限はないが、Ｐｔ／Ｒｕ＝０．０１〜５であることが好ましい。本発明においては、Ｐｔ金属微粒子がＲｕ金属微粒子の表面に存在し、かつＰｔ金属微粒子の大きさのばらつきが小さいため、触媒反応に有効に寄与するPtの割合が高くなるため、Ｐｔ／Ｒｕの比が小さくても触媒活性を維持することができる。
Ｐｔ／Ｒｕ＝０．０１未満であると、Ｐｔの触媒活性が低下する場合があり、Ｐｔ／Ｒｕ＝５を超えると、Ｐｔの使用量が多くなってコスト増となる場合がある。
【００２９】
上記Ｐｔ系触媒は、燃料電電池の触媒電極、キャパシター、二次電池の複合電極などに好適に使用できる。
【００３０】
次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【００３１】
<表面修飾カーボンナノ材料の製造>
カーボンナノ材料としては、ＣＶＤ法で得られた単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ、直径2nm以下のものを用いた。
まず、８％過酸化水素水溶液２０ｍｌ中にコハク酸１０ｇを投入した。これを１時間攪拌した後、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）膜で濾過し、少量の水で洗い、式
【化１】
で表されるコハク酸アシル過酸化物を得た。
得られたコハク酸アシル過酸化物を室温で２４時間真空乾燥した後、このコハク酸アシル過酸化物５００ｍｇと、ＳＷＮＴ５０ｍｇをo-ジクロロベンゼン溶媒５０ｍｌ中に投入し、８０℃で１０日間反応させた。反応の間、１日おきにコハク酸アシル過酸化物５００ｍｇを加え、合計で５ｇのコハク酸アシル過酸化物を反応に用い、カルボキシル基で表面修飾されたカーボンナノ材料を得た。カーボンナノ材料の表面修飾基がカルボキシル基であることは、IR(フーリエ変換赤外吸収スペクトル分析法)により確認した。
【００３２】
<担体のチオール化>
上記表面修飾カーボンナノ材料（担体）５０ｍｇに塩化チオニル100ｍＬを加えて７０℃で１２時間還流することにより、カーボンナノ材料表面を塩素化させた。還流後に未反応の塩化チオニルを蒸発させて除き、塩素化された表面修飾カーボンナノ材料をトラップして得た。次に、脱水トルエン中に、塩素化された表面修飾カーボンナノ材料とアミノエタンチオールとを加え、７０℃で２４時間反応させた後、メタノールで洗浄した。洗浄後の液を濾過し、濾過物を採取し、表面にチオール基が導入された担体を得た。
【００３３】
<Ｐｔの担持>
蒸留水４０ｍｌに、チオール化した担体５０ｍｇを加え、超音波ホモジナイザー（Sonics & Material社製、出力１３０Ｗ、周波数２０ｋＨｚ）で５分間超音波攪拌し、担体を分散させた。これに、Ｐｔ前駆体である１０ｍｍｏｌのH2PtCl6を6.25ｍｌ加え、超音波スターラー（日本精機製作所製、出力３５Ｗ、周波数４０ｋＨｚ）で１時間攪拌した。H2PtCl6の量は、担体０．２ｇに対する質量比が２０％になるように調整した。
次に、純水２０ｍｌに水素化ホウ素ナトリウム０．２５ｇを溶かした水溶液を、上記攪拌液に加えてＰｔを還元させ、担体表面にＰｔ金属微粒子を担持させた。水素化ホウ素ナトリウムの量は、Ｐｔの合計量に対し過剰量となるように調整した。還元後の単体を蒸留水で洗浄後、濾過して採取した。
【００３４】
<熱処理>
Ｐｔを担持した担体を、水素雰囲気下（１００ｓｃｃｍ）で２００℃〜５００℃の範囲の所定温度で１時間熱処理し、触媒を得た。熱処理は、赤外線加熱炉（アルバック理工社製、ＭＩＲＡ３０００）を用いた。
【００３５】
<評価>
１．ＴＥＭ像
得られた触媒のＴＥＭ像を図２〜図６に示す。各図において、担体１０の表面にＰｔ粒２が析出しているのがわかる。なお、ＴＥＭ観察用の試料は、電子顕微鏡用カーボン支持膜上に、エタノールを浸した上記触媒をスポイトで滴下し、自然乾燥したものを用いた。ＴＥＭは日立製作所製のＨ−９０００ＮＡＲ １００ｋＶを用いた。
図２は、熱処理前の試料であり、Ｐｔがクラスターに凝集していない単一原子分散の状態であるため、Ｐｔ粒はＴＥＭで確認できないほど微細であった。
図３〜図６に移行するに伴い、熱処理温度が２００℃〜５００℃に１００℃ずつ高くなっている。そのため、図３の試料ではＰｔ粒の平均粒径が１ｎｍ程度であったが、熱処理温度が高い図６の試料ではＰｔ粒の平均粒径が５ｎｍ程度に増加した。但し、粒径１５ｎｍを超える粗大粒は見られなかった。
【００３６】
２．Ｘ線回折像
得られた触媒の粉末Ｘ線回折像を図７に示す。図において、担体１０の表面にＰｔ粒２が析出しているのがわかる。なお、ＴＥＭ観察用の試料は、電子顕微鏡用カーボン支持膜上に、エタノールを浸した上記触媒をスポイトで滴下し、自然乾燥したものを用いた。ＴＥＭは日立製作所製のＨ−９０００ＮＡＲ １００ｋＶを用いた。
図７において、熱処理前の試料はＰｔ（１１１）を示すピーク（２θ＝４０近傍）が見られなかったが、熱処理温度を高くするに伴い、このピークが増大した。つまり、熱処理によって、Ｐｔ（１１１）が成長することがわかった。
なお、Ｘ線回折試料は以下のように作製した。まず、少量の触媒を細かくすりつぶし、X線回折用ソーダガラス製キャピラリ（W.Muller社製、長さ８０ｍｍ、ガラス厚０．０１ｍｍ、内径０．５ｍｍ）に深さ１０ｍｍ程度詰めた。キャピラリの開口を封じた後、測定に供した。
粉末X線装置は、MACサイエンス社製（線源：CuKα線（λ＝1.5418×10-10ｍ（1.5418Å）、出力４０kV、６０mA、２θ＝５〜９０°）のものを用いた。
【００３７】
３．Ｘ線光電子分光スペクトル測定（XPS）
得られた触媒のＸ線光電子分光スペクトル測定（XPS：X-ray photoelectron spectroscopy）したスペクトルを図８，９に示す。
図８において、金属状態（金属原子集合体；バルク）の結合エネルギーを横軸のＭ（７１．２ｅｖ）で示す。熱処理前の触媒であるPt-S-SWNT（図の符号Ａ、以下の図で同じ）は白金が単一原子に近い大きさで担持されており、バルクと比較して高エネルギー側（７２．７ｅＶ）へシフトした。したがって、Pt-S-SWNTは普通の金属（バルク）とは明らかに違う電子構造を持っている。触媒にそれぞれ２００、３００、４００、５００℃で熱処理を行ったものを図の符号Ｂ、Ｃ，Ｄ，Ｅで表す（以下の図で同じ）。熱処理温度が大きくなるにつれて、大きな微粒子へ成長するため、電子構造がバルク（金属の状態）に近づくことが判明した。すなわち、Ｐｔ微粒子の大きさによって電子構造が変化する。
図９は、Ptに配位している硫黄のＸＰＳスペクトルである。Ａの試料では硫黄のピークが見られるが、熱処理温度473K（図のＢ）で硫黄が脱離し始め、573Kより高温（図のＣ〜Ｅ）では完全に硫黄が脱離した。燃料電池の触媒では白金に配位している硫黄が触媒反応の妨げになるので、熱を加える事で硫黄が除去できることがわかる。
なお、Ｘ線光電子分光装置はアルバックファイ社製のPHI5600（X線源：AlKα線（1486.6eV）、１５ｋV、３００w）を用いた。又、結合エネルギーは担体（カーボン）のC1S(284.5eV)を基準とした。
【００３８】
４．電気化学的測定
得られた触媒の触媒活性として、メタノール酸化反応（MOR）における電気触媒活性をサイクリックボルタンメトリ（CV、608、ALS）で評価した。動作電極には上記触媒を用いた電気触媒層をコーティングした直径3ｍｍのグラッシーカーボン電極を用いた。まず、上記した方法で20％のＰｔを担持させた上記カーボンナノ材料3ｍｇと、5w％のナフィオンを含むエタノール6μｌとを150μlのイソプロピルアルコールに投入し、1時間超音波分散した。このスラリーを6μlとり、上記グラッシーカーボン電極上に塗布し、60℃で1時間で乾燥させた。カウンター電極とリファレンス電極として、それぞれPt線と飽和カロメル電極（SCE）を用いた。
触媒を含む動作電極をサイクリックボルタンメトリ装置に取り付け、溶液として0.5mol／ｌ硫酸溶液を用いた。測定系を窒素ガスで１分間パージした後、走査速度を高速にして電極を電気化学的にクリーニングした。その後、電解液（0.5mol／ｌ硫酸＋2mol／ｌメタノール）中、走査速度50ｍV／sで、０〜０．９６V（飽和カロメロ電極（SCE）基準）の範囲でサイクリックボルタモグラムを得た。
得られたサイクリックボルタモグラムを図１０に示す。この図から、熱処理なし（Ａ）、及び熱処理温度２００℃（Ｂ）の試料では酸化活性がほとんど見られなかった。この理由としては、上記したようにＰｔに配位した硫黄が反応を妨げていると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒の製造方法の１例を示す図である。
【図２】チオール化後の熱処理を行わなかった場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図３】チオール化後の熱処理を４７３Ｋとした場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図４】チオール化後の熱処理を５７３Ｋとした場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図５】チオール化後の熱処理を６７３Ｋとした場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図６】チオール化後の熱処理を７７３Ｋとした場合の本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＴＥＭ像を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＸＰＳスペクトルを示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒のＸＰＳスペクトルを示す別の図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るＰｔ触媒を電極に用いた場合のサイクリックボルタモグラムを示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
２ Ｐｔ金属微粒子
１０ 担体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱し、該カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入することを特徴とする表面修飾カーボンナノ材料の製造方法。
【請求項２】
前記表面修飾カーボンナノ材料と、Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体とを共存させた状態で、前記Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体を還元させ、前記表面修飾カーボンナノ材料表面にＲｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子とを担持させる工程と、
前記Ｒｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子を担持させた前記表面修飾カーボンナノ材料を、非酸化雰囲気で熱処理する工程とを有するＰｔ系触媒の製造方法。
【請求項１】
カーボンナノ材料とコハク酸アシル過酸化物とを溶媒中で加熱し、該カーボンナノ材料の表面にカルボキシル基を導入することを特徴とする表面修飾カーボンナノ材料の製造方法。
【請求項２】
前記表面修飾カーボンナノ材料と、Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体とを共存させた状態で、前記Ｒｕ前駆体及び／又はＰｔ前駆体を還元させ、前記表面修飾カーボンナノ材料表面にＲｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子とを担持させる工程と、
前記Ｒｕ金属微粒子及び／又はＰｔ金属微粒子を担持させた前記表面修飾カーボンナノ材料を、非酸化雰囲気で熱処理する工程とを有するＰｔ系触媒の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２１７１９４（Ｐ２００７−２１７１９４Ａ）
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３６０４０（Ｐ２００６−３６０４０）
【出願日】平成１８年２月１４日（２００６．２．１４）
【出願人】（３０４０２４４３０）国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 (169)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１４日（２００６．２．１４）
【出願人】（３０４０２４４３０）国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学 (169)
【Ｆターム（参考）】
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