[发明专利]催化剂及其制造方法以及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂及其制造方法以及其用途。

背景技术

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，可在低温(-40℃左右)～120℃左右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，曾研讨了车辆用驱动源和定置型电源，但为了适用于这些用途，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，向阳极供给燃料并向阴极供给氧或空气，在阴极氧被还原从而获取电的形式。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、活性高的铂。可是，由于铂价格高且资源量受限，因此要求开发能够替代它的催化剂。

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。

作为代替铂的催化剂，含有碳、氮、硼等非金属的材料作为催化剂在近年受到注目。这些含有非金属的材料，与铂等贵金属比较，价格便宜，并且资源量丰富。

在非专利文献1中报告了以锆为基础的ZrO_xN化合物显示氧还原能力。

在专利文献1中，作为替代铂的材料，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元素的氮化物的氧还原电极材料。

可是，这些含有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，在专利文献2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℃进行了加热的碳氮氧化物。

可是，在专利文献2中所公开的碳氮氧化物是薄膜磁头陶瓷基板材料，没有研讨将该碳氮氧化物作为催化剂使用的情况。

另外，虽然铂不仅作为上述燃料电池用的催化剂，而且作为排气处理用催化剂或有机合成用催化剂也有用，但由于铂价格高且资源量受限，因此要求开发即使在这些用途中也能够对其进行替代的催化剂。

专利文献1：特开2007-31781号公报

专利文献2：特开2003-342058号公报

非专利文献1：S.Doi，A.Ishihara，S.Mitsushima，N.kamiya，and K.Ota，Journal of The Electrochemical Society，154(3)B362-B369(2007)

发明内容

本发明的课题是解决这样的现有技术中的问题，本发明的目的在于提供在酸性电解质中和/或高电位下不腐蚀且耐久性优异的具有高的氧还原能力的催化剂。

本发明者们为解决上述现有技术的问题而刻苦研讨的结果发现，包含至少含有锆或钛的、含有特定的两种金属的金属碳氮氧化物的催化剂，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，从而完成了本发明。

本发明涉及例如以下的(1)～(16)。

(1)一种催化剂，其特征在于，包含金属碳氮氧化物，所述金属碳氮氧化物含有两种从锡、铟、铂、钽、锆、钛、铜、铁、钨、铬、钼、铪、钒、钴、铈、铝和镍中选出的金属元素M，含有锆和/或钛。

(2)根据上述(1)所述的催化剂，其特征在于，上述金属元素M是选自钽、锆、钛、铁、钨、钼、铈和铝中的金属元素。

(3)根据上述(1)或者上述(2)所述的催化剂，其特征在于，上述金属碳氮氧化物的组成式用Zr_aM_bC_xN_yO_z或者Ti_aM_bC_xN_yO_z(其中，a、b、x、y、z表示原子数的比，0.01≤a＜1、0＜b≤0.99、0.01≤x≤2、0.01≤y≤2、0.01≤z≤3、a+b＝1、并且x+y+z≤5。)表示。

(4)根据上述(1)～(3)的任一项所述的催化剂，其特征在于，是燃料电池用催化剂。