[发明专利]氧还原催化剂、电极、膜电极组件和燃料电池

说明书

本发明涉及氧还原催化剂、电极、膜电极组件和燃料电池，该氧还原催化剂是包含置换CoS₂的氧还原催化剂，所述置换CoS₂具有立方晶结构，所述氧还原催化剂在从其表面起的0.83nm以内具有所述置换CoS₂，所述置换CoS₂中一部分Co原子被置换为选自Cr、Mo、Mn、Tc、Re、Rh、Cu和Ag中的至少1种置换原子。

技术领域

本发明涉及氧还原催化剂、电极、膜电极组件(膜电极接合体)和燃料电池。

背景技术

在固体高分子型燃料电池(PEFC)等电池中使用催化剂，具体而言，为了提高PEFC的反应速度、提高PEFC的能量转换效率而使用具有包含催化剂的层的阴极、阳极。

作为该催化剂，一般使用贵金属催化剂，在贵金属中，主要使用活性高的铂。然而，铂为高价格，从成本等方面出发，PEFC的利用受到限制。

另外，PEFC的阴极在强酸性且氧化性气氛中，而且电位高，因此在PEFC的工作环境下稳定的材料非常有限。已知：在这样的环境中，即使是在贵金属中特别稳定的铂，也会因长期的使用而发生氧化、溶解，活性降低。

为了解决该问题，另外在维持PEFC的发电性能的方面，在阴极中也使用大量的贵金属催化剂，但是，这样的大量的贵金属催化剂的使用在成本方面和资源方面这两方面成为大的课题。

为了解决上述问题，具体而言，从PEFC的低成本化、用途扩大等方面出发，需求催化活性高、且在PEFC的工作环境下具有高耐久性的非铂催化剂。

作为非铂催化剂，从带隙小、且显示与金属同等的导电性的方面出发，使用金属硫化物作为光催化剂、与氧化还原反应相关的电极催化剂。

例如，在专利文献1中记载了：RuMoS/C催化剂与RuS/C相比硫分难以脱离从而能够发挥作为催化剂的特性。然而，该RuMoS/C催化剂，主要的金属成分为Ru，在成本的方面是不理想的。另外，并无将立方晶结构的CoS₂用置换原子置换来提高耐久性的记载。

近年来，随着计算机性能的大幅提高，从实验的效率化等方面出发，已经开始根据计算化学方法来进行材料的探索(例如非专利文献1～3)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-43618号公报

非专利文献

非专利文献1：Ifan E.L.Stephens et al.,Understanding theelectrocatalysis of oxygen reduction on platinum and its alloys,EnergyEnviron.Sci.，2012,5,6744-6762.

非专利文献2：M.C.S.Escano et al.,First-principle study on surfacestructure,thickness and composition dependence of the stability of Pt-skin/Pt3Co oxygen-reduction-reaction catalystsJournal of Power Sources,2014,247562-571.

非专利文献3：J.Zhang et al.,Controlling the Catalytic Activity ofPlatinum Monolayer Electrocatylysts for Oxygen Reduction with DifferentSubstrates,Angew.Chem.Int.Ed.,2005,44,2132-2135.

发明内容