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特許6933906多様な支持体の表面にナノ構造の触媒粒子の直接合成方法、これによって製造された触媒構造体
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6933906
(24)【登録日】2021年8月24日
(45)【発行日】2021年9月8日
(54)【発明の名称】多様な支持体の表面にナノ構造の触媒粒子の直接合成方法、これによって製造された触媒構造体
(51)【国際特許分類】
B01J 37/00 20060101AFI20210826BHJP
B01J 35/02 20060101ALI20210826BHJP
B01J 27/24 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/42 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/46 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/745 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/75 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/755 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/89 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/656 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/62 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/34 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/58 20060101ALI20210826BHJP
B01J 27/18 20060101ALI20210826BHJP
B01J 27/047 20060101ALI20210826BHJP
B01J 27/049 20060101ALI20210826BHJP
B01J 37/18 20060101ALI20210826BHJP
B01J 37/08 20060101ALI20210826BHJP
B01J 37/14 20060101ALI20210826BHJP
B01J 37/04 20060101ALI20210826BHJP
B01J 35/08 20060101ALI20210826BHJP
B01J 23/825 20060101ALI20210826BHJP
B82Y 30/00 20110101ALI20210826BHJP
B82Y 40/00 20110101ALI20210826BHJP
【ＦＩ】
B01J37/00 Z
B01J35/02 H
B01J27/24 M
B01J23/42 M
B01J23/46 301M
B01J23/46 M
B01J23/745 M
B01J23/75 M
B01J23/755 M
B01J23/89 M
B01J23/656 M
B01J23/62 M
B01J23/34 M
B01J23/58 M
B01J27/18 M
B01J27/047 M
B01J27/049 M
B01J37/18
B01J37/08
B01J37/14
B01J37/04 101
B01J35/08 B
B01J23/825 M
B82Y30/00
B82Y40/00
【請求項の数】19
【外国語出願】
【全頁数】124
(21)【出願番号】特願2017-28489(P2017-28489)
(22)【出願日】2017年2月17日
(65)【公開番号】特開2017-170428(P2017-170428A)
(43)【公開日】2017年9月28日
【審査請求日】2020年2月14日
(31)【優先権主張番号】10-2016-0018209
(32)【優先日】2016年2月17日
(33)【優先権主張国】KR
(31)【優先権主張番号】10-2017-0021649
(32)【優先日】2017年2月17日
(33)【優先権主張国】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】502291252
【氏名又は名称】韓国エネルギー技術研究院
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＥＮＥＲＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】特許業務法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】丁 ▲ナム▼條
(72)【発明者】
【氏名】金 燦洙
(72)【発明者】
【氏名】左 銀珍
(72)【発明者】
【氏名】崔 志連
(72)【発明者】
【氏名】南 珠▲ヨウン▼
(72)【発明者】
【氏名】朴 淳哲
(72)【発明者】
【氏名】張 文碩
(72)【発明者】
【氏名】徐 龍錫
(72)【発明者】
【氏名】黄 ▲教▼植
(72)【発明者】
【氏名】金 韓基
(72)【発明者】
【氏名】漢 枝亨
(72)【発明者】
【氏名】金 太榮
(72)【発明者】
【氏名】尹 英基
【審査官】
山口 俊樹
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００１−２３９１６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−１５３７６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１６−５２７０７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１５−１４２８８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−２８３７７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
中国特許出願公開第１０５３２４８７４（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ０１Ｊ２１／００−３８／７４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
高温高圧密閉型の反応器を利用した単一工程で支持体に多数のナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を形成する方法であって、
前記単一工程は、
高温高圧密閉型の前記反応器に前記支持体および触媒ソースを供給し、
高温高圧密閉型の前記反応器を完全に密閉して前記反応器を加熱し、前記反応器内に自己生成された圧力及び合成温度下で前記支持体に前記多数のナノ構造の触媒粒子が分散された前記触媒構造体を形成し、
前記反応器の内部のガスを除去し、高温常圧状態にした後、不活性ガスを供給し、前記反応器内に残存する未反応物および副産物を除去し、
前記不活性ガスを供給し、前記反応器を常温状態まで冷却して前記触媒構造体を形成することを含む触媒構造体形成方法。
前記単一工程は、
高温高圧密閉型の前記反応器に前記支持体および触媒ソースを供給し、
高温高圧密閉型の前記反応器を完全に密閉して前記反応器を加熱し、前記反応器内に自己生成された圧力及び合成温度下で前記支持体に前記多数のナノ構造の触媒粒子が分散された前記触媒構造体を形成し、
前記反応器の内部のガスを除去し、高温常圧状態にした後、不活性ガスを供給し、前記反応器内に残存する未反応物および副産物を除去し、
前記不活性ガスを供給し、前記反応器を常温状態まで冷却して前記触媒構造体を形成することを含む触媒構造体形成方法。
【請求項2】
高温高圧密閉型の前記反応器を完全に密閉する前に、
前記反応器内の雰囲気形成ガスを前記反応器内に供給することをさらに含む請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
前記反応器内の雰囲気形成ガスを前記反応器内に供給することをさらに含む請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項3】
前記不活性ガスを供給し、前記反応器を常温状態に冷却させる前に、
酸化処理、還元処理、ドーピング処理、または、これらの組み合わせを実施することをさらに含む請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
酸化処理、還元処理、ドーピング処理、または、これらの組み合わせを実施することをさらに含む請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項4】
前記酸化処理は、不活性ガスと酸素を含む混合ガスを供給し、前記還元処理は、不活性ガスと水素を含む混合ガスを供給し、前記ドーピング処理は不活性ガスとアンモニウムガスを含む混合ガスを供給することである請求項３に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項5】
前記反応器内の雰囲気形成ガスを前記反応器内に供給する前に前記反応器内に不活性ガスを供給し、水分の気化に必要な温度に昇温させる段階をさらに含み、
前記不活性ガスの供給を中断し、高温高圧密閉型の前記反応器を完全に密閉することを含む請求項２に記載の触媒構造体の形成方法。
前記不活性ガスの供給を中断し、高温高圧密閉型の前記反応器を完全に密閉することを含む請求項２に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項6】
前記得られた触媒構造体に対し、酸化／還元処理、熱処理、または、コーティング／ドーピング処理を、密閉型の前記反応器を利用してさらに追加で行う請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項7】
前記多数のナノ構造の触媒粒子の少なくとも一部は、炭素シェルまたはドーピングされた炭素シェルによってコーティングされている請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項8】
前記多数のナノ構造の触媒粒子は積層構造を形成し、隣接する前記ナノ構造の触媒粒子は互いに前記炭素シェルまたはドーピングされた炭素シェルによって分離され、前記ナノ構造の触媒粒子が固まらない請求項７に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項9】
前記積層構造は、単一成分の積層構造、２元以上の成分の積層構造、または、前記触媒の組み合わせによって形成された積層構造である請求項８に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項10】
前記支持体は、粉末、薄膜、箔、フォーム、メッシュ、または、ワイヤ形態である請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項11】
前記支持体は金属であり、前記触媒構造体は、Ｐｔナノ粒子／Ｓｉナノ粒子支持体、Ｐｔ合金ナノ粒子／Ｓｉナノ粒子支持体、Ｃｏナノ粒子／Ｓｉナノ粒子支持体、Ｃｏナノ構造／Ｓｉナノ粒子支持体、Ｃｏナノフラワー／Ｓｉナノ粒子支持体、Ｐｔナノ粒子／Ｔｉナノ粒子支持体、Ｐｔ合金ナノ粒子／Ｔｉナノ粒子支持体、Ｐｔ合金ナノ粒子／Ｚｎナノ粒子支持体、または、ＭｏＳ２ナノ構造／Ｔｉ支持体である請求項１０に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項12】
前記支持体は、カーボンブラック、グラフェン、ドーピングされたグラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、グラファイト、および、炭素球からなるグループから選ばれた炭素支持体であり、
前記触媒構造体は、ＭｏＳ２ナノ構造／前記炭素支持体である請求項１０に記載の触媒構造体の形成方法。
前記触媒構造体は、ＭｏＳ２ナノ構造／前記炭素支持体である請求項１０に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項13】
前記合成される前記ナノ構造の触媒粒子は金属−非金属複合ナノ構造の触媒である請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項14】
前記金属−非金属複合ナノ構造の触媒は、ＭｏＳ２−Ｐｔナノ構造／前記支持体、ＭｏＳ２−Ｐｔ合金ナノ構造／前記支持体、ＭｏＳ２シェル−Ｐｔコアナノ構造／前記支持体、または、ＭｏＳ２シェル−Ｐｔ合金コアナノ構造／前記支持体構造である請求項１３に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項15】
前記支持体は、六方晶窒化ホウ素である請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項16】
前記ナノ構造の触媒粒子の大きさは２ｎｍ以下に制御することが可能になっている請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項17】
前記触媒ソースは、損失なしに前記支持体に前記多数のナノ構造の触媒粒子が分散するのに用いられる請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項18】
前記触媒構造体を形成する合成温度を、２００℃超過６００℃未満になるようにする請求項１に記載の触媒構造体の形成方法。
【請求項19】
前記ナノ構造の触媒粒子の大きさまたは分散密度を、前記触媒ソースの金属含有量、前記合成温度の制御、または、前記雰囲気形成ガスの制御により変化させる請求項２に記載の触媒構造体の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は多様な支持体にナノ構造の触媒粒子を直接合成する方法およびこれによって製造された触媒構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
高費用の白金系触媒の性能を向上させたり、これを代替できる技術に対する要求は触媒を用いるすべての技術分野において解決しなければならない課題である。
【0003】
特に、燃料電池システムで酸素を還元させる酸素還元反応（Oxygen Reduction Reaction, ORR）、逆電気透析で酸化還元カップル反応（Reduction-Oxygen Couple Reaction, REDOX couple reaction）、その他に陰極水素放出反応（Cathodic hydrogen Evolution Reaction）、水酸化反応（Water Oxidation Reaction）などの電気化学用反応触媒が必要な技術分野では既存の高費用の白金系触媒の費用を低くしたり、これを代替できる触媒の開発が何よりも至急に要求されている。
【0004】
大部分の金属触媒は表面に露出された原子のみが反応に寄与するので、値段が高い金属の使用量を減らし、金属の熱安定が低くいため、使用中に簡単に焼結されて活性が低下する現象を抑制し、金属自体だけでは適切な機械的な強度が得られにくいので、炭素系支持体または非炭素系支持体などに分散させて形成した触媒を用いる。
【0005】
Ｋｉ Ｃｈｕｌ Ｐａｒｋなどによる無電解（electroless）方法（Carbon-supported Pt-Ru nanoparticles prepared in glyoxylate-reduction system promoting precursor-support interaction, J. Mater. Chem.,2010,20,5545-5556）では最も古典的であり、一般に支持体に触媒をコーティングする方式について開始している。しかし、この方法によれば、複数の段階の工程を経なければならないなど工程が複雑である。そして、支持体の種類によって互いに異なる種類の還元剤を用いなければならず、粒子の大きさを２ｎｍ以下に制御することが困難であり、粒子の均一性および分散密度の確保が難しい。
【0006】
Ｄａｎ Ｃｈｅｎなどによる電気化学的手法（Ultra-high-performance core shell structured Ru@Pt/C catalyst prepared by a facile pulse electrochemical deposition method, Scientific Reports,2015,5,11624）では触媒の構造制御、特にコア−シェルのようなヘテロ構造の合成に非常に有利な方法を開始している。本方法は、工程が簡単でかつ常温で工程が可能であるという長所がある。しかし、この方法によれば、大量生産が容易でなく、粒子の大きさを２ｎｍ以下に制御することが難しく、粒子の均一性および分散密度の確保が難しい。また粉末形態の支持体の場合、触媒粒子を担持させることが難しい。
【0007】
Ｊ． Ｒ． Ｖａｒｇａｓ Ｇａｒｃｉａなどによる ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition） 方法（Chemical Vapor Deposition of Iridium, Platinum, Rhodium and Palladium. Materials Transactions,2003,44,1717-1728.）、Ｋ ＺｈａｎｇなどによるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）方法（A highly active, stable and synergistic Pt nanoparticles/Mo2C nanotube catalyst for methanol electro-oxidation, NPG Asia Materials,2015,7,e155），ＨＹ ＰａｒｋなどによるＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）方法（Green synthesis of carbon-supported nanoparticle catalysts by physical vapor deposition on soluble powder substrates, Scientific Reports,2015,5,14245）は広い意味で触媒として使用可能な金属や有機物が含まれている前駆体を常圧または低圧で気化させて生成した分子を反応器に供給しながら支持体の表面にナノサイズで合成する方式である。これら方法は、支持体として粉末を用いる場合、均一な合成および制御は容易であるが、大容量の場合は、触媒コーティングが不均一になる可能性があるため、粉末の商用化された触媒コーティング方式であり、短所がある。何よりも用いられる前駆体ソースの損失が多いという致命的な短所があるため、経済性が落ちる。
【0008】
Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ ＨａｒｉｓｈなどによるＭｉｃｒｏｗａｖｅ方法（Microwave assisted polyol method for the preparation of Pt/C, Ru/C and PtRu/C nanoparticles and its application in electrooxidation of methanol）では金属塩物質を触媒ソースとして用い、用いられる塩の種類に応じて１００〜２００℃内外の比較的低い温度で１０分内外で合成が可能であるため、合成費用と時間を最少化することができる。しかし、２ｎｍ以下の大きさで触媒を合成することが容易でなく、粒子の均一性および分散密度の確保が難しい。またＫｇ単位の大量生産が難しいため、経済性が落ちる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
単純化された工程で、粒子の均一性および分散密度を達成することができ、かつ粒子の大きさを２ｎｍ以下にも制御することができ、用いられる前駆体を１００％活用しながらもＫｇ以上の単位の大量生産が可能であるため、経済性を確保できる多様な支持体の表面にナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体の製造方法が要求される。
【0010】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、単純化された工程で、粒子の均一性および分散密度を達成することができ、また粒子の大きさを２ｎｍ以下にも制御することができ、用いられる前駆体を損失なしに１００％触媒合成に活用しながらもＫｇ以上の単位の大量生産が可能であるため、経済性および生産性を高めることができる多様な支持体の表面にナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体の製造方法を提供しようとすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の実施例による触媒構造体の形成方法は、高温高圧密閉型反応器を利用した単一工程で支持体に多数のナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を形成する方法であって、前記単一工程は、前記高温高圧密閉型反応器に支持体および触媒ソースを供給し、前記高温高圧密閉型反応器を完全に密閉して前記反応器を加熱し、前記反応器内に自己生成された圧力と合成温度下で前記支持体に前記多数のナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を形成し、前記反応器の内部のガスを除去し、高温常圧状態にした後、不活性ガスを供給し、前記反応器内に残存する未反応物および副産物を除去し、前記不活性ガスを供給し、前記反応器を常温状態に冷却させて前記触媒構造体を形成することを含む。
【0012】
本発明の実施例による触媒構造体の形成方法は、高温高圧密閉型反応器を利用した単一工程で支持体に多数のナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を形成する方法であって、前記単一工程は、前記高温高圧密閉型反応器に支持体および触媒ソースを供給し、前記高温高圧密閉型反応器を完全に密閉して前記反応器を加熱し、前記反応器内に自己生成された圧力と２００℃ないし５００℃の合成温度下で前記支持体に前記多数のナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を形成することを含む。
【0013】
本発明の実施例により合成された触媒構造体は、Ｐｔナノ粒子／Ｓｉナノ粒子支持体、Ｐｔ合金ナノ粒子／Ｓｉナノ粒子支持体、Ｃｏナノ粒子／Ｓｉナノ粒子支持体、Ｃｏナノフラワー／Ｓｉナノ粒子支持体、Ｐｔナノ粒子／Ｔｉナノ粒子支持体、Ｐｔ合金ナノ粒子／Ｔｉナノ粒子支持体、Ｐｔ合金ナノ粒子／Ｚｎナノ粒子支持体、ＭｏＳ２ナノ構造／Ｔｉ支持体形態の触媒構造体であり得る。
【0014】
本発明の実施例により合成された触媒構造体は、前記支持体は、カーボンブラック、グラフェン、ドーピングされたグラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、グラファイト、および炭素球からなるグループから選ばれた炭素支持体であり、ＭｏＳ２ナノ構造／前記炭素支持体である触媒構造体であり得る。
【0015】
本発明の実施例により合成された触媒構造体は、支持体が六方晶窒化ホウ素である触媒構造体であり得る。
【0016】
本発明の実施例により合成された触媒構造体は、支持体に金属−非金属複合ナノ構造の触媒が分散された触媒構造体であり得る。
【発明の効果】
【0017】
本発明の実施例によれば、単純化された工程で、ｋｇ単位の大量生産が可能であるため、経済性に優れる。
【0018】
本発明の実施例によれば、支持体の表面に人為的ないかなる機能化（表面酸化、酸処理などによる機能基の追加）を行わなくとも、すべての支持体で単一工程で触媒構造体を合成することができる。
【0019】
本発明の実施例によれば、金属、非金属、白金、非白金系触媒の多様な材質と構造、成分の触媒構造体を合成することができる。
【0020】
本発明の実施例によれば、触媒構造体の合成のために用いられる触媒ソース（前駆体）が損失なしに１００％支持体の上に分散されるため、触媒の担持量を正確に制御することができる。また従来技術に比べて触媒ソース（前駆体）の使用費用を画期的に節減することができる。
【0021】
本発明の実施例によれば、合成されるナノ構造の触媒粒子の大きさを最小１ｎｍから制御することができ、その大きさを２ｎｍ以下にも均一に形成することができる。
【0022】
本発明の実施例によれば、合成過程中に気化した前駆体は、密閉された高温高圧状態で支持体の間に形成された微細なナノ空隙の中でも均一な濃度で供給できるため、すべての位置でナノ構造の触媒粒子の大きさが均一でかつナノ構造の触媒粒子を均一な分散密度で合成することができる。
【0023】
本発明の実施例によれば、単一工程でナノ構造の触媒粒子の合成と１〜２層で構成された炭素シェルを同時に形成することができ、反応過程で反応物および副産物による触媒被毒を減らし、長期運転時の触媒粒子間の固まり現象による活性低下を防ぐことができる。
【0024】
本発明の実施例によれば、単一工程でナノ構造の触媒粒子が１〜２層の炭素シェルで積層され、合成され得るため、ナノ構造の触媒粒子を幾重にも積み上げることができる。したがって、多様な構造のナノ構造の触媒粒子をした支持体の表面に装飾することができ、触媒構造体の性能を極大化し、かつ単一成分触媒構造体の短所を減らす役割を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1a】本発明の実施例による多様な支持体にナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を製造する方法を説明するためのフローチャートである。
【図1b】本発明の実施例による多様な支持体にナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を製造する方法を説明するためのフローチャートである。
【図1c】本発明の実施例による多様な支持体にナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を製造する方法を説明するためのフローチャートである。
【図2a】支持体が炭素ナノ球である場合の模式図である。
【図2b】炭素ナノ球にＰｔ触媒が分散された触媒構造体の高配率透過電子顕微鏡（HRTEM, High Resolution TEM）写真を示す。
【図3a】支持体がカーボンナノチューブである場合の模式図である。
【図3b】カーボンナノチューブにＰｔ触媒が分散された触媒構造体のＨＲＴＥＭ写真を示す。
【図4a】支持体がグラフェンである場合の模式図である。
【図4b】グラフェンにＰｔ触媒が分散された触媒構造体のＨＲＴＥＭ写真を示す。
【図5a】カーボンナノチューブにＰｔ触媒が分散された触媒構造体のＨＲＴＥＭ写真である。
【図6a】カーボンナノチューブにＰｔ触媒が分散された触媒構造体のＨＲＴＥＭ写真である。
【図6b】カーボンナノチューブにＰｔ触媒が分散された触媒構造体のＨＲＴＥＭ写真である。
【図7a】Ｐｔナノ構造の触媒粒子と炭素シェルが形成された場合を示す。
【図7b】ＦｅＰｔ３ナノ構造の触媒粒子と炭素シェルが形成された場合を示すＨＲＴＥＭ写真である。
【図8a】Ｐｔナノ構造の触媒粒子が支持体に分散された場合を示す。
【図8b】ＦｅＰｔ３ナノ構造の触媒粒子が支持体に分散された場合を示すＨＲＴＥＭ写真である。
【図9a】Ｐｔナノ構造の触媒粒子が分散される前の炭素球支持体のＨＲＴＥＭイメージである。
【図9c】Ｐｔの主結晶面である０．２２３ｎｍ間隔を確認するＨＲＴＥＭイメージである。
【図9d】純粋な単結晶Ｐｔ金属の（１１１）結晶面を確認するＦＦＴパターンである。
【図9e】Ｐｔナノ構造の触媒粒子が炭素球の表面に均一な大きさで形成された場合を示すＳＴＥＭイメージである。
【図9f】ＥＤＸイメージである。
【図9g】ＥＤＸイメージである。
【図9h】ＥＤＸイメージである。
【図10a】図１０ａないし図１１ｂは実施例２で得られたカーボンナノチューブにＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体に係る。図１０ａは、３００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図10b】３００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図11a】６００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図11b】６００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図12a】図１２ａないし図１３ｂは実施例３で得られたグラフェンにＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体に係る。図１２ａは、３００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図12b】３００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図13a】６００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図13b】６００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図14b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図15a】図１５ａないし図１６ｂは実施例５で得られたメソポーラス炭素ナノ粒子にＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体に係る。図１５ａは、３００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図15b】３００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図16a】６００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図16b】６００℃で形成した触媒構造体のＳＴＥＭイメージとＨＲＴＥＭイメージである。
【図18】６００℃で形成した触媒構造体のＨＲＴＥＭイメージである。
【図19b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図19c】ＦＦＴパターンである。
【図19d】ＥＤＸグラフである。
【図20b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図20c】得られた触媒構造体を構成する磁性成分により磁石に触媒構造体が引きずられる場合を示す写真である。
【図20d】ＥＤＸグラフである。
【図21】Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で５０ｗｔ％になるようにして炭素球にＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体のＨＲＴＥＭイメージである。
【図22a】実施例１０−１で得られた触媒構造体に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）である。
【図22b】実施例１０−２で得られた触媒構造体に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）である。
【図22c】実施例１０−３で得られた触媒構造体に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）である。
【図22d】実施例１０−４で得られた触媒構造体に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）である。
【図22e】実施例１０−５で得られた触媒構造体に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）である。
【図23a】実施例１１−１で得られた触媒構造体に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）である。
【図23b】実施例１１−２で得られた触媒構造体に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）である。
【図23c】実施例１１−３で得られた触媒構造体に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）である。
【図24a】実施例１２−１で得られた触媒構造体に対するＨＲＴＥＭイメージ（左側）とその拡大図（右側）である。
【図24b】実施例１２−２で得られた触媒構造体に対するＨＲＴＥＭイメージ（左側）とその拡大図（右側）である。
【図24c】実施例１２−３で得られた触媒構造体に対するＨＲＴＥＭイメージ（左側）とその拡大図（右側）である。
【図24d】実施例１２−４で得られた触媒構造体に対するＨＲＴＥＭイメージ（左側）とその拡大図（右側）である。
【図24e】実施例１２−５で得られた触媒構造体に対するＨＲＴＥＭイメージ（左側）とその拡大図（右側）である。
【図25b】ＴＥＭイメージ（左側）とその拡大イメージ（右側）である。
【図25c】ＦＦＴパターンである。
【図25d】ＥＤＸイメージである。
【図26b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図26c】ＥＤＸイメージである。
【図26d】ＥＤＸイメージである。
【図26e】ＥＤＸイメージである。
【図27b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図27c】ＥＤＸイメージである。
【図27d】ＥＤＸイメージである。
【図27e】ＥＤＸイメージである。
【図28b】ＴＥＭイメージである。
【図28c】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図28d】ＥＤＸグラフである。
【図29b】ＴＥＭイメージである。
【図29c】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図29d】ＥＤＸグラフである。
【図30b】ＴＥＭイメージである。
【図30c】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図30d】ＥＤＸグラフである。
【図31a】図３１ａないし図３１ｃは実施例１７で得られた炭素球にＦｅナノ粒子が分散された触媒構造体に係る。図３１ａは、Ｆｅ触媒ソースであるフェロセン（Ｆｅｒｒｏｃｅｎｅ）の含有量が５ｗｔ％である場合のＨＲＴＥＭイメージである。
【図31b】Ｆｅ触媒ソースであるフェロセン（Ferrocene）の含有量が１０ｗｔ％である場合のＨＲＴＥＭイメージである。
【図31c】Ｆｅ触媒ソースであるフェロセン（Ferrocene）の含有量が１５ｗｔ％である場合のＨＲＴＥＭイメージである。
【図32b】ＴＥＭイメージである。
【図32c】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図32d】ＥＤＸグラフである。
【図33b】ＴＥＭイメージである。
【図33c】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図33d】ＥＤＸグラフである。
【図34b】ＴＥＭイメージである。
【図34c】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図35b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図35c】ＥＤＸグラフである。
【図36b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図36c】ＥＤＸイメージである。
【図36d】ＥＤＸイメージである。
【図36e】ＥＤＸイメージである。
【図36f】ＥＤＸイメージである。
【図37b】ＴＥＭイメージである。
【図37c】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図37d】ＥＤＸグラフである。
【図38b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図38c】ＥＤＸグラフである。
【図39b】ＴＥＭイメージである。
【図39c】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図39d】ＥＤＸグラフである。
【図40b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図40c】ＥＤＸグラフである。
【図41b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図41c】ＥＤＸグラフである。
【図42b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図42c】ＥＤＸグラフである。
【図43b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図43c】ＥＤＸグラフである。
【図44b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図44c】ＥＤＸメージである。
【図44d】ＥＤＸイメージである。
【図44e】ＥＤＸイメージである。
【図44f】ＥＤＸイメージである。
【図45b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図45c】ＥＤＸグラフである。
【図46b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図46c】ＥＤＸグラフである。
【図47b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図47c】ＥＤＸグラフである。
【図48b】ＳＴＥＭイメージである。
【図48c】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図49b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図50b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図50c】ＥＤＸグラフである。
【図51b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図51c】ＥＤＸグラフである。
【図52b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図52c】ＥＤＸグラフである。
【図53b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図53c】ＥＤＸグラフである。
【図54b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図54c】ＥＤＸグラフである。
【図55b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図55c】ＥＤＸグラフである。
【図56b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図56c】ＥＤＸグラフである。
【図57b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図57c】ＥＤＸグラフである。
【図58b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図58c】ＥＤＸイメージである。
【図58d】ＥＤＸイメージである。
【図58e】ＥＤＸイメージである。
【図58f】ＥＤＸイメージである。
【図59b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図59c】ＥＤＸイメージである。
【図59d】ＥＤＸイメージである。
【図59e】ＥＤＸイメージである。
【図59f】ＥＤＸイメージである。
【図60b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図60c】ＥＤＸイメージである。
【図60d】ＥＤＸイメージである。
【図60e】ＥＤＸイメージである。
【図60f】ＥＤＸイメージである。
【図61b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図61c】ＥＤＸイメージである。
【図61d】ＥＤＸイメージである。
【図61e】ＥＤＸイメージである。
【図61f】ＥＤＸイメージである。
【図61g】ＥＤＸイメージである。
【図62b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図62c】ＥＤＸイメージである。
【図62d】ＥＤＸイメージである。
【図62e】ＥＤＸイメージである。
【図63b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図63c】ＥＤＸイメージである。
【図63d】ＥＤＸイメージである。
【図63e】ＥＤＸイメージである。
【図63f】ＥＤＸイメージである。
【図64b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図64c】ＥＤＸグラフである。
【図65b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図65c】ＥＤＸグラフである。
【図66b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図66c】ＦｅＰｔ３ナノ粒子に対するＥＤＸグラフである。
【図66d】Ａｌ２Ｏ３に対するＥＤＸグラフである。
【図67b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図67c】ＥＤＸグラフである。
【図68b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図68c】ＥＤＸグラフである。
【図69b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図69c】ＥＤＸグラフである。
【図70b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図70c】ＥＤＸグラフである。
【図71a】Ｐｔが２０％ローディングされたＰｔ／Ｃ触媒と本発明の実施例によって製造された多様な触媒構造体のＯＲＲ（Oxygen Reduction Reaction）を測定した結果を示すグラフである。
【図71b】Ｐｔが２０％ローディングされたＰｔ／Ｃ触媒と本発明の実施例によって製造された多様な触媒構造体のＯＲＲ（Oxygen Reduction Reaction）を測定した結果を示すグラフである。
【図72a】Ｐｔが３７％ローディングされたＰｔ／炭素球触媒と本発明の実施例によって製造された多様な触媒構造体のＯＲＲ（Oxygen Reduction Reaction）を測定した結果を示すグラフである。
【図72b】Ｐｔが３７％ローディングされたＰｔ／炭素球触媒と本発明の実施例によって製造された多様な触媒構造体のＯＲＲ（Oxygen Reduction Reaction）を測定した結果を示すグラフである。
【図73】互いに異なる温度およびＰｔ金属含有量を用いた場合についてそれぞれ測定した分散密度（number of particles/100nm2）を示すグラフである。
【図74a】互いに異なる温度で合成された触媒構造体でＰｔナノ構造の触媒粒子の平均大きさを測定した結果を示す。
【図74b】互いに異なる温度で合成された触媒構造体でＰｔナノ構造の触媒粒子の平均大きさを測定した結果を示す。
【図74c】互いに異なる温度で合成された触媒構造体でＰｔナノ構造の触媒粒子の平均大きさを測定した結果を示す。
【図74d】互いに異なる温度で合成された触媒構造体でＰｔナノ構造の触媒粒子の平均大きさを測定した結果を示す。
【図75b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図76a】図７６ａないし図７６ｃは実施例３１（密閉反応以降の酸化と還元後処理工程中の酸化温度の変化）で得られた触媒構造体に係る。図７６ａないし図７６ｃはＨＲＴＥＭイメージである。図７６ａは、後処理温度３５０℃の結果を示す。
【図76b】後処理温度４５０℃の結果を示す。
【図76c】後処理温度５５０℃の結果を示す。
【図77b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図78a】図７８ａないし図７８ｃは実施例３３（密閉反応前の反応器内の雰囲気ガスの変化）で得られた触媒構造体に係る。図７８ａないし図７８ｃはそれぞれＴＥＭとＨＲＴＥＭのイメージである。密閉反応前の反応器の内部の雰囲気条件の変化を示す。雰囲気ガスの圧力は４気圧である。図７８ａは、酸素１００％である。
【図78b】アルゴンガス内の酸素は５％である。
【図78c】アルゴン１００％である。
【図79b】触媒含有量は７５ｗｔ％である。
【図80b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図81b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図82b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図82c】ＸＲＤグラフである。
【図83b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図83c】ＸＲＤグラフである。
【図84b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図85b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図86b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図87b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図88b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図88c】ＸＲＤグラフである。
【図89b】ＳＴＥＭイメージである。
【図89c】ＴＥＭである。
【図89d】ＨＲＴＥＭである。
【図89e】ＥＤＸ ｍａｐｐｉｎｇイメージである。
【図89f】ＸＲＤグラフである。
【図90b】合成温度５５０℃のＳＥＭイメージである。
【図90c】合成温度６５０℃のＳＥＭイメージである。
【図90d】合成温度７５０℃のＳＥＭイメージである。
【図90e】ＴＥＭイメージである。
【図90f】ＨＲＴＥＭである。
【図91b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図91c】ＥＤＸ ｍａｐｐｉｎｇイメージである。
【図92b】ＳＥＭイメージである。
【図92c】ＥＤＸグラフである。
【図93b】ＳＥＭイメージである。
【図93c】ＥＤＸグラフである。
【図94b】ＴＥＭイメージである。
【図94c】ＥＤＸグラフである。
【図95b】ＴＥＭイメージである。
【図95c】ＥＤＸグラフである。
【図96b】ＴＥＭイメージである。
【図96c】ＥＤＸグラフである。
【図97b】ＴＥＭイメージである。
【図97c】ＥＤＸグラフである。
【図98b】ＳＴＥＭイメージである。
【図98c】ＥＤＸ イメージである。
【図99】実施例５３で行われた異種白金合金触媒間の層状構造の概念と可能な層状構造の組み合わせを示す。
【図100b】高倍率ＳＥＭイメージである。
【図101b】Ｔｉ箔である。
【図101c】Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ（ＳＵＳ）箔である。
【図102b】高倍率ＳＥＭイメージである。
【図103】実施例５４（支持体が粉末でないワイヤの場合）で得られた触媒構造体に係るコーティング前・後のＴｉワイヤの写真である。
【図104b】ＨＲＴＥＭイメージである。
【図105】実施例５５（多様な炭素支持体を用いた場合）で得られた触媒構造体に係るＨＲＴＥＭイメージである。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例について、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は様々な異なる形態で実現され得、ここで説明する実施例に限定されない。
【0028】
まず、支持体と触媒ソースを高温高圧密閉型反応器内に共に供給する（Ｓ１）。
【0029】
高温高圧密閉型反応器とは、反応が起こる温度と圧力下で完全に密閉が可能な反応器を称す。高圧とは、常圧より高い圧力を意味し、１０気圧以上の圧力、２０気圧以上の圧力、３０気圧以上の圧力、４０気圧以上の圧力であり得る。高温とは、少なくとも３００℃の以上の温度範囲を称し、本発明の実施例では３００〜６００℃の温度範囲を含み得る。
【0030】
高温高圧の密閉型反応器の形態は、反応原料、反応条件などにより多様な形態に変形することが可能である。反応器の容量は少なくは１ｃｃから可能であるが、その容量は設計に応じて変わり得る。
【0031】
支持体としては、炭素系支持体、非炭素系支持体のいずれも使用可能である。炭素系支持体としては、炭素球のような０次元支持体、カーボンナノチューブのような１次元支持体、グラフェンやＮ−ドープされたグラフェンのような２次元支持体、その他黒鉛化メソポーラス炭素ナノ粒子、カーボンブラック、金属−炭素シェル粒子、酸化金属−炭素シェル粒子のような無定形支持体、また、前記各次元の組み合わせで構成された３次元支持体などが用いられ得る。非炭素系支持体としては、Ａｌ２Ｏ３粒子、ＳｉＯ２粒子、ＣｅＯ２粒子、ＳｎＯ２粒子、ＺｎＯ粒子のような金属酸化物粒子、ＣａＡｌ２Ｏ４粒子、ＭｇＡｌ２Ｏ４のようなスピネル（ｓｐｉｎｅｌ）構造型粒子、Ｔｉ粒子、Ｓｉ粒子、Ｚｎ粒子のような金属粒子Ｅｈｓｍｓ窒化ホウ素などのような非金属支持体が用いられ得る。
【0032】
支持体は、ナノメートル大きさの粒子の使用が代表的であり得るが、ミクロン以上の大きさの支持体も触媒コーティングの対象になることができる。また、前記支持体は、粉末形態でなく薄膜、バルク箔、フォーム、メッシュ、ワイヤなどの形態を有する支持体も使用可能である。
【0033】
触媒ソースとしては、貴金属触媒ソース、非貴金属触媒ソース、有機金属触媒ソースのいずれも使用可能である。貴金属触媒としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｅなどが例に挙げられ、非貴金属系触媒としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂなどが挙げられる。有機金属触媒としては、Ｆｅ系有機金属、Ｃｏ系有機金属、Ｎｉ系有機金属、Ｍｎ系有機金属、Ｃｕ系有機金属、Ｓｎ系有機金属が例に挙げられる。
【0034】
Ｐｔソースとしては、トリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ（ｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｐｌａｔｉｎｕｍ、Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）、白金アセチルアセトネート（ｐｌａｔｉｎｕｍ（ＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）、シクロオクタジエンジメチル白金（（１、５−Ｃｙｃｌｏｏｃｔａｄｉｅｎｅ）ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｌａｔｉｎｕｍ（ＩＩ）、Ｃ１０Ｈ１８Ｐｔ）を、Ｒｕソースとしては、ルテニウムアセチルアセトネート（ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｒｕ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）、ルテノセン（Ｒｕｔｈｅｎｏｃｅｎｅ、Ｒｕ（Ｃ５Ｈ５）２）、ビスエチルシクロペンタジエニルルテニウム（Ｂｉｓ（ｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（ＩＩ）、Ｃ７Ｈ９ＲｕＣ７Ｈ９）、ビスジメチルペンタジエニルルテニウム（Ｂｉｓ（２、４ｄｉｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（ＩＩ）、Ｃ１４Ｈ２２Ｒｕ）、ビスペンタメチルシクロペンタジエニルルテニウム（Ｂｉｓ（ｐｅｎｔａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（ＩＩ）、Ｒｕ（Ｃ５（ＣＨ３）５）２、）を、Ｉｒソースとしては、メチルシクロペンタジエニル（１、５−シクロオクタジエン）イリジウム（ｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）（１，５−ｃｙｃｌｏｃｔａｄｉｅｎｅ）ｉｒｉｄｉｕｍ（Ｉ））、イリジウムアセチルアセトネート（ｉｒｉｄｉｕｍ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｉｒ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）、シクロオクタジエンインデニルイリジウム（（１，５−Ｃｙｃｌｏｏｃｔａｄｉｅｎｅ）−５−ｉｎｄｅｎｙｌ）ｉｒｉｄｉｕｍ（Ｉ）、（Ｃ９Ｈ７）Ｉｒ（Ｃ８Ｈ１２））を、Ｒｈソースとしては、ロジウムアセチルアセトネート（ｒｈｏｄｉｕｍ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｒｈ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）を、Ｐｄソースとしては、パラジウムアセチルアセトネート（ｐａｌｌａｄｉｕｍ（ＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｐｄ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２）が用いられ得るが、これは例示に過ぎず、これに限定されるものではない。Ａｇソースとしては、シアン化銀（ｓｉｌｖｅｒ ｃｙａｎｉｄｅ、ＣＡｇＮ）、銀アセチルアセトネート（ｓｉｌｖｅｒ ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ａｇ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２））を、Ａｕソースとしては、シアン化金（ｇｏｌｄ ｃｙａｎｉｄｅ、ＣＡｕＮ）、メチル（トリフェニルホスフィン ）金（Ｍｅｔｈｙｌ（ｔｒｉｐｈｅｎｙｌｐｈｏｓｐｈｉｎｅ）ｇｏｌｄ（１），Ｃ１９Ｈ１８ＡｕＰ）、Ｒｅソースとしては、レニウムカルボキシル（Ｒｈｅｎｉｕｍ ｃａｒｂｏｘｙｌ、Ｃ１０Ｏ１０Ｒｅ２）が用いられ得るが、これは例示に過ぎず、これに限定されるものではない。
【0035】
Ｆｅソースとしては、フェロセン（Ｆｅｒｒｏｃｅｎｅ、Ｃ１０Ｈ１０Ｆｅ）、ビニルフェロセン（Ｃ１２Ｈ１２Ｆｅ）、鉄アセチルアセトネート（ｉｒｏｎ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｆｅ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）を、Ｃｏソースとしては、コバルトセン（Ｃｏｂａｌｔｏｃｅｎｅ、Ｃ１０Ｈ１０Ｃｏ）、コバルトアセチルアセトネート（ｃｏｂａｌｔ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｃｏ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）を、Ｎｉソースとしては、ニッケロセン（Ｎｉｃｋｅｌｏｃｅｎｅ、Ｃ１０Ｈ１０Ｎｉ）、ニッケルアセチルアセトネート（ｎｉｃｋｅｌ（ＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｎｉ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２）を、Ｍｎソースとしては、マンガノセン（ｍａｎｇａｎｏｃｅｎｅ、Ｃ１０Ｈ１０Ｍｎ）、マンガンアセチルアセトネート（ｍａｎｇａｎｅｓｅ（ＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｍｎ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２）、バナジウムアセチルアセトネート（ｖａｎａｄｉｕｍ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｖ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）、クロムアセチルアセトネート（ｃｈｒｏｍｉｕｍ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｃｒ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）、Ｍｏソースとしては、ビス（アセチルアセトナート）ジオキソモリブデン（ＶＩ）（Ｂｉｓ（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｏ）ｄｉｏｘｏｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ（ＶＩ）、ＭｏＯ２（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２）、ビス（ｔ−ブチルイミド）ビス（ジメチルアミノ）モリブデン（ＶＩ）（Ｂｉｓ（ｔ−ｂｕｔｙｌｉｍｉｄｏ）ｂｉｓ（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ（ＶＩ）、Ｃ１２Ｈ３０ＭｏＮ４）、モリブデンアセテートダイマー（ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ（ＩＩ）ａｃｅｔａｔｅ ｄｉｍｅｒ、Ｃ８Ｈ１２Ｍｏ２Ｏ８）、モリブデンカルボキシル（ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ ｃａｒｂｏｘｙｌ、Ｍｏ（ＣＯ）６）、Ｚｎソースとしては、亜鉛アセチルアセトネート（ｚｉｎｃ（ＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｚｎ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２ｘＨ２Ｏ）、ジエチル亜鉛（Ｄｉｅｔｈｙｌｚｉｎｃ、Ｃ４Ｈ１０Ｚｎ）、ジメチル亜鉛（Ｄｉｍｅｔｈｙｌｚｉｎｃ、Ｃ２Ｈ６Ｚｎ）、Ｃｕソースとしては、銅アセチルアセトネート（ｃｏｐｐｅｒ（ＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｃｕ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２）、シアン化銅（ｃｏｐｐｅｒｃｙａｎｉｄｅ、ＣＣｕＮ）、Ａｌソースとしては、アルミニウムアセチルアセトネート（ａｌｕｍｉｎｕｍ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ａｌ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）、トリメチルアルミニウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｌｕｍｉｎｕｍ、Ｃ３Ｈ９Ａｌ）、トリエチルアルミニウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｌｕｍｉｎｕｍ、Ｃ６Ｈ１５Ａｌ）、トリブチルアルミニウム（ｔｒｉ−ｂｕｔｙｌａｌｕｍｉｎｕｍ、Ｃ１２Ｈ２７Ａｌ）、Ｇａソースとしては、ガリウムアセチルアセトネート（Ｇａｌｌｉｕｍ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｇａ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）、Ｉｎソースとしては、インジウムアセチルアセトネート（Ｉｎｄｉｕｍ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｉｎ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）、Ｓｎソースとしては、錫アセチルアセトネート（Ｔｉｎ（ＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｓｎ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）２）、テトラメチル錫（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｔｉｎ、Ｃ４Ｈ１２Ｓｎ）、テトラフェニル錫（ｔｅｔｒａｐｈｅｎｙｌｔｉｎ、Ｃ２４Ｈ２０Ｓｎ）、Ｓｂソースとしては、アンチモンアセテート（Ａｎｔｉｍｏｎｙ（ＩＩＩ）ａｃｅｔａｔｅ、Ｃ６Ｈ９Ｏ６Ｓｂ）、トリフェニルアンチモン（ｔｒｉｐｈｅｎｙｌａｎｔｉｍｏｎｙ、Ｃ１８Ｈ１５Ｓｂ）、トリス（ジメチルアミノ）アンチモン（Ｔｒｉｓ（Ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ）ａｎｔｉｍｏｎｙ、（ＣＨ３）２Ｎ）３Ｓｂ）、Ｇｅソースとしては、テトラエチルゲルマニウム（ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｇｅｒｍａｎｉｕｍ、Ｃ８Ｈ２０Ｇｅ）、テトラメチルゲルマニウム（ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｇｅｒｍａｎｉｕｍ、Ｃ４Ｈ１２Ｇｅ）、テトラブチルゲルマニウム（ｔｅｔｒａ−ｂｕｔｙｌｇｅｒｍａｎｉｕｍ、Ｃ１６Ｈ３６Ｇｅ）が用いられ得るが、これは例示に過ぎず、これに限定されるものではない。
【0036】
有機金属触媒ソースとしては、鉄フタロシアニン（Ｉｒｏｎ（ＩＩ）ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ、Ｃ３２Ｈ１６ＦｅＮ８）、鉄ポルフィリン（Ｉｒｏｎ ｐｏｒｐｈｙｒｉｎ、Ｃ２０Ｈ１４ＦｅＮ４）、コバルトフタロシアニン（Ｃｏｂａｌｔ（ＩＩ）ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ、Ｃ３２Ｈ１６ＣｏＮ８）、ニッケルフタロシアニン（Ｎｉｃｋｅｌ（ＩＩ）ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ、Ｃ３２Ｈ１６ＮｉＮ８）、マンガンフタロシアニン（Ｍａｎｇａｎｅｓ（ＩＩ）ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ（Ｃ３２Ｈ１６ＭｎＮ８））、銅フタロシアニン（Ｃｏｐｐｅｒ（ＩＩ）ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ（Ｃ３２Ｈ１６ＣｕＮ８））、錫フタロシアニン（Ｔｉｎ（ＩＩ）ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ（Ｃ３２Ｈ１６ＳｎＮ８））が用いられ得るが、これは例示に過ぎず、これに限定されるものではない。
【0037】
貴金属触媒ソースを混合して用いる場合は貴金属系２元合金触媒、白金触媒ソースと遷移金属系触媒ソースを混合して用いる場合は白金−遷移金属系２元合金触媒、白金系触媒ソースと有機金属触媒ソースを混合して用いる場合は白金−有機金属系２元合金触媒、触媒ソースの組み合わせを三つ以上にする場合は多元合金触媒を形成することができる。
【0038】
触媒ソースの供給時（Ｓ１）触媒ソースの供給量を制御することにより、支持体に担持される触媒の含有量を所望する範囲に制御することができる。触媒ソースの供給量の制御は、支持体と触媒ソースとの重量比を基準に制御することができる。
【0039】
支持体と触媒ソースの供給が完了すると、反応器内の試料に存在する水分を除去する必要性があるのかを把握する（Ｓ２）。
【0040】
反応器の水分を除去する必要性がある場合は、不活性ガスを反応器内に供給しながら反応器の温度を水分気化に必要な温度、例えば１００℃まで上昇させて一定時間維持する（Ｓ３）。水分除去工程（Ｓ３）は１ないし６０分間維持する。
【0041】
反応器の水分を除去する必要性がない場合は、直ちに反応に必要な反応器内の雰囲気を作るために必要な反応雰囲気ガスを供給する（Ｓ４）。
【0042】
例えば、純粋金属触媒または支持体が酸化に脆弱な場合の触媒の製造時には酸素が存在しない不活性雰囲気が必要であり、白金のような触媒の大きさの制御のためには反応初期に微量の酸素が含まれている雰囲気が必要であり、窒素のような物質のドーピングのためには反応前に微量のアンモニウムガスの供給が必要である。
【0043】
このような理由により反応雰囲気ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウムなどの不活性ガス、または酸素、水素、またはアンモニウムが微量含まれている不活性ガス基盤の混合ガスを供給することができる。
【0044】
反応雰囲気ガスの供給は、反応器の体積対比で１気圧から１０気圧以内に制御され得る。
【0045】
次に、高温高圧反応器を完全に密閉し、密閉した反応器の温度を昇温させる（Ｓ５）。
【0046】
反応器の温度が反応温度まで上昇する間の、反応器の内部では触媒ソースが気化、膨張しながら熱分解し、反応器の内部圧力が増加する。触媒ソースが気化しながら形成（または合成）温度に相当する気体常数だけ自己生成した圧力（self-generated pressure）が反応器の内部に生成される。
【0047】
反応温度は反応器の材質または反応器の容量に応じて変わり得る。本発明の実施例では、反応の経済性、ナノ構造の触媒粒子の大きさおよびコーティング分散密度などを考慮し、２００℃超過６００℃未満になるようにすることが好ましい。２００℃以下、ナノ構造の触媒粒子が１ｎｍ以下に生成されることもできるが、触媒ソースの分解および支持体の表面との反応が円滑でないこともあり得、６００℃を超過する場合にはナノ構造の触媒粒子の固まり現象が著しく現れ得る。また反応器の変形などに備えた設計および材質選定において困難があるため、反応器の製作単価が上昇し、結局生産費上昇の原因になる。反応温度は２００℃ないし５００℃になるようにすることが生産性および経済性の側面からさらに好ましい。
【0048】
反応温度（反応圧力）に到達すれば、支持体の表面にナノ構造の触媒粒子が合成され得るように一定時間の間反応を行う（Ｓ６）。
【0049】
反応時間は、１分ないし２時間の間であり得るが、これは例示的なものであり、合成された触媒の構造設計（大きさ、結晶性、形状）、反応の経済性、供給された触媒ソースの間の化学反応速度などに応じて変わり得る。
【0050】
反応完了後、高温高圧状態で反応器の内部のガスを除去し、高温常圧状態にした後、不活性ガスを供給し、残存する未反応物および副産物を除去する（Ｓ７）。
【0051】
その後、追加的な機能化が必要であるかを検討する（Ｓ８）。
【0052】
追加的な機能化が必要な場合は、機能化に必要な反応温度まで反応器の温度を変化させて必要な反応ガスを供給しながら反応を一定時間の間行う（Ｓ９）。
【0053】
機能化は、酸化処理、還元処理またはこれらの組み合わせであり得る。
【0054】
酸化処理は、触媒構造体を２００℃超過６００℃未満の温度に維持しながら不活性ガスと酸素を含むガスを供給することにより行い得る。酸化処理は１ないし２時間程度行い得る。２００℃以下の温度に維持する場合、酸化反応が十分でないこともあり得、６００℃以上で熱処理をする場合、触媒シェルまたは支持体の酸化促進および触媒間の固まり現象を加速化させ得る。ナノ構造の触媒粒子が遷移金属である場合、これを酸化させて遷移金属酸化物のナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を容易に形成することができる。金属酸化物の場合、金属酸化物に吸着して活性化された酸素や酸化物の格子酸素が酸化反応に関与し、酸化反応触媒として機能することができる。また金属酸化物は酸化反応の他にも脱水素、縮合、酸素含有物質の分解反応などにも用いることができる。また、触媒の表面に残存するリガンド（ligand）の除去にも効果的である。
【0055】
還元処理は触媒構造体を２００℃超過６００℃未満の温度に維持しながら不活性ガスと水素を含むガスを供給することにより行い得る。還元処理は１ないし２時間程度行い得る。還元処理により特に金属触媒の場合、表面に不純物を除去できる効果が得られ、支持体が酸化物である場合、その性質を金属性に変える役割を同時に果たすことができる。２００℃以下の温度に維持する場合、還元反応が十分でないこともあり得、６００℃以上で熱処理を行う場合は高温による触媒間の固まり現象を加速化させることができる。
【0056】
追加的な機能化が完了したり追加的な機能化が必要ない場合は、不活性ガスを供給しながら反応器を常温状態に冷却させた後、支持体にナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を反応器から得る（Ｓ１０）。
【0057】
得られた結果物内のナノ構造の触媒粒子は、支持体のすべての位置で均一に分布され、分散密度が非常に高い。またナノ構造の触媒粒子間に固まり現象がほぼ発生しない。またナノ構造の触媒粒子を２ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ水準まで制御することができる。
【0058】
Ｓ１ないしＳ１０は、一つの反応器内で起こる単一工程である。したがって、本発明の実施例によれば、単一工程で数または数十ｋｇ単位以上で支持体にナノ構造の触媒粒子が均一に分散された触媒構造体を生産できるので経済性に優れる。
【0059】
また、支持体の表面に人為的ないかなる機能化（表面酸化、酸処理などによる機能基の追加）を行わなくとも、すべての支持体で単一工程でナノ構造の触媒粒子を分散させて触媒を合成することができる。
【0060】
本発明の実施例によれば、金属、非金属、白金、非白金系触媒の多様な材質と構造、成分の触媒構造体を合成することができる。
【0061】
また、触媒の合成のために用いられる触媒ソース（前駆体）が１００％損失なしに支持体の上に分散されるため、触媒の担持量を正確に制御することができ、触媒ソース（前駆体）の使用費用を画期的に節減することができる。
【0062】
また、密閉された高温高圧雰囲気下で気化した触媒ソースがすべての支持体の表面で一定の濃度分布に存在するため、すべての支持体の表面にナノ構造の触媒粒子を均一な大きさと向上した分散密度で合成することができる。
【0063】
そして、合成されるナノ構造の触媒粒子の大きさを最小１ｎｍから制御することができ、支持体のすべての位置で大きさが一定であるナノ触媒粒子を均一な分散密度で合成することができる。図２ａは支持体が炭素ナノ球である場合の模式図を、図２ｂは炭素ナノ球にＰｔ触媒が分散された触媒構造体の高配率透過電子顕微鏡（HRTEM, High Resolution, TEM）写真を示す。図３ａは支持体がカーボンナノチューブである場合の模式図を、図３ｂはカーボンナノチューブにＰｔ触媒が分散された触媒構造体のＨＲＴＥＭ写真を示す。図４ａは支持体がグラフェンである場合の模式図を、図４ｂはグラフェンにＰｔ触媒が分散された触媒構造体のＨＲＴＥＭ写真を示す。図２ｂ、図３ｂ、図４ｂの結果からナノ触媒粒子の大きさ均一性および分散密度が向上することが分かる。
【0064】
図２ｂ、図３ｂ、図４ｂのようにナノ触媒粒子の大きさが非常に均一に制御され、分散密度が大きくなる理由は、触媒合成のために供給される前駆体が密閉された高温高圧反応器で合成条件に応じて気化し、反応器の内部で損失なしに膨張するが、この時気化した前駆体は支持体のすべての位置で均一な圧力下で均一な濃度を形成する。このような理由により支持体のすべての表面で一定の大きさのナノ構造の触媒粒子が形成され得、ナノ粒子が固まることなく合成されるため、分散密度も大きくなる。そして、ナノ構造の触媒粒子が支持体に堅固な結合力を有するようになる。図５ｂは図５ａの四角形領域を拡大したＨＲＴＥＭ写真であり、図６ｂは図６ａの四角形領域を拡大したＨＲＴＥＭ写真である。図５ａないし図６ｂのＨＲＴＥＭ写真からナノ構造の触媒粒子が支持体と非常に堅固な結合力を有していることが分かる。これは製造工程時、支持体の表面とナノ構造の触媒粒子が強い結合をしながら合成されるものと解釈される。このように堅固な結合力を有すれば、触媒構造体の長期安定性が向上する長所がある。
【0065】
つまり、本発明の実施例によれば、最小２〜３工程以上を経る既存工程に比べ、単一工程で支持体の上に一定の大きさのナノ構造の触媒粒子を向上した分散密度で分散可能であるため、工程費用を節減することができ、工程の数行段階における原料損失費用が殆どないため経済的であり、有害物質の排出がないため環境にやさしい工程であり、製造された触媒構造体の長期安定性もまた向上する。
【0066】
また、本発明では図７ａ（Ｐｔナノ構造の触媒粒子）および図７ｂ（ＦｅＰｔ３ナノ構造の触媒粒子）に例示されているように単一工程でナノ構造の触媒粒子の合成と１〜２層で構成された炭素シェル（矢印領域）を同時に形成することができる。このような構造は合成された触媒構造体が電気化学および一般化学反応で反応物に含まれている被毒物質および反応過程で発生する副産物などによって活性が低下することを最小化できるだけでなく、長期的に支持体との安定した結合力を持たせる役割を果たすことができるため、ナノ構造の触媒粒子間の固まり現象を防止することができる。また本発明で形成されたシェルの数を２層以内に制御し得、非常に欠陥が多いという点はシェル構造体が厚くなり完全な結晶体になる場合に発生し得る触媒性能低下の問題を最小化し、かつ前記した利点を極大化できるということを意味する。
【0067】
そして、単一工程でナノ構造の触媒粒子が１〜２層の炭素シェルで積層されて合成され得るため、ナノ構造の触媒粒子を幾重にも積層することができる。図８ａはＰｔナノ構造の触媒粒子が支持体に分散された場合を、図８ｂはＦｅＰｔ３ナノ構造の触媒粒子が支持体に分散された場合を示すＨＲＴＥＭイメージが例示されている。図８ａおよび図８ｂを参照すれば、触媒構造体の合成過程においてナノ構造の触媒粒子が１〜２層の炭素シェル層で囲まれた構造で生成され、ナノ構造の触媒粒子が炭素シェルによって分離されてナノ構造の触媒粒子が互いに固まり現象なしに多層構造で支持体に分散することが分かる。
【0068】
コーティング／ドーピング処理、熱処理または酸化／還元処理を含む追加的な処理が必要であるかどうかを判断する（Ｓ１１）。
【0069】
追加的な処理は、触媒構造体を形成した高温高圧密閉型反応器内で反応終了後、直ちに行い得るが、結果物を得た後に一般処理用反応器を介して行うこともできる。
【0070】
得られた触媒構造体に対し、酸化処理／還元処理をさらに行い得る（Ｓ１２−１）。酸化処理は得られた触媒構造体を２００℃超過６００℃未満の温度に維持しながら空気または酸素を供給することにより行い得る。酸化処理はＳ９段階と実質的に同様に行い得る。
【0071】
場合によっては得られた触媒構造体に対し、還元処理をさらに行い得る（Ｓ１２−１）。還元処理はＳ９段階と実質的に同様に行い得る。
【0072】
熱処理（Ｓ１２−２）は触媒構造体の結晶性を高めるために実施し得る。
【0073】
熱処理（Ｓ１２−２）は不活性ガス、不活性ガスと水素の混合ガス、不活性ガスと気体型炭化水素ガスの混合ガス、不活性ガスと窒素含有ガスの混合ガスなどを用いて行い得る。
【0074】
熱処理（Ｓ１２−２）の温度は、常圧の非活性気体雰囲気下で９００〜１３００℃の温度範囲で１ないし６時間程度行い得る。９００℃未満の温度で熱処理をするとき、合成温度との差が少ないため、その効果について大きな期待をすることは難しく、１３００℃超過の温度で熱処理をするとき、触媒構造体が変形する現象が深化され得、触媒構造体に酸化物を含む場合は、炭素シェルが酸化物との反応により炭素シェルが除去され得る。
【0075】
また、得られた触媒構造体に対し、コーティング／ドーピング処理をさらに行い得る（Ｓ１２−３）。コーティング／ドーピング処理は得られた触媒構造体を２００℃超過６００℃未満の温度に維持しながらコーティングまたはドーピングソースを密閉型反応器に共に供給することにより行い得る。コーティング／ドーピング処理（Ｓ１２−３）は、Ｓ２ないしＳ１１と同様の工程を経て高温高圧の密閉型反応器で行い得る。
【0076】
例えば、ナノ構造の触媒粒子結晶の中または炭素シェルなどにＮ−ドーピング（doping）を行おうとするときは、約５００℃程度でアンモニアガスを供給したり、反応器内にＮ−含有ソースをと共に供給した後行ってもよい。その他にもホウ素（boron）、リン（phosphorus）、バナジウム（vanadium）、モリブデン（molybdenum）、硫黄（Sulfur）なども類似の方式でドーピングすることができる。ドーピング処理は１ないし２時間程度行い得る。ドーピング温度はドーピングのために供給されるソースに応じて異なり得るが、２００℃以下の温度に維持する場合、ドーピング反応が十分でないこともあり得、６００℃以上で熱処理をするときは、高温による触媒間の固まり現象を加速化させることができる。
【0077】
本発明の実施例により製造された触媒構造体の応用分野は、燃料電池（fuelcell）、逆電気透析塩分差発電（reverse electrodialysia）、海水淡水化用電気透析（electrodialysis for desalination）、水素生産反応（hydrogen evolution reaction）その他電気化学用触媒（catalysts for electrochemistry）、バッテリー（batteries）、改質触媒（catalysts for reformer）、光触媒（photocatalysts）など多様な触媒分野とナノ素材分野に適用可能である。
【0078】
以下の実施例と図面は、本発明の実施例の概念的な側面と方法についてさらなる理解と、作用および効果についてより詳細に説明するために提供する。ただし、このような実施例は発明の例示として提示されたものに過ぎず、これによって発明の権利範囲が定められるものではない。
【0079】
以下の実施例において密閉前の反応器の内部の雰囲気ガスの条件に対し特に言及しない実施例の場合、密閉前雰囲気ガスは不活性ガスを意味する。
【0080】
〈実施例１〉常圧常温で反応器に０次元支持体として直径が約２００ｎｍであり、ガラス質構造（glassy structure）の炭素球を、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ＩＶ）（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で１５ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後、再び常温に冷却させて反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、炭素球支持体にＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0081】
図９ａはＰｔナノ構造の触媒粒子が分散する前の炭素球支持体のＨＲＴＥＭイメージであり、表面結晶構造はガラス質構造を示す。図９ｂはＰｔナノ構造の触媒粒子の分散後のＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球支持体の表面に１〜１．５ｎｍの大きさのＰｔナノ構造の触媒粒子が非常に均一に分布していることが分かる。図９ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、Ｐｔの主結晶面である０．２２３ｎｍ間隔を確認することができる。図９ｄはＦＦＴパターンで純粋な単結晶Ｐｔ金属の（１１１）結晶面を確認することができる。図９ｅはＳＴＥＭイメージであり、Ｐｔナノ構造の触媒粒子が炭素球の表面に均一な大きさで分布していることを示し、図９ｆないし図９ｈはＥＤＸイメージであり、図９ｆから炭素球に該当するＣ成分の分布を、図９ｇからＰｔナノ粒子の分布を、図９ｈからは最終触媒構造体の表面酸化層をそれぞれ確認することができる。
【0083】
〈実施例２〉常圧常温で反応器に１次元支持体として直径が約１０〜２０ｎｍであり、長さが５μｍである多重壁カーボンナノチューブを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ＩＶ）（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で１５ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後、再び常温に冷却させて反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、カーボンナノチューブにＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。図１０ａは得られた触媒構造体のＳＴＥＭイメージであり、図１０ｂは得られた触媒構造体のＨＲＴＥＭイメージである。
【0085】
図１０ａないし図１１ｂの結果から多重壁カーボンナノチューブの表面にＰｔナノ粒子が非常に均一に分散されて形成されることが分かる。３００℃で反応させたときは、約１〜１．５ｎｍの大きさのＰｔナノ粒子（図１０ａおよび図１０ｂ）が多重壁カーボンナノチューブの表面に均一に合成されたことに対し、６００℃で反応させたときは、約２ｎｍの大きさに大きくなったＰｔナノ粒子（図１１ａおよび図１１ｂ）が多重壁カーボンナノチューブの表面に形成されることが分かる。
【0086】
〈実施例３〉常圧常温で反応器に２次元支持体として厚さが約１．６ｎｍであり、大きさが約５μｍであり、層数が１〜３層であるグラフェンを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ＩＶ）（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で２０ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、グラフェンにＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。図１２ａは得られた触媒構造体のＳＴＥＭイメージであり、図１２ｂは得られた触媒構造体のＨＲＴＥＭイメージである。
【0088】
図１２ａないし図１３ｂの結果からグラフェンの表面にＰｔナノ粒子が非常に均一に分散されて形成されることが分かる。３００℃で反応させたときは、約１〜１．５ｎｍの大きさのＰｔナノ粒子（図１２ａおよび図１２ｂ）がグラフェンの表面に均一に合成されたことに対し、６００℃で反応させたときは、約２ｎｍの大きさに大きくなったＰｔナノ粒子（図１３ａおよび図１３ｂ）がグラフェンの表面に形成されることが分かる。
【0089】
〈実施例４〉常圧常温で反応器に２次元支持体として厚さが約１．５ｎｍであり、大きさが約５μｍであり、層数が１〜３層であるＮ−ドーピングされた（N-doped）グラフェンを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ＩＶ）（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で２０ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後、再び常温に冷却させて反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、Ｎ−ドーピングされたグラフェンにＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。図１４ａは得られた触媒構造体のＳＴＥＭイメージであり、図１４ｂは得られた触媒構造体のＨＲＴＥＭイメージである。図１４ａおよび図１４ｂから１〜１．５ｎｍの大きさのＰｔナノ構造の触媒粒子がＮ−ドーピングされたグラフェンの表面に均一に分散されて合成されたことが分かる。
【0090】
〈実施例５〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約５００ｎｍであり、黒鉛化されたメソポーラス炭素ナノ粒子を、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ＩＶ）（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で１５ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、メソポーラス炭素ナノ粒子にＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。図１５ａは得られた触媒構造体のＳＴＥＭイメージであり、図１５ｂは得られた触媒構造体のＨＲＴＥＭイメージである。
【0092】
図１５ａないし図１６ｂの結果からメソポーラス炭素ナノ粒子の表面にＰｔナノ粒子が非常に均一に分散されて形成されることが分かる。３００℃で反応させたときは、約１〜１．５ｎｍの大きさのＰｔナノ粒子（図１５ａおよび図１５ｂ）がメソポーラス炭素ナノ粒子の表面に均一に合成されたことに対し、６００℃で反応させたときは、約２ｎｍの大きさに大きくなったＰｔナノ粒子（図１６ａおよび図１６ｂ）がメソポーラス炭素ナノ粒子の表面に形成されることが分かる。
【0093】
〈実施例６〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約５０ｎｍであるカーボンブラックを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ＩＶ）（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で２０ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、ブラックカーボンにＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。図１７は得られた触媒構造体のＨＲＴＥＭイメージである。
【0094】
なお、他の条件を同様にし、昇温温度を６００℃に変更して触媒構造体を得た。図１８は得られた触媒構造体のＨＲＴＥＭイメージである。
【0095】
図１７および図１８の結果からカーボンブラックの表面にＰｔナノ粒子が非常に均一に分散されて形成されることが分かる。３００℃で反応させたときは、約１〜１．５ｎｍの大きさのＰｔナノ粒子（図１７）がカーボンブラックの表面に均一に合成されたことに対し、６００℃で反応させたときは、約２ｎｍの大きさに大きくなったＰｔナノ粒子（図１８）がカーボンブラックの表面に形成されることが分かる。
【0096】
〈実施例７〉常圧常温で反応器に支持体として直径が１００ｎｍであり、Ｎドーピングされたカーボンシェルの厚さが２０ｎｍであるＣｕ／Ｎドーピングされたカーボン−コア／シェルを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ＩＶ）（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で１５ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、Ｃｕ／Ｎドーピングされたカーボンコア／シェルにＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0097】
図１９ａおよび１９ｂはＰｔナノ粒子の分散後のＨＲＴＥＭイメージであり、Ｃｕ／Ｎドーピングされたカーボンコア／シェルの表面に１．５〜２ｎｍの大きさのＰｔナノ構造の触媒粒子が非常に均一に分布したことが分かる。図１９ｃはＦＦＴパターンであり、純粋な単結晶Ｐｔ金属の（１１１）結晶面とＣｕ金属の（１１１）結晶面を確認することができる。図１９ｄはＥＤＸグラフであり、得られた結果物からＣｕ、Ｃ、Ｎ、Ｐｔ成分が観察されることを確認することができ、Ｏは表面酸化層に起因したものと解釈される。
【0098】
〈実施例８〉常圧常温で反応器に支持体として直径が１００ｎｍであり、Ｎドーピングされたカーボンシェルの厚さが２０ｎｍであるＦｅ３Ｏ４／Ｎドーピングされたカーボンコア／シェルを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ＩＶ）（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で１５ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、Ｆｅ３Ｏ４／Ｎドーピングされたカーボンコア／シェルにＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0099】
図２０ａはＰｔナノ粒子の分散後のＳＴＥＭイメージであり、Ｐｔナノ構造の触媒粒子が非常に均一にＦｅ３Ｏ４／Ｎドーピングされたカーボンコア／シェルに分散されて合成されていることが分かる。図２０ｂはＰｔナノ構造の触媒粒子の分散後のＨＲＴＥＭイメージであり、Ｆｅ３Ｏ４／Ｎドーピングされたカーボンコア／シェルの表面に１．５〜２ｎｍの大きさのＰｔナノ構造の触媒粒子が非常に均一に分布したことが分かる。図２０ｃは得られた触媒構造体を構成する磁性成分により磁石に触媒構造体が引きずられることを確認することができる。図２０ｄはＥＤＸグラフであり、得られた結果物からＦｅ、Ｏ、Ｃ、Ｎ、Ｐｔ成分が観察されることを確認することができる。ＣｕはＴＥＭグリッドのピークを示す。
【0100】
〈実施例９〉Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で５０ｗｔ％になるようにすることだけを変更し、実施例１と同様にし、炭素球にＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0101】
図２１はＨＲＴＥＭイメージであり、約１〜１．５ｎｍの大きさのＰｔナノ粒子が炭素球の表面に均一な大きさで分布していることを確認することができる。Ｐｔナノ粒子が炭素球の全体表面を全て覆うほど非常に分散密度が高く合成されたが、粒子の固まり現象は殆どなく大きさが一定のＰｔナノ粒子が支持体の表面に合成されたことを確認することができる。これは触媒の表面に薄く形成されたシェルによるものと判断される。これにより触媒ソースの含有量を制御することによって分散密度を容易に制御できることが分かる。
【0102】
〈実施例１０〉表１に記載されているように合成温度だけを２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃に変更し、実施例１と同様にし、炭素球にＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た後Ｐｔナノ構造の触媒粒子の大きさを測定した。
【0103】
【表1】
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【0104】
図２２ａないし図２２ｅはそれぞれの実施例で得られた結果物に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）を共に示したものである。図２２ａを参照すれば、合成温度が２００℃であるＨＲＴＥＭイメージでは、非常に小さい黒色点が炭素球の結晶面の内部に存在することがかすかに確認されるが、炭素と白金の二つの物質に対する密度の差異に対するイメージを示すＳＴＥＭイメージの場合、１ｎｍ未満のＰｔナノ粒子が炭素球の表面で非常にまばらに合成されたことが明確に確認される。しかし、分散密度から見る時、２００℃温度条件では供給されたＰｔソースすべてが触媒合成のための反応に用いられなかったことが確認される。図２２ｂを参照すれば、合成温度が３００℃であるとき、Ｐｔナノ粒子の大きさが均一であり、分散密度も高く合成されたことが分かる。Ｐｔナノ粒子の大きさは約１〜１．５ｎｍであることが分かる。２００℃で得られた触媒構造体の分散密度と比較する時、供給されたＰｔソースの反応がより活発に行われたことを確認することができる。図２２ｃを参照すれば、合成温度が４００℃であるとき、Ｐｔナノ粒子の大きさが均一であり、分散密度も高く合成されたことが分かる。Ｐｔナノ粒子の大きさは約１．５ｎｍであることが分かる。図２２ｄを参照すれば、合成温度が５００℃であるとき、Ｐｔナノ粒子の大きさが均一であり、分散密度も高く合成されたことが分かる。Ｐｔナノ粒子の大きさは約１．５〜２．０ｎｍであることが分かる。図２２ｅを参照すれば、合成温度が６００℃であるとき、Ｐｔナノ粒子の大きさが均一であり、分散密度も高く合成されたことが分かる。Ｐｔナノ粒子の大きさは約２．０ｎｍであることが分かる。
【0105】
実施例１０−１ないし１０−５の結果から合成温度が上昇することでＰｔナノ粒子の大きさが大きくなり、合成されるＰｔナノ粒子間の距離が遠くなることを確認することができる。これは供給されたＰｔソースの量が同一の条件で粒子の大きさが大きく形成されると、当然支持体の表面で粒子間の距離は増加するようになり、分散密度が低くなるため、当然の結果である。
【0106】
〈実施例１１〉表２に記載されているようにＰｔ触媒ソースの含有量を１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、７０ｗｔ％に変更し、合成温度を６００℃に変更して設定したこと以外は、実施例３と同様にグラフェンにＰｔナノ粒子が分散されたナノ構造体の触媒を得た後Ｐｔ触媒の分散密度を確認した。
【0107】
【表2】
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【0108】
図２３ａないし図２３ｃはそれぞれの実施例で得られた結果物に対するＳＴＥＭイメージ（左側）とＨＲＴＥＭイメージ（右側）を共に示したものである。図２３ａを参照すれば、Ｐｔナノ粒子がグラフェンの表面で非常に均一な大きさで分散されていることが分かる。図２３ｂを参照すれば、Ｐｔナノ粒子の大きさの変化なしにコーティングされたＰｔの分散密度がさらに増加したことが分かる。図２３ｃを参照すれば、Ｐｔナノ粒子の大きさの変化なしにコーティングされたＰｔがグラフェンの表面をほぼ覆っていることを確認することができる。これによりＰｔソース（前駆体）の量が増加しても合成されるＰｔナノ粒子の大きさの変化なしにＰｔナノ粒子の分散密度が前駆体の含有量増加に比例して増加することであるが分かる。
【0109】
〈実施例１２〉触媒構造体でＰｔナノ構造の触媒粒子をＮ−ドーピングされたカーボンシェルでコーティングできるかどうかを確認するために以下の表３の条件で触媒構造体をＮ−ドーピング（doping）合成した。Ｎ−ドーピングされたカーボンシェルソースとしては、ピリジン（Ｃ５Ｈ５Ｎ）を用い、合成温度を６００℃として、１時間の間反応させてＮ−ドーピングされた触媒構造体を得た。
【0110】
【表3】
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【0111】
図２４ａないし図２４ｅはそれぞれの実施例で得られた結果物に対するＨＲＴＥＭイメージ（左側）とそれの拡大図（右側）を共に示したものである。図２４ａないし図２４ｅを参照すれば、支持体の種類に関係なく表面にコーティングされたＰｔは１〜２層で構成された黒鉛層でうまくカプセル化されたことを確認することができる。反応温度を６００℃にしたため、Ｐｔナノ粒子の大きさが３００℃で合成した１．５ｎｍの大きさのＰｔナノ粒子対比で４〜５ｎｍ程度に大きくなったことが分かる。しかし、分布の均一性はそのまま維持されたことを確認することができる。
【0112】
〈実施例１３〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約２００ｎｍであり、ガラス質構造（glassy structure）の炭素球を、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（Ｐｌａｔｉｎｕｍ（ＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で１５ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、炭素球支持体にＰｔナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0113】
図２５ａはＳＴＥＭイメージ（左側）およびその拡大イメージ（右側）であり、Ｐｔナノ粒子が炭素球の表面に均一に分散されて形成されたことが分かる。図２５ｂはＴＥＭイメージ（左側）およびその拡大イメージ（右側）であり、５ｎｍの大きさのＰｔナノ粒子が炭素球の表面に均一に分散されて形成されたことが分かる。図２５ｃはＦＦＴパターンであり、純粋なＰｔ金属の（１１１）結晶面を確認することができる。図２５ｄはＥＤＸイメージであり、Ｐｔナノ粒子のピークを確認することができる。
【0114】
〈実施例１４〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約１０〜２０ｎｍであり、長さが５μｍの多重壁カーボンナノチューブを、Ｒｕ触媒ソース（前駆体）としてルテニウム（ＩＩＩ）アセチルアセトネート（Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（ＩＩＩ）ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ、Ｒｕ（Ｃ５Ｈ７Ｏ２）３）を供給し、Ｒｕ金属の含有量が全体の含有量対比で１０ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、カーボンナノチューブにＲｕナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0115】
図２６ａはＴＥＭイメージであり、図２６ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、カーボンナノチューブの表面に１〜２ｎｍの大きさのＲｕ触媒が均等に分散されて形成されたことが分かる。図２６ｃないし図２６ｅはＥＤＸイメージであり、図２６ｃからカーボンナノチューブのＣ成分の分布を、図２６ｄからＲｕナノ粒子の分布を、図２６ｅからは最終触媒構造体の表面酸化層をそれぞれ確認することができる。
【0116】
〈実施例１５〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約２００ｎｍであり、ガラス質構造の炭素球を、Ｉｒ触媒ソース（前駆体）としてメチルシクロペンタジエニル（１、５−シクロオクタジエン）イリジウム（Ｉ）（ｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ（１、５−ｃｙｃｌｏｏｃａｔｄｉｅｎ）ｉｒｉｄｉｕｍ（Ｉ）、Ｃ１４Ｈ１９Ｉｒ）を供給し、Ｉｒ金属の含有量が全体の含有量対比で１０ｗｔ％になるように供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、炭素球にＩｒナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0117】
図２７ａはＳＴＥＭイメージであり、図２７ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に１ｎｍの大きさのＩｒ触媒が均等に分散されて形成されたことが分かる。図２７ｃないし図２７ｅはＥＤＸイメージであり、図２６ｃから炭素球のＣ成分の分布を、図２７ｄからＩｒナノ粒子の分布を、図２７ｅからは最終触媒構造体の表面酸化層をそれぞれ確認することができる。
【0118】
〈実施例１６〉遷移金属の場合にも同じ方式で触媒構造体の合成が可能であるかを調べるために表４に記載されているように遷移金属触媒ソースのみを変更して、実施例１のように炭素球にナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0119】
【表4】
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【0120】
図２８ａないし図２８ｄは実施例１６−１で得られた触媒構造体を示す図であって、図２８ａはＳＴＥＭイメージであり、図２８ｂはＴＥＭイメージであり、図２８ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に５〜１０ｎｍの大きさのＦｅ触媒が均等に分散されて形成されたことが分かる。図２８ｄはＥＤＸグラフであり、Ｆｅのピークが確認されることから図２８ａないし図２８ｃのナノ粒子がＦｅナノ粒子であることを確認することができる。
【0121】
図２９ａないし図２９ｄは実施例１６−２で得られた触媒構造体を示す図であって、図２９ａはＳＴＥＭイメージであり、図２９ｂはＴＥＭイメージであり、図２９ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に１０〜３０ｎｍの大きさのＣｏ触媒が均等に分散されて形成されたことが分かる。図２９ｄはＥＤＸグラフであり、Ｃｏのピークが確認されることから図２９ａないし図２９ｃのナノ粒子がＣｏナノ粒子であることを確認することができる。
【0122】
図３０ａないし図３０ｄは実施例１６−３で得られた触媒構造体を示す図であって、図３０ａはＳＴＥＭイメージであり、図３０ｂはＴＥＭイメージであり、図３０ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に５〜２０ｎｍの大きさのＮｉ触媒が均等に分散されて形成されたことが分かる。図３０ｄはＥＤＸグラフであり、Ｎｉのピークが確認されることから図３０ａないし図３０ｃのナノ粒子がＮｉナノ粒子であることを確認することができる。
【0123】
〈実施例１７〉遷移金属ソース（前駆体）の含有量変化による影響を調べるため、Ｆｅ触媒ソースであるフェロセン（Ferrocene）の含有量を５ｗｔ％、１０ｗｔ％、１５ｗｔ％に変更し、実施例１６−１のように炭素球にＦｅナノ粒子が分散された触媒構造体を得た後Ｆｅナノ構造の触媒粒子の分散密度を確認した。
【0124】
図３１ａは５ｗｔ％であるときを、図３１ｂは１０ｗｔ％であるときを、図３１ｃは１５ｗｔ％であるときをそれぞれ示す。図３１ａないし図３１ｃから５〜１０ｎｍの大きさのＦｅナノ粒子が比較的に均一に分散され、炭素球の表面に合成されたことが分かる。また、触媒ソース（前駆体）の供給濃度の増加により炭素球に分散されたナノ粒子の分散密度が増加することを確認することができる。
【0125】
〈実施例１８〉遷移金属ナノ粒子が分散された触媒構造体で遷移金属を酸化させて遷移金属酸化物のナノ粒子が分散された触媒構造体の製造が可能であるかを調べるため、実施例１６−１ないし１６−３と同様の方法で触媒構造体を一次的に合成した後、それぞれを下記の条件で酸化反応を行った。
【0126】
【表5】
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【0127】
図３２ａないし図３２ｄは実施例１８−１で得られた触媒構造体を示す図であって、図３２ａはＳＴＥＭイメージであり、図３２ｂはＴＥＭイメージであり、図３２ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に小さいときは５ｎｍの大きさのＦｅ３Ｏ４ナノ粒子が、大きいときは１０ｎｍ程度のＦｅ３Ｏ４ナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図３２ｄはＥＤＸグラフであり、Ｆｅ、Ｏのピークが確認されることから図３２ａないし図３２ｄのナノ粒子がＦｅ３Ｏ４ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表６は、原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＦｅ３Ｏ４ナノ粒子であることを確認することができる。
【0128】
【表6】
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【0129】
図３３ａないし図３３ｄは実施例１８−２で得られた触媒構造体を示す図であって、図３３ａはＳＴＥＭイメージであり、図３３ｂはＴＥＭイメージであり、図３３ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に小さいときは１０ｎｍの大きさのＣｏ２Ｏ３ナノ粒子が、大きいときは４０ｎｍ程度のＣｏ２Ｏ３ナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図３２ｄはＥＤＸグラフであり、Ｃｏ、Ｏのピークが確認されることから図３３ａないし図３３ｄのナノ粒子がＣｏ２Ｏ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表７は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＣｏ２Ｏ３ナノ粒子であることを確認することができる。
【0130】
【表7】
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【0131】
図３４ａないし図３４ｃは実施例１８−３で得られた触媒構造体を示す図であって、図３４ａはＳＴＥＭイメージであり、図３４ｂはＴＥＭイメージであり、図３４ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に小さいときは５ｎｍの大きさのＮｉＯナノ粒子が、大きいときは２０ｎｍ程度のＮｉＯナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。以下の表８は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＮｉＯナノ粒子であることを確認することができる。
【0132】
【表8】
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【0133】
〈実施例１９〉白金系２元合金ナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体の合成を実施した。常圧常温で反応器に直径が約２００ｎｍであり、ガラス質構造の炭素球を、触媒ソースは以下の表９に記載された形態に第１触媒ソースと第２触媒ソースと共に供給した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、触媒構造体を得た。
【0134】
【表9】
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【0135】
図３５ａおよび図３５ｂは実施例１９−１で得られた触媒構造体を示す図であって、図３５ａはＳＴＥＭイメージであり、図３５ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に１〜２ｎｍの大きさのＰｔＩｒナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図３５ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｉｒ、Ｐｔのピークが確認されることから図３５ａおよび図３５ｂのナノ粒子がＰｔＩｒナノ粒子であることを確認することができる。
【0136】
図３６ａないし３６ｆは実施例１９−２で得られた触媒構造体を示す図であって、図３６ａはＳＴＥＭイメージであり、図３６ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に１〜２ｎｍの大きさのＰｔＲｕナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図３６ｃないし図３６ｆはＥＤＸイメージであり、図３６ｃから炭素球に該当するＣ成分の分布を、図３６ｄからＲｕナノ粒子の分布を、図３６ｅからＰｔナノ粒子の分布を、図３６ｆからは触媒構造体の表面酸化層をそれぞれ確認することができる。これら結果からナノ粒子がＰｔＩｒナノ粒子であることを確認することができる。図３７ａないし図３７ｄは実施例１９−３で得られた触媒構造体を示す図であって、図３７ａはＳＴＥＭイメージであり、図３７ｂはＴＥＭイメージであり、図３７ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に小さいときは２ｎｍの大きさのＰｔＲｕナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図３７ｄはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｒｕピークが確認されることから図３７ａないし図３７ｃのナノ粒子がＰｔＲｕナノ粒子であることを確認することができる。以下の表１０は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＰｔＲｕであることを確認することができる。
【0137】
【表10】
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【0138】
〈実施例２０〉白金−遷移金属系２元合金ナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体の合成を実施した。基本的な合成工程は、実施例１に基づき行い、以下の表１１に記載された互いに異なる条件を用いて触媒構造体を得た。
【0139】
【表11-1】
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【0140】
【表11-2】
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【0141】
図３８ａないし図３８ｃは実施例２０−１で得られた触媒構造体を示す図であって、図３８ａはＳＴＥＭイメージであり、図３８ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、多重壁カーボンナノチューブの表面に２ｎｍの大きさのＰｔＦｅナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図３８ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅのピークが確認されることから図３８ａおよび３８ｃのナノ粒子がＰｔＦｅナノ粒子であることを確認することができる。
【0142】
図３９ａないし図３９ｃは実施例２０−２で得られた触媒構造体を示す図であって、図３９ａはＳＴＥＭイメージであり、図３９ｂはＴＥＭイメージであり、図３９ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２０ｎｍ厚さの薄い帯がコーティングされたことが確認され、２ｎｍの大きさのＦｅＰｔ３ナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図３９ｄはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅのピークが確認されることから図３９ａないし図３９ｃのナノ粒子がＦｅＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表１２は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＦｅＰｔ３２元合金ナノ粒子であることを確認することができる。
【0143】
【表12】
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【0144】
図４０ａないし図４０ｃは実施例２０−３で得られた触媒構造体を示す図であって、図４０ａはＳＴＥＭイメージであり、図４０ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍ厚さの薄い帯がコーティングされたことが確認され、２ｎｍの大きさのＦｅＰｔ３ナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図４０ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅのピークが確認されることから図４０ａおよび図４０ｃのナノ粒子がＦｅＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表１３は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＦｅＰｔ３２元合金ナノ粒子であることを確認することができる。
【0145】
【表13】
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【0146】
図４１ａないし図４１ｃは実施例２０−４で得られた触媒構造体を示す図であって、図４１ａはＳＴＥＭイメージであり、図４１ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのＰｔＣｏナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図４１ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｃｏのピークが確認されることから図４１ａおよび図４１ｂのナノ粒子がＰｔＣｏナノ粒子であることを確認することができる。
【0147】
図４２ａないし図４２ｃは実施例２０−５で得られた触媒構造体を示す図であって、図４２ａはＴＥＭイメージであり、図４２ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に１〜２ｎｍの大きさのＣｏＰｔ３ナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図４２ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｃｏのピークが確認されることから図４１ａおよび図４１ｂのナノ粒子がＣｏＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表１４は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＣｏＰｔ３２元合金ナノ粒子であることを確認することができる。
【0148】
【表14】
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【0149】
図４３ａないし図４３ｃは実施例２０−６で得られた触媒構造体を示す図であって、図４３ａはＳＴＥＭイメージであり、図４３ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、グラフェンの表面に２ｎｍの大きさのＣｏＰｔ３ナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図４３ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｃｏのピークが確認されることから図４３ａおよび図４３ｂのナノ粒子がＣｏＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表１５は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＣｏＰｔ３２元合金ナノ粒子であることを確認することができる。
【0150】
【表15】
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【0151】
図４４ａないし図４４ｆは実施例２０−７で得られた触媒構造体を示す図であって、図４４ａはＳＴＥＭイメージであり、図４４ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に１〜１．５ｎｍの大きさのＰｔより少し大きい２ｎｍの大きさのＰｔＮｉナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図４４ｃないし図４４ｆはＥＤＸイメージであり、図４４ｃからカーボンナノチューブのＣ成分の分布を、図４４ｄからＰｔナノ粒子の分布を、図４４ｅからＮｉナノ粒子の分布を、図４４ｆからは最終触媒構造体の表面酸化層をそれぞれ確認することができる。
【0152】
図４５ａないし図４５ｃは実施例２０−８で得られた触媒構造体を示す図であって、図４５ａはＴＥＭイメージであり、図４５ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面にＮｉＰｔ３ナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図４５ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｎｉのピークが確認されることから図４５ａおよび図４５ｂのナノ粒子がＮｉＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表１６は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＮｉＰｔ３２元合金ナノ粒子であることを確認することができる。
【0153】
【表16】
[この文献は図面を表示できません]
【0154】
図４６ａないし図４６ｃは実施例２０−９で得られた触媒構造体を示す図であって、図４６ａはＳＴＥＭイメージであり、図４６ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのＮｉＰｔ３ナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図４６ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｎｉのピークが確認されることから図４６ａおよび図４６ｂのナノ粒子がＮｉＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表１７は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＮｉＰｔ３２元合金ナノ粒子であることを確認することができる。
【0155】
【表17】
[この文献は図面を表示できません]
【0156】
図４７ａないし図４７ｃは実施例２０−１０で得られた触媒構造体を示す図であって、図４７ａはＴＥＭイメージであり、図４７ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのＭｎＰｔ７ナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図４７ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｍｎのピークが確認されることから図４７ａおよび図４７ｂのナノ粒子がＭｎＰｔ７ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表１８は原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＭｎＰｔ７２元合金ナノ粒子であることを確認することができる。
【0157】
【表18】
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【0158】
図４８ａないし図４８ｃは実施例２０−１１で得られた触媒構造体を示す図であって、図４８ａはＴＥＭイメージであり、図４８ｂはＳＴＥＭイメージであり、図４８ｃはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に５ｎｍの大きさと２０ｎｍの大きさのＣｕ３Ｐｔナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。以下の表１９は５ｎｍの大きさのナノ粒子の原子比を測定した結果を示し、表２０は２０ｎｍの大きさのナノ粒子の原子比を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＣｕ３Ｐｔ２元合金ナノ粒子であることを確認することができる。
【0159】
【表19】
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【0160】
【表20】
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【0161】
図４９ａおよび図４９ｂは実施例２０−１２で得られた触媒構造体を示す図であって、図４９ａはＳＴＥＭイメージであり、図４９ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのナノ粒子が均一にコーティングされたときと２ｎｍの大きさのナノ粒子と５０ｎｍ未満の無定形のナノ構造が同時に合成された炭素球が観察された。以下の表２１は２ｎｍの大きさのナノ粒子の原子比を測定した結果を示し、表２２は５０ｎｍの大きさのナノ粒子の原子比を測定した結果を示し、原子比から２ｎｍの大きさのナノ粒子がＳｎＰｔ９２元合金ナノ粒子であり、５０ｎｍの大きさは純粋なＳｎ構造であることを確認することができる。
【0162】
【表21】
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【0163】
【表22】
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【0164】
図５０ａないし図５０ｃは実施例２０−１３で得られた触媒構造体を示す図であって、図５０ａはＴＥＭイメージであり、図５０ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのナノ粒子が均一にコーティングされたことを確認することができる。図５０ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｇａのピークが確認されることから図５０ａおよび図５０ｂのナノ粒子がＧａＰｔ９ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表２３は２ｎｍの大きさのナノ粒子の原子比（atomic ratio）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＧａＰｔ９２元合金ナノ粒子であることを確認することができる。
【0165】
【表23】
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【0166】
〈実施例２１〉多元合金ナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体の合成を実施した。基本的な合成工程は、実施例１と同様に実施し、触媒ソースは以下の表２４に記載された互いに異なる条件を用いて触媒構造体を得た。
【0167】
【表24】
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【0168】
図５１ａないし図５１ｃは実施例２１−１で得られた触媒構造体を示す図であって、図５１ａはＳＴＥＭイメージであり、図５１ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのナノ粒子が均一にコーティングされたことを確認することができる。図５１ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのピークが確認されることから図５１ａおよび図５１ｂのナノ粒子がＰｔ８５Ｆｅ７Ｃｏ３Ｎｉ５ナノ粒子であることを確認することができる。
【0169】
図５２ａないし図５２ｃは実施例２１−２で得られた触媒構造体を示す図であって、図５２ａはＳＴＥＭイメージであり、図５２ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのナノ粒子が均一にコーティングされたことを確認することができる。図５２ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのピークが確認されることから図５２ａおよび図５２ｂのナノ粒子がＰｔ８７Ｆｅ５Ｃｏ４Ｎｉ５ナノ粒子であることを確認することができる。
【0170】
図５３ａないし図５３ｃは実施例２１−３で得られた触媒構造体を示す図であって、図５２ａはＳＴＥＭイメージであり、図５２ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのナノ粒子が均一にコーティングされたことを確認することができる。図５２ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｃｏのピークが確認されることから図５３ａおよび図５３ｂのナノ粒子がＰｔ３５Ｃｏ４０Ｃｒ２５ナノ粒子であることを確認することができる。
【0171】
図５４ａないし図５４ｃは実施例２１−４で得られた触媒構造体を示す図であって、図５４ａはＳＴＥＭイメージであり、図５４ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのナノ粒子が均一にコーティングされたことを確認することができる。図５４ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｖのピークが確認されることから図５４ａおよび図５４ｂのナノ粒子がＰｔ４５Ｃｏ３９Ｖ１５ナノ粒子であることを確認することができる。
【0172】
図５５ａないし図５５ｃは実施例２１−５で得られた触媒構造体を示す図であって、図５５ａはＳＴＥＭイメージであり、図５５ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのナノ粒子が均一にコーティングされたことを確認することができる。図５５ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉのピークが確認されることから図５５ａおよび図５５ｂのナノ粒子がＰｔ７５Ｃｏ２０Ｎｉ５ナノ粒子であることを確認することができる。
【0173】
図５６ａないし図５６ｃは実施例２１−６で得られた触媒構造体を示す図であって、図５６ａはＳＴＥＭイメージであり、図５６ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのナノ粒子が均一にコーティングされたことを確認することができる。図５６ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏのピークが確認されることから図５６ａおよび図５６のナノ粒子がＰｔ７５Ｆｅ２０Ｃｏ５ナノ粒子であることを確認することができる。
【0174】
図５７ａないし図５７ｃは実施例２１−７で得られた触媒構造体を示す図であって、図５７ａはＳＴＥＭイメージであり、図５７ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、炭素球の表面に２ｎｍの大きさのナノ粒子が均一にコーティングされたことを確認することができる。図５７ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｎｉのピークが確認されることから図５７ａおよび図５７ｂのナノ粒子がＰｔ７５Ｆｅ２０Ｎｉ５ナノ粒子であることを確認することができる。
【0175】
〈実施例２２〉有機金属ナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体の合成を実施した。基本的な合成工程は、多重壁カーボンナノチューブを用いた実施例２と同様に実施し、触媒ソースは以下の表２５に記載された互いに異なる条件を用いて合成条件は４５０℃、１ｈｒとして触媒構造体を得た。
【0176】
【表25】
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【0177】
図５８ａないし図５８ｆは実施例２２−１で得られた触媒構造体を示す図であって、図５８ａはＴＥＭイメージであり、図５８ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、カーボンナノチューブの表面にＦｅ−Ｎ−Ｃナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図５８ｃないし図５８ｆはＥＤＸイメージであり、図５８ｃからカーボンナノチューブのＣ成分の分布を、図５８ｄからＦｅナノ粒子の分布を、図５８ｅからＮナノ粒子の分布を、図５８ｆからは最終触媒構造体の表面酸化層をそれぞれ確認することができる。
【0178】
図５９ａないし図５９ｆは実施例２２−２で得られた触媒構造体を示す図であって、図５９ａはＴＥＭイメージであり、図５９ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、カーボンナノチューブの表面にＣｏ−Ｎ−Ｃナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図５９ｃないし図５９ｆはＥＤＸイメージであり、図５９ｃからカーボンナノチューブのＣ成分の分布を、図５９ｄからＣｏナノ粒子の分布を、図５９ｅからＮナノ粒子の分布を、図５９ｆからは最終触媒構造体の表面酸化層をそれぞれ確認することができる。
【0179】
図６０ａないし図６０ｆは実施例２２−３で得られた触媒構造体を示す図であって、図６０ａはＴＥＭイメージであり、図６０ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、カーボンナノチューブの表面にＭｎ−Ｎ−Ｃナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図６０ｃないし図６０ｆはＥＤＸイメージであり、図６０ｃからカーボンナノチューブのＣ成分の分布を、図６０ｄからＭｎナノ粒子の分布を、図６０ｅからＮナノ粒子の分布を、図６０ｆからは最終触媒構造体の表面酸化層をそれぞれ確認することができる。
【0180】
〈実施例２３〉常圧常温で反応器に支持体として直径が１０〜２０ｎｍであり、長さが約５μｍであり、Ｆｅ−Ｎドーピングされたカーボンでコーティングされたカーボンナノチューブを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ＩＶ）（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属含有量が全体の含有量対比で１０ｗｔ％になるように供給した。Ｆｅ−Ｎドーピングされたカーボンでコーティングされたカーボンナノチューブは鉄ポルフィリン（Ｃ２０Ｈ１４ＦｅＮ４）処理された多重壁カーボンナノチューブを９００℃で熱処理して準備した。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３００℃になるようにした後、１時間の間反応を行わせた。反応が完了した後再び常温に冷却させ、反応器の温度が常温まで下がると、反応器の中の圧力を常圧に下げるために圧力調節バルブを徐々に開放した後、触媒構造体を得た。
【0181】
図６１ａないし図６１ｇは得られたＦｅ−Ｎドープされたカーボン／Ｐｔナノ粒子のハイブリッド触媒を示す図であり、図６１ａはＴＥＭイメージであり、図６１ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、Ｆｅ−Ｎドープされたカーボンでコーティングされたカーボンナノチューブの表面にＰｔナノ粒子が均等に分散されて形成されたことが分かる。図６１ｃないし図６１ｇはＥＤＸイメージであり、図６１ｃからカーボンナノチューブのＣ成分の分布を、図６１ｄからＦｅナノ粒子の分布を、図６１ｅからＰｔナノ粒子の分布を、図６１ｆからＮ成分の分布を、図６１ｇからは最終触媒構造体の表面酸化層をそれぞれ確認することができる。
【0182】
〈実施例２４〉炭素系以外の支持体を用いて分散された触媒構造体の合成を実施した。基本的な合成工程は、白金触媒ソースとしてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金を用いた実施例１と同様に実施し、支持体は以下の表２６に記載された互いに異なる条件を用いて触媒構造体を得た。
【0183】
【表26】
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【0184】
図６２ａないし図６２ｅは実施例２４−１で得られた触媒構造体を示す図であって、図６２ａはＴＥＭイメージであり、図６２ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、Ａｌ２Ｏ３ナノ粒子の表面にＰｔナノ粒子が約２ｎｍの大きさで均一に分散されて形成されたことが分かる。図６２ｃないし図６２ｅはＥＤＸイメージであり、図６２ｃからＡｌ成分の分布を、図６２ｄからＯ成分の分布を、図６２ｅからはＰｔナノ粒子の分布を確認することができる。
【0185】
図６３ａないし図６３ｆは実施例２４−２で得られた触媒構造体を示す図であって、図６３ａはＴＥＭイメージであり、図６３ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、ＣａＡｌ２Ｏ４ナノ粒子の表面にＰｔナノ粒子が約２ｎｍの大きさで均一に分散されて形成されたことが分かる。図６３ｃないし図６３ｆはＥＤＸイメージであり、図６３ｃからＡｌ成分の分布を、図６３ｄからＯ成分の分布を、図６３ｅからＣａ成分の分布を、図６３ｆからはＰｔナノ粒子の分布を確認することができる。
【0186】
図６４ａないし図６４ｃは実施例２４−３で得られた触媒構造体を示す図であって、図６４ａはＴＥＭイメージであり、図６４ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、Ｓｉナノ粒子の表面に約１〜１．５ｎｍの大きさで均一に分散されて形成されたことが分かる。図６４ｃはＥＤＸグラフであり、Ｓｉ、Ｐｔのピークが確認されることから図６４ａおよび図６４ｂの触媒構造体がＳｉ支持体の上に形成されたＰｔナノ粒子からなる触媒であることを確認することができる。Ｏは表面酸化層に起因したピークであり、ＣｕとＣはＴＥＭグリッド（ｇｒｉｄ）に起因した値である。
【0187】
図６５ａないし図６４ｃは実施例２４−４で得られた触媒構造体を示す図であって、図６５ａはＴＥＭイメージであり、図６５ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、アパタイトナノ粒子の表面に約２ｎｍの大きさで均一に分散されて形成されたことが分かる。図６５ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｐ、Ｃａ、Ｏのピークが確認されることから図６５ａおよび図６５ｂの触媒構造体がアパタイト支持体の上に形成されたＰｔナノ粒子からなる触媒であることを確認することができる。
【0188】
〈実施例２５〉炭素系以外の支持体に白金−遷移金属系２元合金ナノ構造の触媒粒子が分散された触媒構造体の合成を実施した。基本的な合成工程は、実施例１に基づき行い、以下の表２７に記載された互いに異なる条件を用いて触媒構造体を得た。
【0189】
【表27】
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【0190】
図６６ａないし図６６ｄは実施例２５−１で得られた触媒構造体を示す図であって、図６６ａはＴＥＭイメージであり、図６６ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、Ａｌ２Ｏ３ナノ粒子の表面にＦｅＰｔ３ナノ粒子が約２ｎｍの大きさで均一に分散されて形成されたことが分かる。図６６ｃはＦｅＰｔ３ナノ粒子に係るＥＤＸグラフであり、図６６ｄはＡｌ２Ｏ３に係るＥＤＸグラフである。図６６ｃおよび図６６ｄからＡｌ２Ｏ３支持体の上にＦｅＰｔ３ナノ粒子が形成されたことを確認することができる。
【0191】
図６７ａないし図６７ｃは実施例２５−２で得られた触媒構造体を示す図であって、図６７ａはＳＴＥＭイメージであり、図６７ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、ＳｉＯ２ナノ粒子の表面にＦｅＰｔ３ナノ粒子が約２ｎｍの大きさで均一に分散されて形成されたことが分かる。図６７ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｏのピークが確認されることから図６７ａおよび図６７ｂのナノ粒子がＳｉＯ２ナノ粒子の表面に形成されたＦｅＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表２８に記載された原子比からＳｉＯ２ナノ粒子の表面に形成されたＦｅＰｔ３ナノ粒子が形成されたことを確認することができる。
【0192】
【表28】
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【0193】
図６８ａないし図６８ｃは実施例２５−３で得られた触媒構造体を示す図であって、図６８ａはＳＴＥＭイメージであり、図６８ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、ＣｅＯ２ナノ粒子の表面にＦｅＰｔ３ナノ粒子が約２ｎｍの大きさで均一に分散されて形成されたことが分かる。図６８ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｅ、Ｏのピークが確認されることから図６８ａおよび図６８ｂのナノ粒子がＣｅＯ２ナノ粒子の表面に形成されたＦｅＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表２９に記載された原子比からＣｅＯ２ナノ粒子の表面にＦｅＰｔ３ナノ粒子が形成されたことを確認することができる。
【0194】
【表29】
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【0195】
図６９ａないし図６９ｃは実施例２５−４で得られた触媒構造体を示す図であって、図６９ａはＴＥＭイメージであり、図６９ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、ＳｎＯ２ナノ粒子の表面にＦｅＰｔ３ナノ粒子が約２ｎｍの大きさで均一に分散されて形成されたことが分かる。図６９ｃはＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｓｎのピークが確認されることから図６９ａおよび図６９ｂのナノ粒子がＳｎＯ２ナノ粒子の表面に形成されたＦｅＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。ＥＤＸグラフから発見されるＯ成分はＳｎＯ２ナノ粒子がＦｅＰｔ３ナノ粒子の分散過程で還元されて形成されたものと解釈される。以下の表３０に記載された原子比からＳｎＯ２ナノ粒子の表面にＦｅＰｔ３ナノ粒子が形成されたことを確認することができる。
【0196】
【表30】
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【0197】
図７０ａないし図７０ｃは実施例２５−５で得られた触媒構造体を示す図であって、図７０ａはＴＥＭイメージであり、図７０ｂはＨＲＴＥＭイメージであり、ＺｎＯナノ粒子の表面にＦｅＰｔ３ナノ粒子が約２ｎｍの大きさで均一に分散されて形成されたことが分かる。図７０ｃはＺｎＯの表面にコーティングされたナノ粒子に係るＥＤＸグラフであり、Ｃ、Ｐｔ、Ｆｅのピークが確認されることから図７０ａおよび図７０ｂのナノ粒子がＺｎＯナノ粒子の表面に形成されたＦｅＰｔ３ナノ粒子であることを確認することができる。以下の表３１に記載された原子比からＦｅＰｔ３ナノ粒子が形成されたことを確認することができる。
【0198】
【表31】
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【0199】
〈実施例２６〉Ｐｔが２０％ローディングされたＰｔ／Ｃ触媒と本発明の実施例によって製造された多様な触媒構造体のＯＲＲ（Oxygen Reduction Reaction）を測定した結果を図７１ａと図７１ｂに示す。また、各触媒の電気化学的特性を測定した結果値を以下の表３２に示す。
【0200】
ＯＲＲ測定と電気化学的測定のために触媒約１〜２ｍｇをナフィオン（nafion）とアルコール混合溶液に浸して超音波分散させた。準備されたインクはガラス質炭素（glassy carbon, GC）支持体の表面にピペットを利用してコーティングした。準備された触媒電極は赤外線（infrared）ランプを利用して乾燥させた。電気化学測定はポテンシオスタット（potentiostat）を利用して測定した。ＯＲＲ測定は０．１Ｍ ＨＣｌＯ４溶液で１，６００ｒｐｍで行われた。ＯＲＲ偏光曲線（polarization curves）は０．０で１．２Ｖ（vsRHE）区間で１０ｍＶ／ｓのアノード掃引速度（anodic sweep rate）で行われた。すべての測定は常温で行われた。
【0201】
【表32】
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【0202】
ＣＳ３００は炭素球支持体にＰｔナノ粒子が分散された触媒を、ＣＮＴ３００はカーボンナノチューブ支持体にＰｔナノ粒子が分散された触媒を、ＣＮＧ３００は黒鉛化メソポーラス炭素ナノ粒子支持体にＰｔナノ粒子が分散された触媒をそれぞれ示す。
【0203】
図７１ａおよび図７１ｂのグラフおよび表３２の結果を見れば、商用の２０％Ｐｔ／Ｃ触媒に比べて本発明の実施例により合成した触媒の場合、Ｐｔ担持量を１５％に下げても優れたＯＲＲ特性を示す。特に、黒鉛化メソポーラス炭素ナノ粒子（ＣＮＧ）にＰｔナノ粒子が分散された触媒（ＣＮＧ３００）がＥＣＳＡ（Electro Chemical Surface Area）および集団活性（mass activity）に最も優れることが分かる。ＣＮＧ３００の集団活性は、商用の触媒（２０％商用のＰｔ／Ｃ）より約２倍優れたものであることが示された。その次に、カーボンナノチューブ支持体にＰｔナノ粒子が分散された触媒（ＣＮＴ３００）、炭素球支持体にＰｔナノ粒子が分散された触媒（ＣＳ３００）順に活性が良いことが示された。本結果は、炭素支持体の結晶性に優れるほどＯＲＲ性能が向上することを示す。このような結果は、電気化学反応過程で発生し得る炭素支持体の表面酸化による触媒と支持体との間の結合力の弱化が触媒の活性に影響を与えられるが、結晶性に優れるときにはこのような影響をさほど受けないからである。ＯＲＲ特性に相当部分の影響を及ぼすことが示された。Ｅ１／２である場合にもＰｔの担持量が１５％で、商用の触媒の２０％より減少したにもかかわらずほぼ似た水準を示す。
【0204】
〈実施例２７〉Ｐｔが３７％ローディングされたＰｔ／炭素球触媒に関する実施例である。炭素球を基盤にしたＰｔ触媒のＯＲＲ（Oxygen Reduction Reaction）の長期性能を測定した結果を図７２ａと図７２ｂに示す。そして、各触媒の電気化学的特性を測定した結果値を以下の表３３に示す。ＯＲＲ測定と電気化学的測定は実施例２６と同様である。
【0205】
【表33】
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【0206】
Ｆｒｅｓｈは初期性能を示し、ＡＤＴ＿５ｋは５，０００回のサイクル、ＡＤＴ＿５０ｋは５０，０００回のサイクル以降の触媒性能を示す。
【0207】
図７２ａおよび図７２ｂのグラフおよび表３３の結果を見れば、５０，０００回のサイクル反応以降の触媒性能は、初期性能対比で約１％減少したことが確認される（Ｅ１／２値）。普通４０ｗｔ．％Ｐｔ含有Ｐｔ／Ｃ商用の触媒が３０，０００回のサイクル以降、約７〜１０％の性能減少があることに比べて長期性能が非常に向上したことが分かる。また図７２ａで確認されたように、サイクルが増加しても触媒の固まりによる触媒性能の低減現象は発生しないことが分かる（Ｘ軸の約０．１Ｖで各サイクル別グラフのシャープネス（sharpness）は減少しなかった）。このような結果から本発明による触媒構造体の性能および長期性能に非常に優れることを確認することができる。
【0208】
〈実施例２８〉分散密度はＴＥＭとＳＴＥＭの結果に基づいて測定し、１００ｎｍ２当たりコーティングされたナノ粒子の個数を測定して計算した。図において反応温度は、それぞれ２００〜６００℃に対して行い、触媒ソースはＰｔ金属含有量が約１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、３０ｗｔ％、４０ｗｔ％、５０ｗｔ％になるように供給した。２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃の温度に対するＰｔナノ粒子の平均大きさはそれぞれ１．０ｎｍ、１．２５ｎｍ、１．５ｎｍ、１．７５ｎｍ、２．０ｎｍであった。
【0209】
図７３は互いに異なる温度およびＰｔ金属含有量を用いた場合に対し、それぞれ測定した分散密度（number of particles/100nm2）を示すグラフである。分散密度はすべての温度区間およびＰｔ金属含有量１０ｗｔ％以上で１０粒子／１００ｎｍ２以上の分散密度を示す。さらに好ましくは２５粒子／１００ｎｍ２以上の分散密度を示す。さらに好ましくは４５粒子／１００ｎｍ２以上の分散密度を示す。
【0210】
合成温度が３００℃であるときを調べると、支持体の表面積に対する１．２５ｎｍ−Ｐｔナノ粒子の分散密度を見ると、全てのＰｔ金属含有量に対し、支持体の面積の約１０％以上に該当するＰｔナノ粒子のコーティング面積が計算される。より具体的にはＰｔ金属含有量が１０ｗｔ％であるとき、支持体の面積の約６２％に該当するＰｔナノ粒子のコーティング面積が計算される。２０ｗｔ％であるとき、約１１５％であって、支持体の面積よりさらに広い面積に相当するＰｔナノ粒子のコーティング面積が計算され、最大５０ｗｔ％であるとき、支持体の面積の２．８倍に相当する面積のＰｔナノ粒子のコーティング面積が計算される。これはＰｔナノ粒子が炭素シェルで積層されて固まることなく支持体の表面に継続して積層されながらコーティングされ得ることを意味し、このような結果は実施例のＴＥＭまたはＳＴＥＭイメージから確認することができる。
【0211】
〈実施例２９〉ナノ構造体の触媒粒子の大きさはＴＥＭとＳＴＥＭの結果に基づいてナノ粒子の直径を測定する方式で計算し、炭素球にコーティングされたＰｔナノ粒子の直径に相当する個数を測定して計算した。反応温度はそれぞれ３００℃、４００℃、５００℃、６００℃に変更し、触媒ソースはＰｔ金属含有量が約１０ｗｔ％になるように供給した。図７３ａは３００℃で合成されたときを示し、ナノ構造体の触媒粒子の大きさは大部分１．２と１．３ｎｍとの間に分布するものと測定された。ナノ構造体の触媒粒子の平均大きさは１．２６０ｎｍである。同じ方式で４００℃、５００℃、６００℃で合成されたナノ構造体の触媒粒子の大きさの分布図は図７４ａないし図７４ｄに示し、平均大きさはそれぞれ１．２６０ｎｍ、１．４８５ｎｍ、１．７５ｎｍ、２．０２ｎｍであることが分かる。
【0212】
〈実施例３０〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約５０ｎｍであるカーボンブラックを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてコバルト（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＣｏＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を供給し、Ｐｔ金属とＣｏ金属の含有量が全体の含有量対比でそれぞれ４０ｗｔ％および５ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、３０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後（工程Ｓ７）、ナノ粒子の表面に残存する不純物を除去するために同じ温度（３５０℃）で、まず酸化処理を行い、その後還元処理を行った（工程Ｓ９）。最後に不活性ガス雰囲気で温度を常温に下げて試料を得た（工程Ｓ１０）。
【0213】
図７５の（ａ）と（ｂ）は得られた触媒構造体のＴＥＭとＨＲＴＥＭのイメージである。図７５の（ａ）と（ｂ）の結果からカーボンブラックの表面に１．５〜２．５ｎｍの大きさの触媒ナノ粒子が非常に均一に分散されて形成されることが分かる。
【0214】
表３４は得られた触媒構造体のＥＤＸ分析により原子比（atomic ration）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＰｔ３Ｃｏナノ粒子であることが分かる。ＸＲＤによる結晶構造分析もＥＤＸ分析結果と一致することを確認することができた。
【0215】
【表34】
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【0216】
〈実施例３１〉使用前駆体と支持体、およびその他の反応工程は、実施例３０と同様に行い、工程Ｓ９に該当する酸化／還元処理の温度をそれぞれ３５０℃、４５０℃、５５０℃に変更して触媒構造体を得た。その結果が図７６に例示されている。
【0217】
３５０℃で形成したときは１．８〜２．２ｎｍの触媒ナノ粒子が、４５０℃で形成したときは２．３〜２．７ｎｍのナノ粒子が、５５０℃で形成したときは、２．８〜３．２ｎｍの触媒ナノ粒子が形成されることを確認した。これにより反応温度が増加することによって触媒ナノ粒子の大きさが少しずつ大きくなることを確認することができた。
【0218】
〈実施例３２〉使用の前駆体と支持体は実施例３０と同様にし、反応工程においては、反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、３０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後（図１のＳ７段階）、常温まで冷却させる。その後再び反応器の温度を３５０℃まで上昇させて維持しながら酸化処理を行い、その後反応器の温度を再び７００℃まで上昇させて維持しながら還元処理を行った。最後に不活性ガス雰囲気で温度を常温に下げて試料を得た。その結果が図７７に例示されている。
【0219】
図７７の（ａ）と（ｂ）は得られた触媒構造体のＴＥＭとＨＲＴＥＭのイメージである。図７７の（ａ）と（ｂ）の結果からカーボンブラックの表面に３〜４ｎｍの大きさの触媒ナノ粒子が非常に均一に分散されて形成されることが分かる。冷却後再び温度を上昇しながら後処理を行った結果、ナノ粒子の大きさが１〜２ｎｍ程度増加した。
【0220】
表３５は得られた触媒構造体のＥＤＸ分析により原子比（atomic ration）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＰｔ３Ｃｏナノ粒子であることが分かる。ＸＲＤによる結晶構造分析もＥＤＸ分析結果と一致することを確認することができた。
【0221】
【表35】
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【0222】
〈実施例３３〉使用の前駆体と支持体、およびその他の反応工程は、実施例３０と同様に行い、反応器の密閉前の反応器の内部の雰囲気条件を以下の表３６に記載されている互いに異なる条件を用いて触媒構造体を得た。その結果が図７８に例示されている。
【0223】
【表36】
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【0224】
図７８の（ａ）ないし（ｃ）は得られた触媒構造体のＴＥＭとＨＲＴＥＭのイメージである。図７８の（ａ）ないし（ｃ）の結果から反応器を密閉する前に反応器の内部のガス条件に対し、酸素が１００％であるとき、ナノ粒子の大きさは約１０ｎｍであり、酸素の存在が減るほどナノ粒子の大きさが小さくなり、不活性ガスであるアルゴンが１００％であるときは、約１〜２ｎｍであった。本結果から反応器を密閉する前の雰囲気ガスの制御によりナノ粒子の大きさ、分散密度だけでなく微量元素のドーピングを制御できることが分かる。反応ガスは、酸素の他にも反応中の酸化物の還元のために水素、反応物の窒素ドーピングのためのアンモニウムのようなガスも使用可能である。
【0225】
〈実施例３４〉支持体と反応条件は実施例３０と同様にし、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｒｕ触媒ソース（前駆体）としてルテニウム（ＩＩＩ）アセチルアセトネート（ＲｕＣ１５Ｈ２１Ｏ６）を供給した。
【0226】
図７９は得られた触媒構造体のＴＥＭとＨＲＴＥＭのイメージである。（ａ）は総金属が５０ｓｔ％であり、（ｂ）は７５ｗｔ％である。図７９の結果からカーボンブラックの表面に１．５〜２．５ｎｍの大きさのＰｔＲｕ触媒ナノ粒子が非常に均一に分散されて形成されることが分かる。
【0227】
〈実施例３５〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約５０ｎｍであるカーボンブラックを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてコバルト（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＣｏＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｍｏ触媒ソース（前駆体）としてビス（アセチルアセトナート）ジオキソモリブデン（Ｂｉｓ（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｏ）ｄｉｏｘｏｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ（ＶＩ））（［ＣＨ３ＣＯＣＨ＝Ｃ（Ｏ−）ＣＨ３］２ＭｏＯ２）を供給し、Ｐｔ金属、Ｃｏ金属およびＭｏ金属の含有量が全体の含有量対比でそれぞれ４０ｗｔ％、５ｗｔ％、０．５ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、３０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、同じ温度（３５０℃）で、まず酸化処理を行い、その後還元処理を行った。最後に不活性ガス雰囲気で温度を常温に下げて試料を得た。
【0228】
図８０の（ａ）と（ｂ）は得られた触媒構造体のＴＥＭとＨＲＴＥＭのイメージである。図７７の結果からカーボンブラックの表面に１．５〜２．５ｎｍの大きさの触媒ナノ粒子が非常に均一に分散されて形成されることが分かる。
【0229】
表３７は得られた触媒構造体のＥＤＸ分析により原子比（atomic ration）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＰｔ３ＣｏＭｏ０．２ナノ粒子であることが分かる。
【0230】
【表37】
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【0231】
〈実施例３６〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約５０ｎｍであるカーボンブラックを、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてコバルト（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＣｏＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を供給し、Ｐｔ金属、Ｃｏ金属の含有量が全体の含有量対比でそれぞれ４０ｗｔ％、５ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、３０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、同じ温度（３５０℃）で、まず酸化処理を行い、その後還元処理を行わせた。最後に不活性ガス雰囲気で温度を常温に下げて試料を得た。
【0232】
次に、Ｍｏ触媒ソース（前駆体）としてヘキサカルボキシルモリブデン（Ｍｏ（ＣＯ）６）を、Ｐｔ前駆体を得られた試料と共に密閉型反応器に再び入れて密閉型反応を再び行った。その結果、図８１の（ａ）と（ｂ）のように、カーボンブラック支持体にＭｏがドーピングされたＣｏＰｔ３ナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。
【0233】
表３８は得られた触媒構造体のＥＤＸ分析により原子比（atomic ration）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＰｔ３ＣｏＭｏ０．２ナノ粒子であることが分かる。
【0234】
【表38】
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【0235】
〈実施例３７〉炭素支持体としてカーボンブラックを供給し、Ｍｏ触媒ソース（前駆体）としてヘキサカルボキシルモリブデン（Ｍｏ（ＣＯ）６）と硫黄（sulfur）を供給し、ＭｏＳ２の含有量が全体の含有量対比で３０ｗｔ％になるようにして供給した後、反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて５５０℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げてＭｏＳ２ナノ粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0236】
図８２の（ａ）と（ｂ）は得られた触媒構造体のＴＥＭとＨＲＴＥＭのイメージである。カーボンブラックの表面に０．６５ｎｍの結晶面層を有するナノ構造体が合成された。これは（ｃ）のＸＲＤの分析によりＭｏＳ２結晶構造であることが確認される。
【0237】
〈実施例３８〉実施例３７から得られたものを再び反応器に入れて、これと共にトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ｉｖ）、Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３、Ｐｔ前駆体を全体の含有量対比で５ｗｔ％以内になるようにし、密閉型反応器に入れて密閉型反応を再び行った。この時温度は３５０℃になるようにした後、３０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げて試料を得た。その結果図８３の（ａ）と（ｂ）のＴＥＭとＨＲＴＥＭのイメージから、カーボンブラックの表面に０．６５ｎｍの結晶面層を有するナノ構造体と約２ｎｍのナノ粒子が合成された。これは（ｃ）のＸＲＤの分析によりＭｏＳ２結晶とＰｔ３Ｍｏナノ触媒が同時に合成された構造であることが確認される。
【0238】
〈実施例３９〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約８０ｎｍであるチタニウムナノ粒子を、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ｉｖ）、（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で３０ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げて試料を得た。
【0239】
図８４の（ａ）と（ｂ）のように、チタニウムナノ粒子支持体にＰｔナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。
【0240】
表３９は得られた触媒構造体のＥＤＸ分析により原子比（atomic ration）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＰｔナノ粒子であることが分かる。
【0241】
【表39】
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【0242】
〈実施例４０〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約８０ｎｍであるチタニウムナノ粒子を、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ｉｖ）、（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を、Ｒｕ触媒ソース（前駆体）としてビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウム（ＩＩ）（Ｃ７Ｈ９ＲｕＣ７Ｈ９）を供給し、触媒の全体の含有量が３０ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げて試料を得た。
【0243】
図８５の（ａ）と（ｂ）のように、チタニウムナノ粒子支持体にＰｔ３Ｒｕナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。
【0244】
表４０は得られた触媒構造体のＥＤＸ分析により原子比（atomic ration）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＰｔ３Ｒｕナノ粒子であることが分かる。
【0245】
【表40】
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【0246】
〈実施例４１〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約８０ｎｍであるチタニウムナノ粒子を、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ｉｖ）、（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてビス（エチルシクロペンタジエニル）コバルト（ＩＩ）（Ｃ７Ｈ９ＣｏＣ７Ｈ９）を供給し、触媒の全体の含有量が３０ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げて試料を得た。
【0247】
図８６の（ａ）と（ｂ）のように、チタニウムナノ粒子支持体にＰｔ３Ｃｏナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。
【0248】
表４１は得られた触媒構造体のＥＤＸ分析により原子比（atomic ration）を測定した結果を示し、原子比から５ｎｍのＰｔ３Ｃｏナノ粒子であることが分かる。
【0249】
【表41】
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【0250】
〈実施例４２〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約８０ｎｍであるシリコンナノ粒子を、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ｉｖ）、（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で３０ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げて試料を得た。
【0251】
図８７の（ａ）と（ｂ）のように、シリコンナノ粒子支持体に１ｎｍのＰｔナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。
【0252】
表４２は得られた触媒構造体のＥＤＸ分析により原子比（atomic ration）を測定した結果を示し、原子比からナノ粒子がＰｔナノ粒子であることが分かる。
【0253】
【表42】
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【0254】
〈実施例４３〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約８０ｎｍであるシリコンナノ粒子を、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてコバルトセン（Ｃ１０Ｈ１０Ｃｏ）を供給し、Ｃｏ金属の含有量が全体の含有量対比で３０ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げて試料を得た。
【0255】
図８８の（ａ）と（ｂ）のように、シリコンナノ粒子支持体に５ｎｍのＣｏナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。ＸＲＤ結果である（ｃ）は生成されたナノ粒子が純粋コバルト結晶体であることを示す。
【0256】
〈実施例４４〉支持体と反応条件は実施例４３と同様にし、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてコバルト（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＣｏＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を供給し、Ｃｏ金属の含有量が全体の含有量対比で３０ｗｔ％になるようにした。
【0257】
図８９の（ａ）ないし（ｄ）のように、シリコンナノ粒子支持体に花形状の板状構造になっているナノ構造体が確認される。ＥＤＸ結果（ｅ）とＸＲＤ結果の（ｃ）は生成されたナノ粒子がコバルト結晶体であり、表面に酸素が存在することを示す。
【0258】
〈実施例４５〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約８０ｎｍであるシリコンナノ粒子を、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてコバルトセン（Ｃ１０Ｈ１０Ｃｏ）を供給し、Ｃｏ金属の含有量が全体の含有量対比で３０ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて（ａ）４５０℃、（ｂ）５５０℃、（ｃ）６５０℃、（ｄ）７５０℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げて試料を得た。
【0259】
図９０のように、ＳＥＭイメージからシリコンナノ粒子支持体にカーボンナノチューブの成長が確認される。温度が増加することによってカーボンナノチューブの成長が促進されることが確認される。ＴＥＭイメージは生成された構造体がシリコンの表面にコバルトナノ粒子とカーボンナノチューブが結合された複合構造であることを示す。
【0260】
〈実施例４６〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約３００ｎｍである亜鉛ナノ粒子を、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｆｅ触媒ソース（前駆体）としてフェロセン（Ｃ１０Ｈ１０Ｆｅ）を供給し、金属の含有量が全体の含有量対比で３０ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げて試料を得た。
【0261】
図９１の（ａ）と（ｂ）のように、亜鉛ナノ粒子支持体に１〜２ｎｍのＰｔ３Ｆｅナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。ＥＤＸ結果である（ｃ）からこのような構造を確認することができる。
【0262】
〈実施例４７〉常圧常温で反応器に支持体として直径が約２００ｎｍである炭素球ナノ粒子を、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）としてトリメチル（メチルシクロペンタジエニル）白金（ｉｖ）、（Ｃ５Ｈ４ＣＨ３Ｐｔ（ＣＨ３）３）を供給し、Ｐｔ金属の含有量が全体の含有量対比で４０ｗｔ％になるようにした。反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて３５０℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げて試料を得た。
【0263】
図９２の（ａ）と（ｂ）のように、炭素球ナノ粒子支持体に２ｎｍのＰｔナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。Ｐｔナノ粒子は薄い炭素シェルで積層されており、層状構造をなしている。ＥＤＸ（ｃ）結果はこのような結果を確認する。
【0264】
〈実施例４８〉支持体、触媒前駆体、および反応条件は実施例４７と同様にし、窒素（Ｎ）ドーピングのためにＵＲＥＡ（ＣＨ４Ｎ２Ｏ）を追加的に反応器に供給する。
【0265】
図９３の（ａ）と（ｂ）のように、炭素球ナノ粒子支持体に２ｎｍのＰｔナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。Ｐｔナノ粒子は薄い炭素シェルで積層されており、層状構造をなしている。ＥＤＸ（ｃ）結果は炭素シェルが窒素ドーピングされたことを確認する。
【0266】
〈実施例４９〉支持体、反応条件は実施例４７と同様にし、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｆｅ触媒ソース（前駆体）としてフェロセン（Ｃ１０Ｈ１０Ｆｅ）を供給し、金属の含有量が全体の含有量ＰｔとＦｅそれぞれ対比で１８ｗｔ％、１０ｗｔ％になるようにした。
【0267】
図９４の（ａ）と（ｂ）のように、炭素球ナノ粒子支持体に２ｎｍのＰｔ３Ｆｅナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。Ｐｔ３Ｆｅナノ粒子は薄い炭素シェルで積層されており、層状構造をなしている。図９４の（ｃ）のＥＤＸ結果はこのような結果を確認する。
【0268】
〈実施例５０〉支持体、反応条件は実施例４７と同様にし、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてコバルトセン（Ｃ１０Ｈ１０Ｃｏ）を供給し、金属の含有量が全体の含有量対比でＰｔとＦｅがそれぞれ１８ｗｔ％、１０ｗｔ％になるようにした。
【0269】
図９５の（ａ）と（ｂ）のように、炭素球ナノ粒子支持体に２ｎｍのＰｔ３Ｃｏナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。Ｐｔ３Ｃｏナノ粒子は薄い炭素シェルで積層されており、層状構造をなしている。図９５の（ｃ）のＥＤＸ結果はこのような結果を確認する。
【0270】
〈実施例５１〉支持体、反応条件は実施例４７と同様にし、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｎｉ触媒ソース（前駆体）としてニッケル（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＮｉＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を供給し、金属の含有量が全体の含有量対比でＰｔとＦｅがそれぞれ１８ｗｔ％、１０ｗｔ％になるようにした。
【0271】
図９６の（ａ）と（ｂ）のように、炭素球ナノ粒子支持体に２ｎｍのＰｔＮｉナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。ＰｔＮｉナノ粒子は薄い炭素シェルで積層されており、層状構造をなしている。図９６の（ｃ）のＥＤＸ結果はこのような結果を確認する。
【0272】
〈実施例５２〉支持体、反応条件は実施例４７と同様にし、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｆｅ触媒ソース（前駆体）としてフェロセン（Ｃ１０Ｈ１０Ｆｅ）を、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてコバルト（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＣｏＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｎｉ触媒ソース（前駆体）としてニッケル（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＮｉＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を供給する。
【0273】
図９７の（ａ）と（ｂ）のように、炭素球ナノ粒子支持体に２ｎｍのＰｔ８５Ｆｅ７Ｃｏ３Ｎｉ５ナノ粒子が分散された触媒構造体を得ることができた。Ｐｔ８５Ｆｅ７Ｃｏ３Ｎｉ５ナノ粒子は薄い炭素シェルで積層されており、層状構造をなしている。図９７の（ｃ）のＥＤＸ結果はこのような結果を確認する。
【0274】
〈実施例５３〉支持体、反応条件は実施例５２と同様にし、Ｐｔ触媒ソース（前駆体）として白金（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＰｔＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｆｅ触媒ソース（前駆体）としてフェロセン（Ｃ１０Ｈ１０Ｆｅ）を、Ｃｏ触媒ソース（前駆体）としてコバルト（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＣｏＣ１０Ｈ１４Ｏ４）を、Ｎｉ触媒ソース（前駆体）としてニッケル（ＩＩ）アセチルアセトネート（ＮｉＣ１０Ｈ１４Ｏ４）が用いられる。具体的に説明すれば、まず、ＰｔとＦｅ前駆体を用いて密閉反応を行い試料を得、この試料にＰｔとＣｏ前駆体を供給し、再び密閉反応を行う。その後再びＰｔとＮｉ前駆体を得られた試料と密閉型反応器に供給して反応を行い最終的に試料を得る。
【0275】
図９８（ａ）は触媒構造体の概略図である。また、図９８（ｂ）と（ｃ）のように、炭素球ナノ粒子支持体に２ｎｍのＰｔ３Ｆｅ、Ｐｔ３Ｃｏ、ＰｔＮｉナノ粒子が幾重にもコーティングされた触媒構造体を得ることができた。図９８の（ｃ）において赤、青、緑点に相当するＥＤＸ結果を示す表４３、４４、４５はこのような結果を確認する。
【0276】
【表43】
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【0277】
【表44】
[この文献は図面を表示できません]
【0278】
【表45】
[この文献は図面を表示できません]
【0279】
図９９はこのような層状構造の一般的な概念を示し、Ｐｔ−Ｍｅ合金触媒の場合、ＭｅがＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉが可能な時の層状構造は６個の場合の数が可能である。
【0280】
〈実施例５４〉その他、他の形態の支持体にも触媒ナノ粒子の分散合成が可能であるかを調べるため、以下の表４６の条件を用いて触媒構造体を得た。
【0281】
【表46】
[この文献は図面を表示できません]
【0282】
カーボン素材としてはフェルト以外にファイバーペーパー、フォーム、箔などが可能である。
【0283】
金属箔の金属としてはＣｕ、Ｔｉ、ＳＵＳのいずれもの物質も使用可能である。このような物質はフォームやワイヤ形態でも可能である。
【0284】
図１００はカーボンフェルトの表面にＰｔナノ粒子が非常に密度を有してコーティングされたことが確認される。
【0285】
図１０１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれＣｕ、Ｔｉ、ＳＵＳ箔の表面にコーティングされたＰｔナノ粒子を示す。
【0286】
図１０２の（ａ）はＰｔＲｕ触媒のコーティング前後のＴｉフォーム写真を示す。コーティング前は銀色であったものがコーティング後に黒色に変わった。（ｂ）はＴｉフォームの表面にコーティングされたナノ粒子を示す。
【0287】
図１０３はＭｏＳ２触媒のコーティング前後のＴｉｗｉｒｅ写真を示す。コーティング前は銀色であったものがコーティング後に黒灰色に変わった。
【0288】
図１０４はＰｔ３Ｃｏ触媒のコーティング前後の六方晶窒化ホウ素写真を示す。約２ｎｍのナノ粒子がコーティングされた。
【0289】
〈実施例５５〉炭素支持体として（ａ）カーボンブラックナノ粒子、（ｂ）グラファイトナノ粒子、（ｃ）炭素球ナノ粒子、（ｄ）カーボンナノチューブ、（ｅ）グラフェン、（ｆ）窒素ドーピングされたグラフェンを供給し、Ｍｏ触媒ソース（前駆体）としてヘキサカルボキシルモリブデン（Ｍｏ（ＣＯ）６）と硫黄（sulfur）を供給し、ＭｏＳ２の含有量が全体の含有量対比で５０ｗｔ％になるようにし、供給した後、反応器を完全に密閉し、温度を昇温させて５００℃になるようにした後、６０分の間反応を行わせた。反応が完了した後反応器の内部圧力を解除し、不活性ガスを供給しながら安定化させて未反応物および副産物を除去した後、温度を常温に下げてＭｏＳ２ナノ粒子が分散された触媒構造体を得た。
【0290】
図１０５は得られた触媒構造体のＴＥＭとＨＲＴＥＭのイメージである。すべての炭素支持体の表面でＭｏＳ２結晶構造がうまく形成された。
【0291】
以上で本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、次の請求範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態もまた本発明の権利範囲に属するものである。
【図1a】
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【図1b】
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【図1c】
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【図2a】
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【図2b】
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【図3a】
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【図3b】
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【図4a】
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【図4b】
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【図5a】
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【図5b】
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【図6a】
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【図6b】
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【図7a】
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【図7b】
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【図8a】
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【図8b】
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【図9a】
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【図9b】
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【図9c】
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【図9d】
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【図9e】
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【図9f】
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【図9g】
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【図9h】
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【図10a】
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【図10b】
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【図11a】
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【図11b】
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【図12a】
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【図12b】
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【図13a】
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【図13b】
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【図14a】
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【図14b】
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【図15a】
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【図15b】
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【図16a】
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【図16b】
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【図17】
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【図18】
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【図19a】
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【図19b】
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【図19c】
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【図19d】
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【図20a】
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【図20b】
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【図20c】
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【図20d】
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【図21】
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【図22a】
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【図22b】
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【図22c】
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【図22d】
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【図22e】
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【図23a】
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【図23b】
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【図23c】
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【図24a】
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【図24b】
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【図24c】
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【図24d】
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【図24e】
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【図25a】
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【図25b】
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【図25c】
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【図25d】
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【図26a】
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【図26b】
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【図26c】
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【図26d】
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【図26e】
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【図27a】
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【図27b】
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【図27c】
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【図27d】
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【図27e】
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【図28a】
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【図28b】
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【図28c】
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【図28d】
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【図29a】
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【図29b】
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【図29c】
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【図29d】
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【図30a】
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【図30b】
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【図30c】
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【図30d】
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【図31a】
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【図31b】
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【図31c】
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【図32a】
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【図32b】
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【図32c】
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【図32d】
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【図33a】
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【図33b】
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【図33c】
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【図33d】
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【図34a】
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【図34b】
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【図34c】
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【図35a】
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【図35b】
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【図35c】
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【図36a】
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【図36b】
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【図36c】
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【図36d】
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【図36e】
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【図36f】
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【図37a】
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