特表 2023-533646 合金ナノ粒子、合金ナノ粒子の形成方法、及び合金ナノ粒子を含む合金ナノ触媒

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-04

(54)【発明の名称】合金ナノ粒子、合金ナノ粒子の形成方法、及び合金ナノ粒子を含む合金ナノ触媒

(51)【国際特許分類】

   B22F 1/054 20220101AFI20230728BHJP

   B01J 35/02 20060101ALI20230728BHJP

   B01J 37/04 20060101ALI20230728BHJP

   B01J 37/08 20060101ALI20230728BHJP

   B01J 27/24 20060101ALI20230728BHJP

   B01J 33/00 20060101ALI20230728BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20230728BHJP

   B22F 1/16 20220101ALI20230728BHJP

   B22F 9/00 20060101ALI20230728BHJP

   B22F 9/30 20060101ALI20230728BHJP

   C22C 5/04 20060101ALI20230728BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20230728BHJP

   C22C 19/00 20060101ALI20230728BHJP

   H01M 4/88 20060101ALI20230728BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20230728BHJP

   H01M 4/90 20060101ALI20230728BHJP

【ＦＩ】

B22F1/054

B01J35/02 H

B01J37/04 102

B01J37/08

B01J27/24 M

B01J33/00 C

B22F1/00 K

B22F1/00 M

B22F1/00 T

B22F1/16

B22F9/00 B

B22F9/30 Z

C22C5/04

C22C38/00 302Z

C22C19/00 Z

H01M4/88 K

H01M4/86 M

H01M4/90 M

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022567631

(86)(22)【出願日】2021-05-07

(85)【翻訳文提出日】2022-11-07

(86)【国際出願番号】 KR2021005704

(87)【国際公開番号】W WO2021225395

(87)【国際公開日】2021-11-11

(31)【優先権主張番号】10-2020-0054195

(32)【優先日】2020-05-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】509329800

【氏名又は名称】ソウル大学校産学協力団

【氏名又は名称原語表記】ＳＥＯＵＬ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｒ＆ＤＢ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ

(71)【出願人】

【識別番号】515312760

【氏名又は名称】インスティチュート フォー ベーシック サイエンス

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＦＯＲ ＢＡＳＩＣ ＳＣＩＥＮＣＥ

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100180231

【弁理士】

【氏名又は名称】水島 亜希子

(72)【発明者】

【氏名】ヒョン，テクァン

(72)【発明者】

【氏名】ソン，ユンウン

(72)【発明者】

【氏名】ユ，テヨン

(72)【発明者】

【氏名】ユ，ジムン

【テーマコード（参考）】

4G169

4K017

4K018

5H018

【Ｆターム（参考）】

4G169AA02

4G169AA03

4G169AA08

4G169AA09

4G169BA08A

4G169BA08B

4G169BA08C

4G169BA27C

4G169BB02A

4G169BB02B

4G169BB08C

4G169BC29A

4G169BC29C

4G169BC66A

4G169BC66B

4G169BC66C

4G169BC67A

4G169BC67B

4G169BC67C

4G169BC68A

4G169BC68B

4G169BC68C

4G169BC75A

4G169BC75B

4G169BC75C

4G169BD01C

4G169BD02B

4G169BD04C

4G169BD06A

4G169BD06B

4G169BD06C

4G169BE16C

4G169CC32

4G169DA06

4G169EB19

4G169EE01

4G169FB05

4G169FB14

4G169FB29

4G169FB57

4G169FC02

4K017AA04

4K017AA08

4K017BA02

4K017BA03

4K017BA06

4K017BB02

4K017BB06

4K017CA08

4K017DA09

4K017EK08

4K017FB11

4K018BA01

4K018BA04

4K018BA16

4K018BB05

4K018BC28

4K018BD10

5H018AS03

5H018BB01

5H018BB12

5H018EE16

(57)【要約】

【課題】合金ナノ粒子、合金ナノ粒子の形成方法、及び合金ナノ粒子を含む合金ナノ触媒を提供する。
【解決手段】本発明の実施例による合金ナノ粒子は、第１金属を含む第１金属錯体と第２金属を含む第２金属錯体とを混合して多金属化合物を形成するステップ及び前記多金属化合物を熱処理して合金化合物を形成するステップを含む方法により形成される。前記第１金属及び前記第２金属は遷移金属を含み、前記第１金属錯体はピリジン系リガンドを含み、前記熱処理により前記合金化合物の表面にＮを含む炭素シェルが形成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１金属を含む第１金属錯体と第２金属を含む第２金属錯体とを混合して多金属化合物を形成するステップ；及び
前記多金属化合物を熱処理して合金化合物を形成するステップを含む方法により形成され、
前記第１金属及び前記第２金属は遷移金属を含み、
前記第１金属錯体はピリジン系リガンドを含み、
前記熱処理により前記合金化合物の表面にＮを含む炭素シェルが形成されることを特徴とする合金ナノ粒子。

【請求項2】

前記ピリジン系リガンドはピリジンリガンド及びポリピリジンリガンドのうち少なくとも１つを含み、
前記ピリジンリガンドはピリジン及び前記ピリジンで誘導された誘導体を含み、
前記ポリピリジンリガンドはポリピリジン及び前記ポリピリジンで誘導された誘導体を含むことを特徴とする、請求項１に記載の合金ナノ粒子。

【請求項3】

前記第２金属錯体はハロゲン元素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の合金ナノ粒子。

【請求項4】

前記第１金属はＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち少なくとも１つを含み、
前記第２金属はＰｔを含むことを特徴とする、請求項１に記載の合金ナノ粒子。

【請求項5】

前記第１金属錯体はＭ^１（ＰＹ）_ｍ ^ａ＋（Ｍ^１は第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、
前記第２金属錯体はＭ^２Ｘ_ｎ ^ａ－（Ｍ^２は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の合金ナノ粒子。

【請求項6】

前記第１金属錯体は［Ｍ^１Ａ（ＰＹ）_ｍ］_ｘ［Ｍ^１Ｂ（ＰＹ）_ｍ］_１－ｘ ^ａ＋（Ｍ^１Ａ及びＭ^１Ｂは互いに異なる第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、
前記第２金属錯体はＭ^２Ｘ_ｎ ^ａ－（Ｍ^２は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の合金ナノ粒子。

【請求項7】

前記方法は前記合金化合物に対して熱エッチングを行うステップをさらに含み、
前記熱エッチングにより前記シェルの少なくとも一部が除去されることを特徴とする、請求項１に記載の合金ナノ粒子。

【請求項8】

前記熱処理は前記多金属化合物を炭素支持体に吸着させた後に行われることを特徴とする、請求項１に記載の合金ナノ粒子。

【請求項9】

第１金属を含む第１金属錯体と第２金属を含む第２金属錯体とを混合して多金属化合物を形成するステップ；
前記多金属化合物を支持体に吸着させるステップ；及び
前記多金属化合物を熱処理して合金化合物を形成するステップを含み、
前記第１金属及び前記第２金属は遷移金属を含み、
前記第１金属錯体はピリジン系リガンドを含み、
前記熱処理により前記合金化合物の表面にＮを含む炭素シェルが形成されることを特徴とする合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項10】

前記ピリジン系リガンドはピリジンリガンド及びポリピリジンリガンドのうち少なくとも１つを含み、
前記ピリジンリガンドはピリジン及び前記ピリジンで誘導された誘導体を含み、
前記ポリピリジンリガンドはポリピリジン及び前記ポリピリジンで誘導された誘導体を含むことを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項11】

前記第２金属錯体はハロゲン元素を含むことを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項12】

前記第１金属はＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち少なくとも１つを含み、
前記第２金属はＰｔを含むことを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項13】

前記第１金属錯体はＭ^１（ＰＹ）_ｍ ^ａ＋（Ｍ^１は第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、
前記第２金属錯体はＭ^２Ｘ_ｎ ^ａ－（Ｍ^２は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含むことを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項14】

前記第１金属錯体は［Ｍ^１Ａ（ＰＹ）_ｍ］_ｘ［Ｍ^１Ｂ（ＰＹ）_ｍ］_１－ｘ ^ａ＋（Ｍ^１Ａ及びＭ^１Ｂは互いに異なる第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、
前記第２金属錯体はＭ^２Ｘ_ｎ ^ａ－（Ｍ^２は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含むことを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項15】

前記合金化合物に対して熱エッチングを行うステップをさらに含み、
前記熱エッチングにより前記シェルの少なくとも一部が除去されることを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項16】

前記第１金属錯体と前記第２金属錯体とは静電気的引力を介して互いに結合することを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項17】

前記多金属化合物は前記熱処理により前記支持体にウェッティングが行われ、前記合金化合物に分解されることを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項18】

前記熱処理前に前記多金属化合物が吸着された前記支持体を凍結乾燥するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項19】

前記支持体は炭素支持体を含むことを特徴とする、請求項９に記載の合金ナノ粒子の形成方法。

【請求項20】

請求項１乃至８のいずれか一項に記載の合金ナノ粒子を含む合金ナノ触媒。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、合金ナノ粒子、前記合金ナノ粒子の形成方法、及び前記合金ナノ粒子を含む合金ナノ触媒に関する。

【背景技術】

【0002】

合金ナノ粒子は、固有の電子および幾何学的構造を有するので、単一の金属ナノ粒子と区別される新しい特性を示す。特に、単一金属系触媒に比べて向上した活性および安定性を示すため、燃料電池電気触媒として活発に研究されている。

【0003】

コロイド合成は、サイズ、組成および形状を容易に制御することができるので、合金ナノ粒子に広く使用されてきた。しかしながら、コロイド法は、毒性及び高価な界面活性剤及び還元剤を必要とする。さらに、支持体上に合金ナノ粒子をロードし、保護リガンドを除去するなどのさらなる工程が必要とされる。

【0004】

このように、合金ナノ粒子はサイズ、組成、および形状を制御することが困難であり、製造工程が複雑であるだけでなく製造コストが高くなる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、優れた性能を有する合金ナノ粒子を提供する。
本発明は、前記合金ナノ粒子の形成方法を提供する。
本発明は、優れた性能を有する合金ナノ触媒を提供する。
本発明の他の目的は以降の詳細な説明及び添付図面から明確になるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の実施例による合金ナノ粒子は、第１金属を含む第１金属錯体と第２金属を含む第２金属錯体とを混合して多金属化合物を形成するステップ及び前記多金属化合物を熱処理して合金化合物を形成するステップを含む方法により形成される。前記第１金属及び前記第２金属は遷移金属を含み、前記第１金属錯体はピリジン系リガンドを含み、前記熱処理により前記合金化合物の表面にＮを含む炭素シェルが形成される。

【0007】

前記ピリジン系リガンドはピリジンリガンド及びポリピリジンリガンドのうち少なくとも１つを含み、前記ピリジンリガンドはピリジン及び前記ピリジンで誘導された誘導体を含み、前記ポリピリジンリガンドはポリピリジン及び前記ポリピリジンで誘導された誘導体を含む。

【0008】

前記第２金属錯体はハロゲン元素を含む。

【0009】

前記第１金属はＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち少なくとも１つを含み、前記第２金属はＰｔを含む。

【0010】

前記第１金属錯体はＭ¹（ＰＹ）_m ^a+（Ｍ¹は第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、前記第２金属錯体はＭ²Ｘ_n ^a-（Ｍ²は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含む。

【0011】

前記第１金属錯体は［Ｍ^1A（ＰＹ）_m］_x［Ｍ^1B（ＰＹ）_m］_1-x ^a+（Ｍ^1A及びＭ^1Bは互いに異なる第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、前記第２金属錯体はＭ²Ｘ_n ^a-（Ｍ²は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含む。

【0012】

前記方法は前記合金化合物に対して熱エッチングを行うステップをさらに含み、前記熱エッチングにより前記シェルの少なくとも一部が除去される。

【0013】

前記熱処理は前記多金属化合物を炭素支持体に吸着させた後に行われる。

【0014】

本発明の実施例による合金ナノ粒子の形成方法は、第１金属を含む第１金属錯体と第２金属を含む第２金属錯体とを混合して多金属化合物を形成するステップ、前記多金属化合物を支持体に吸着させるステップ、及び前記多金属化合物を熱処理して合金化合物を形成するステップを含む。前記第１金属及び前記第２金属は遷移金属を含み、前記第１金属錯体はピリジン系リガンドを含み、前記熱処理により前記合金化合物の表面にＮを含む炭素シェルが形成される。

【0015】

前記ピリジン系リガンドはピリジンリガンド及びポリピリジンリガンドのうち少なくとも１つを含み、前記ピリジンリガンドはピリジン及び前記ピリジンで誘導された誘導体を含み、前記ポリピリジンリガンドはポリピリジン及び前記ポリピリジンで誘導された誘導体を含む。

【0016】

前記第２金属錯体はハロゲン元素を含む。 前記第１金属はFe、Co、及びNiのうち少なくとも１つを含み、前記第２金属はPtを含む。

【0017】

前記第１金属錯体はＭ¹（ＰＹ）_m ^a+（Ｍ¹は第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、前記第２金属錯体はＭ²Ｘ_n ^a-（Ｍ²は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含む。

【0018】

前記第１金属錯体は［Ｍ^1A（ＰＹ）_m］_x［Ｍ^1B（ＰＹ）_m］_1-x ^a+（Ｍ^1A及びＭ^1Bは互いに異なる第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、前記第２金属錯体はＭ²Ｘ_n ^a-（Ｍ²は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含む。

【0019】

前記合金ナノ粒子の形成方法は前記合金化合物に対して熱エッチングを行うステップをさらに含み、前記熱エッチングにより前記シェルの少なくとも一部が除去される。

【0020】

前記第１金属錯体と前記第２金属錯体とは静電気的引力を介して互いに結合する。

【0021】

前記多金属化合物は、前記熱処理により前記支持体にウェッティングが行われ、前記合金化合物に分解される。

【0022】

前記合金ナノ粒子の形成方法は前記熱処理前に前記多金属化合物が吸着された前記支持体を凍結乾燥するステップをさらに含む。

【0023】

前記支持体は炭素支持体を含む。

【0024】

本発明の実施例による合金ナノ触媒は前記合金ナノ粒子を含む。

【発明の効果】

【0025】

本発明の実施例による合金ナノ粒子及び合金ナノ触媒は優れた性能を有することができる。例えば、前記合金ナノ粒子及び前記合金ナノ触媒は優れた活性及び安定性を有することができる。前記合金ナノ粒子及び前記合金ナノ触媒は、簡単な工程で容易に形成されることができる。前記合金ナノ触媒は優れたＯＲＲ（ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）活性を有し、電気触媒として使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】還元された酸化グラフェン（ｒＧＯ）によって支持され、Ｎを含む炭素シェルを有する整列したＦｅＰｔ合金ナノ粒子の形成方法を概略的に示す。

【図2】図１に［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］／ＧＯのＴＥＭイメージを示す。

【図3】図１に中間体（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ）のＴＥＭイメージを示す。

【図4】図１にＦｅＰｔ／ｒＧＯのＴＥＭイメージを示す。

【図5】［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］／ＧＯ、中間体、及びＦｅＰｔ／ｒＧＯのパウダーＸＲＤ分析結果を示す。

【図6】［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］／ＧＯ、中間体、及びＦｅＰｔ／ｒＧＯのＦＴ－ＩＲ分析結果を示す。

【図7】中間体におけるＣ、Ｐｔ、Ｆｅ原子の均一な分布を示すＳＴＥＭ－ＥＤＳマッピングイメージを示す。

【図8】３７ｗｔ％ＦｅＰｔ／ｒＧＯのＸＲＤパターンを示す。

【図9】３７ｗｔ％ＦｅＰｔ／ｒＧＯの磁気ヒステリシスループを表す。

【図10】３７ｗｔ％ＦｅＰｔ／ｒＧＯのＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭイメージと拡大イメージ及びＬ１₀－ＦｅＰｔナノ結晶のシミュレーションイメージを示す。

【図11】単一のＦｅＰｔナノ粒子（上部）及び３７ｗｔ％ＦｅＰｔ／ｒＧＯの高倍率領域（下部）の ＳＴＥＭ－ＥＤＳイメージを示す。

【図12】２４ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯのＴＥＭイメージを示し、挿入図はＦｅＰｔナノ粒子のサイズ分布を示す。

【図13】３７ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯのＴＥＭイメージを示し、挿入図はＦｅＰｔナノ粒子のサイズ分布を示す。

【図14】ＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のＯＲＲ分極曲線を示す。

【図15】ＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のターフェルプロットを示す。

【図16】ＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のＥＣＳＡを示す。

【図17】ＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒の単位重量当たりの活性及び単位面積当たりの活性を示す。

【図18】ＡＤＴ（２０，０００サイクル）前後のＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のＯＲＲ分極曲線を示す。

【図19】ＡＤＴ（２０，０００サイクル）前後のＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のターフェルプロットを示す。

【図20】ＡＤＴ（２０，０００サイクル）前後のＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のＥＣＳＡを示す。

【図21】ＡＤＴ（２０，０００サイクル）前後のＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒の単位重量当たりの活性及び単位面積当たりの活性を示す。

【図22】ＮｉＰｔ／ｒＧＯ（４６ｗｔ％）のＴＥＭイメージを示す。

【図23】ＮｉＰｔ／ｒＧＯ（４６ｗｔ％）のＳＴＥＭ－ＥＤＳイメージを示す。

【図24】ＣｏＰｔ／ｒＧＯ（２２ｗｔ％）のＴＥＭイメージを示す。

【図25】ＣｏＰｔ／ｒＧＯ（２２ｗｔ％）のＳＴＥＭ－ＥＤＳイメージを示す。

【図26】ＮｉＰｔ／ｒＧＯ及びＣｏＰｔ／ｒＧＯのパウダーＸＲＤパターンを示す。

【図27】ＮｉＰｔ／ｒＧＯ及びＣｏＰｔ／ｒＧＯのＯＲＲ分極曲線を示す。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。本発明の目的、特徴、利点は以下の実施例から容易に理解できるであろう。本発明は、ここで説明される実施例に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底的で完全なものとなるように、かつ本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするために提供されるものである。よって、以下の実施例により本発明が限定されてはならない。

【0028】

本明細書では、第１、第２などの用語が様々な要素を説明するために使用されているが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、これらの要素を互いに区別するために使用される。

【0029】

本発明の実施例による合金ナノ粒子は、第１金属を含む第１金属錯体と第２金属を含む第２金属錯体とを混合して多金属化合物を形成するステップ及び前記多金属化合物を熱処理して合金化合物を形成するステップを含む方法により形成される。前記第１金属及び前記第２金属は遷移金属を含み、前記第１金属錯体はピリジン系リガンドを含み、前記熱処理により前記合金化合物の表面にＮを含む炭素シェルが形成される。

【0030】

前記ピリジン系リガンドはピリジンリガンド及びポリピリジンリガンドのうち少なくとも１つを含み、前記ピリジンリガンドはピリジン及び前記ピリジンで誘導された誘導体を含み、前記ポリピリジンリガンドはポリピリジン及び前記ポリピリジンで誘導された誘導体を含む。前記ポリピリジンは、ビピリジン（ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ）、フェナントロリン（ｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ）、ターピリジン（ｔｅｒｐｙｒｉｄｉｎｅ）、クォータピリジン（ｑｕａｔｅｒｐｙｒｉｄｉｎｅ）などを含むことができる。

【0031】

前記第２金属錯体はハロゲン元素を含む。

【0032】

前記第１金属はＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち少なくとも１つを含み、前記第２金属はＰｔを含む。

【0033】

前記第１金属錯体はＭ¹（ＰＹ）_m ^a+（Ｍ¹は第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、前記第２金属錯体はＭ²Ｘ_n ^a-（Ｍ²は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含む。

【0034】

前記第１金属錯体は［Ｍ^1A（ＰＹ）_m］_x［Ｍ^1B（ＰＹ）_m］_1-x ^a+（Ｍ^1A及びＭ^1Bは互いに異なる第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、前記第２金属錯体はＭ²Ｘ_n ^a-（Ｍ²は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含む。前記第１金属錯体が互いに異なる２つ以上の第１金属を含むように拡張されるように、第２金属錯体もＭ²Ｘ_n ^a-に限定されず、互いに異なる２つ以上の第２金属を含むように拡張することができる。

【0035】

前記方法は前記合金化合物に対して熱エッチングを行うステップをさらに含み、前記熱エッチングにより前記シェルの少なくとも一部が除去される。

【0036】

前記熱処理は前記多金属化合物を炭素支持体に吸着させた後に行われる。前記炭素支持体は酸化グラフェンなどを含むことができる。

【0037】

本発明の実施例による合金ナノ粒子の形成方法は、第１金属を含む第１金属錯体と第２金属を含む第２金属錯体とを混合して多金属化合物を形成するステップ、前記多金属化合物を支持体に吸着させるステップ、及び前記多金属化合物を熱処理して合金化合物を形成するステップを含む。前記第１金属及び前記第２金属は遷移金属を含み、前記第１金属錯体はピリジン系リガンドを含み、前記熱処理により前記合金化合物の表面にＮを含む炭素シェルが形成される。

【0038】

前記ピリジン系リガンドはピリジンリガンド及びポリピリジンリガンドのうち少なくとも１つを含み、前記ピリジンリガンドはピリジン及び前記ピリジンで誘導された誘導体を含み、前記ポリピリジンリガンドはポリピリジン及び前記ポリピリジンで誘導された誘導体を含む。前記ポリピリジンは、ビピリジン、フェナントロリン、ターピリジン、クォータピリジンなどを含むことができる。

【0039】

前記第２金属錯体はハロゲン元素を含む。

【0040】

前記第１金属はＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち少なくとも１つを含み、前記第２金属はＰｔを含む。

【0041】

前記第１金属錯体はＭ¹（ＰＹ）_m ^a+（Ｍ¹は第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、前記第２金属錯体はＭ²Ｘ_n ^a-（Ｍ²は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含む。

【0042】

前記第１金属錯体は［Ｍ^1A（ＰＹ）_m］_x［Ｍ^1B（ＰＹ）_m］_1-x ^a+（Ｍ^1A及びＭ^1Bは互いに異なる第１金属を表し、ＰＹはピリジン系リガンドを表し、ｍは６以下の整数を表す）を含み、前記第２金属錯体はＭ²Ｘ_n ^a-（Ｍ²は第２金属を表し、Ｘはハロゲン元素を表し、ｎは６以下の整数を表す）を含む。前記第１金属錯体が互いに異なる２つ以上の第１金属を含むように拡張されるように、第２金属錯体もＭ²Ｘ_n ^a-に限定されず、互いに異なる２つ以上の第２金属を含むように拡張することができる。

【0043】

前記合金ナノ粒子の形成方法は前記合金化合物に対して熱エッチングを行うステップをさらに含み、前記熱エッチングにより前記シェルの少なくとも一部が除去される。

【0044】

前記第１金属錯体と前記第２金属錯体とは静電気的引力を介して互いに結合する。

【0045】

前記多金属化合物は、前記熱処理により前記支持体にウェッティングが行われ、前記合金化合物に分解される。

【0046】

前記合金ナノ粒子の形成方法は前記熱処理前に前記多金属化合物が吸着された前記支持体を凍結乾燥するステップをさらに含む。

【0047】

前記支持体は炭素支持体を含む。前記炭素支持体は酸化グラフェンなどを含むことができる。

【0048】

本発明の実施例による合金ナノ触媒は前記合金ナノ粒子を含む。

【0049】

図１は、還元された酸化グラフェン（ｒＧＯ）によって支持され、Ｎを含む炭素シェルを有する整列したＦｅＰｔ合金ナノ粒子の形成方法を概略的に示し、図２は、図１に［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］／ＧＯのＴＥＭイメージを示し、図３は、図１に中間体（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ）のＴＥＭイメージを示し、図４は、図１にＦｅＰｔ／ｒＧＯのＴＥＭイメージを示す。

【0050】

図１乃至図４を参照すると、ＦｅＰｔ合金ナノ粒子は、２つの主要なステップを通じて形成することができる。第１段階で、カチオン性Ｆｅ（ｂｐｙ）₃ ²⁺錯体と等モルのアニオン性ＰｔＣｌ₆ ^2-錯体との間の静電気的引力により、バイメタル［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］化合物（ＦｅＰｔ化合物で表される）が形成される。第２段階で、酸化グラフェン上に吸着されたＦｅＰｔ化合物は、７００℃でアニールすることによってバイメタル合金ナノ粒子に直接変換することができる。

【0051】

淡黄色の水性ＦｅＳＯ₄は、Ｆｅ（ｂｐｙ）₃ ²⁺錯体の形成のために２，２’－ビピリジン（ｂｐｙ）を添加するとすぐに暗赤色に変化する。Ｆｅ（ｂｐｙ）₃ＳＯ₄塩は結晶性が高く、Ｆｅ（ｂｐｙ）₃ ²⁺に由来するＵＶ－ｖｉｓ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ－ｖｉｓｉｂｌｅ）光吸収特性を有する。

【0052】

Ｆｅ（ｂｐｙ）₃ＳＯ₄溶液にエタノール性Ｈ₂ＰｔＣｌ₆を添加すると、ＦｅＰｔ化合物が急速に沈殿し、遠心分離後に粉砕され、微粉末で容易に得られる。ＦｅとＰｔの原子比は５つの互いに異なる部位で１：１に近く、ＳＴＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）－ＥＤＳ（ｅｎｅｒｇｙ－ｄｉｓｐｅｒｓｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により明確に確認することができる。

【0053】

パウダーＸＲＤ分析結果によれば、ＦｅＰｔ化合物は、Ｆｅ（ｂｐｙ）₃ＳＯ₄塩とは全く異なる結晶構造で結晶性が高い。また、水性ＦｅＰｔ化合物のＵＶ－ｖｉｓ吸収スペクトルに基づいて、Ｆｅ（ｂｐｙ）₃ ²⁺及びＰｔＣｌ₆ ^2-錯体の存在及びそれらの間の静電気的引力を分析した。両方の錯体の吸収特性は、アニオン性及びカチオン性錯体の存在を確認するが、５２４ｎｍピークの５３８ｎｍへのかなりの赤ずれは、それらの間の静電気的引力を示す。逆に、ＦｅＰｔ化合物の逐次希釈は、５３８ｎｍから５２４ｎｍへのピーク移動を引き起こし、ＦｅとＰｔ錯体との間の静電気的引力が弱まることを示す。

【0054】

前記ＦｅＰｔ化合物を脱イオン水でＧＯ表面に吸着させた後、凍結乾燥してＧＯ層がひどく堆積するのを防止することができる。この混合物は７００℃まで加熱され、この過程でＦｅＰｔ化合物がＧＯに完全なウェッティング（ｗｅｔｔｉｎｇ）および分解が行われ、バイメタル合金ナノ粒子が形成される。

【0055】

［ＦｅＰｔ化合物の合成例］
１）第１合成例
０．５ｍｍｏｌのＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを１５ｍＬの脱イオン水（ＤＩ）（または１５ｍＬエタノール）に溶解し、１．５ｍｍｏｌの２，２’－ビピリジンを１５ｍＬのエタノール（９９．９％）に別々に溶解する。両方の溶液を混合して［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］ＳＯ₄（ｂｐｙは２，２’－ビピリジンを表す）を形成し、室温で撹拌する。この溶液に、０．５ｍｍｏｌのＨ₂ＰｔＣｌ₆・６Ｈ₂Ｏを溶解した３０ｍＬのエタノール溶液を一度に添加し、５時間撹拌する。生成物は１０，０００ｒｐｍの遠心分離（１０分）によって容易に分離される。前記生成物をエタノールで数回洗浄し、遠心分離した後、４０℃のオーブンで乾燥する。乾燥した生成物を粉砕して微粉末を得る。これにより、ＦｅＰｔ化合物（［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］）が形成される。

【0056】

２） 第２合成例
０．５ｍｍｏｌのＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを１５ｍＬの脱イオン水（ＤＩ）（または１５ｍＬエタノール）に溶解し、１．５ｍｍｏｌのフェナントロリンを１５ｍＬのエタノール（９９．９％）に別々に溶解する。両方の溶液を混合して［Ｆｅ（ｐｈｅｎ）₃］ＳＯ₄（ｐｈｅｎはフェナントロリンを表す）を形成し、室温で撹拌する。この溶液に、０．５ｍｍｏｌのＨ₂ＰｔＣｌ₆・６Ｈ₂Ｏを溶解した３０ｍＬのエタノール溶液を一度に添加し、５時間撹拌する。生成物は１０，０００ｒｐｍの遠心分離（１０分）によって容易に分離される。前記生成物をエタノールで数回洗浄し、遠心分離した後、４０℃のオーブンで乾燥する。乾燥した生成物を粉砕して微粉末を得る。これにより、ＦｅＰｔ化合物（［Ｆｅ（ｐｈｅｎ）₃］［ＰｔＣｌ₆］）が形成される。

【0057】

３）第３合成例
０．５ｍｍｏｌのＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを１５ｍＬの脱イオン水（ＤＩ）（または１５ｍＬエタノール）に溶解し、１．０ｍｍｏｌのターピリジンを１５ｍＬのエタノール（９９．９％）に別々に溶解する。両方の溶液を混合して［Ｆｅ（ｔｅｒｐｙ）₂］ＳＯ₄（ｔｅｒｐｙはターピリジンを表す）を形成し、室温で撹拌する。この溶液に、０．５ｍｍｏｌのＨ₂ＰｔＣｌ₆・６Ｈ₂Ｏを溶解した３０ｍＬのエタノール溶液を一度に添加し、５時間撹拌する。生成物は１０，０００ｒｐｍの遠心分離（１０分）によって容易に分離される。前記生成物をエタノールで数回洗浄し、遠心分離した後、４０℃のオーブンで乾燥する。乾燥した生成物を粉砕して微粉末を得る。これにより、ＦｅＰｔ化合物（［Ｆｅ（ｔｅｒｐｙ）₂］［ＰｔＣｌ₆］）が形成される。

【0058】

［ＦｅＰｔ／ｒＧＯの合成例］
ＦｅＰｔ化合物（約２４ｗｔ％及び３７ｗｔ％のＦｅＰｔロードのための３６ｍｇおよび１４４ｍｇのＦｅＰｔ化合物）を８０ｍＬの脱イオン水に分散させる。前記ＦｅＰｔ化合物が分散した混合物を１０分間超音波処理し、２時間撹拌した後、１０ｍＬのＧＯ水溶液（４ｍｇ／ｍＬ）を滴下する。ＧＯ水溶液を滴下した混合物を２時間撹拌した後、凍結乾燥してＦｅＰｔ化合物をＧＯに吸着させる。ＧＯフォーム上にＦｅＰｔ化合物グレインを含有する混合物を１００ｓｃｃｍのアルゴン流中で、６時間７００℃で熱処理し、熱処理中にＦｅＰｔ化合物のウェッティング及び分解がＧＯ表面で起こり、ｒＧＯ上に原子整列したＦｅＰｔ合金ナノ粒子（ＦｅＰｔ／ｒＧＯ）が形成される。

【0059】

［他の炭素支持体上でのＦｅＰｔナノ粒子の合成例］
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ、水中７～８ｗｔ％）上でのＦｅＰｔナノ粒子の合成は、ＧＯ溶液の代わりにＣＮＴ水溶液が滴下されることを除いて、ＦｅＰｔ／ｒＧＯと同様の方法で行われる。

【0060】

ケッチェンブラック（Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ、ＫＢ）及びバルカン（Ｖｕｌｃａｎ） ＸＣ（ＶＣ）上のＦｅＰｔナノ粒子の合成は、以下の方法で行われる。特定量のＦｅＰｔ化合物を８０ｍＬのイソプロパノール（またはエタノール）に分散させた後、溶液を１０分間超音波処理し、２時間撹拌する。５０ｍｇのＫＢまたはＶＣ粉末を、ＦｅＰｔ化合物を含む溶液に添加し、この混合物を１０分間超音波処理した後、２時間撹拌する。炭素支持体上にＦｅＰｔ化合物グレインを含有する混合物を回転蒸発によって得て、４０℃のオーブンで乾燥する。乾燥した粉末を粉砕した後、アルゴン雰囲気下で、７００℃で熱処理する。

【0061】

［ｒＧＯ上でのＣｏＰｔナノ粒子及びＮｉＰｔナノ粒子の合成例］
ＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏの代わりにＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ及びＮｉＳＯ₄・６Ｈ₂Ｏを用いたことを除いては、ＦｅＰｔ化合物の合成と同様の方法でＣｏＰｔ化合物（例えば、［Ｃｏ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］、［Ｃｏ（ｐｈｅｎ）₃］［ＰｔＣｌ₆］、［Ｃｏ（ｔｅｒｐｙ）₂］［ＰｔＣｌ₆］）及びＮｉＰｔ化合物（例えば、［Ｎｉ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］、［Ｎｉ（ｐｈｅｎ）₃］［ＰｔＣｌ₆］、［Ｎｉ（ｔｅｒｐｙ）₂］［ＰｔＣｌ₆］）を形成することができる。ＣｏＰｔ／ｒＧＯ及びＮｉＰｔ／ｒＧＯの合成のための以降の工程は、ＦｅＰｔ／ｒＧＯの合成と同じである。

【0062】

［ＦｅＣｏＰｔ化合物の合成例］
１） 第１合成例
０．２５ｍｍｏｌのＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを７．５ｍＬの脱イオン水（ＤＩ）（または７．５ｍＬエタノール）に溶解し、０．７５ｍｍｏｌの２，２’－ビピリジンを７．５ｍＬのエタノール（９９．９％）に別々に溶解する。両方の溶液を混合して［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］ＳＯ₄（ｂｐｙは２，２’－ビピリジンを表す）を形成し、室温で撹拌する。０．２５ｍｍｏｌのＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを７．５ｍＬの脱イオン水（ＤＩ）（または７．５ｍＬエタノール）に溶解し、０．７５ｍｍｏｌの２，２’－ビピリジンを７．５ｍＬのエタノール（９９．９％）に別々に溶解する。両方の溶液を混合して［Ｃｏ（ｂｐｙ）₃］ＳＯ₄を形成し、室温で撹拌する。

【0063】

［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］ＳＯ₄溶液と［Ｃｏ（ｂｐｙ）₃］ＳＯ₄溶液を混合し、この溶液に、０．５ｍｍｏｌのＨ₂ＰｔＣｌ₆・６Ｈ₂Ｏを溶解した３０ｍＬのエタノール溶液を一度に添加し、５時間撹拌する。生成物は１０，０００ｒｐｍの遠心分離（１０分）によって容易に分離される。前記生成物をエタノールで数回洗浄し、遠心分離した後、４０℃のオーブンで乾燥する。乾燥した生成物を粉砕して微粉末を得る。これにより、ＦｅＣｏＰｔ化合物（［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］_x［Ｃｏ（ｂｐｙ）₃］_1-x［ＰｔＣｌ₆］）が形成される。

【0064】

２）第２合成例
０．２５ｍｍｏｌのＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを７．５ｍＬの脱イオン水（ＤＩ）（または７．５ｍＬエタノール）に溶解し、０．７５ｍｍｏｌのフェナントロリンを７．５ｍＬのエタノール（９９．９％）に別々に溶解する。両方の溶液を混合して［Ｆｅ（ｐｈｅｎ）₃］ＳＯ₄（ｐｈｅｎはフェナントロリンを表す）を形成し、室温で撹拌する。０．２５ｍｍｏｌのＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを７．５ｍＬの脱イオン水（ＤＩ）（または７．５ｍＬエタノール）に溶解し、０．７５ｍｍｏｌのフェナントロリンを７．５ｍＬのエタノール（９９．９％）に別々に溶解する。両方の溶液を混合して［Ｃｏ（ｐｈｅｎ）₃］ＳＯ₄を形成し、室温で撹拌する。

【0065】

［Ｆｅ（ｐｈｅｎ）₃］ＳＯ₄溶液と［Ｃｏ（ｐｈｅｎ）₃］ＳＯ₄溶液を混合し、この溶液に、０．５ｍｍｏｌのＨ₂ＰｔＣｌ₆・６Ｈ₂Ｏを溶解した３０ｍＬのエタノール溶液を一度に添加し、５時間撹拌する。生成物は１０，０００ｒｐｍの遠心分離（１０分）によって容易に分離される。前記生成物をエタノールで数回洗浄し、遠心分離した後、４０℃のオーブンで乾燥する。乾燥した生成物を粉砕して微粉末を得る。これにより、ＦｅＣｏＰｔ化合物（［Ｆｅ（ｐｈｅｎ）₃］_x［Ｃｏ（ｐｈｅｎ）₃］_1-x［ＰｔＣｌ₆］）が形成される。

【0066】

３） 第３合成例
０．２５ｍｍｏｌのＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを７．５ｍＬの脱イオン水（ＤＩ）（または７．５ｍＬエタノール）に溶解し、０．５ｍｍｏｌのターピリジンを７．５ｍＬのエタノール（９９．９％）に別々に溶解する。両方の溶液を混合して［Ｆｅ（ｔｅｒｐｙ）₂］ＳＯ₄（ｔｅｒｐｙはターピリジンを表す）を形成し、室温で撹拌する。０．２５ｍｍｏｌのＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを７．５ｍＬの脱イオン水（ＤＩ）（または７．５ｍＬエタノール）に溶解し、０．５ｍｍｏｌのターピリジンを７．５ｍＬのエタノール（９９．９％）に別々に溶解する。両方の溶液を混合して［Ｃｏ（ｔｅｒｐｙ）₂］ＳＯ₄を形成し、室温で撹拌する。

【0067】

［Ｆｅ（ｔｅｒｐｙ）₂］ＳＯ₄溶液と［Ｃｏ（ｔｅｒｐｙ）₂］ＳＯ₄溶液を混合し、この溶液に、０．５ｍｍｏｌのＨ₂ＰｔＣｌ₆・６Ｈ₂Ｏを溶解した３０ｍＬのエタノール溶液を一度に添加し、５時間撹拌する。生成物は１０，０００ｒｐｍの遠心分離（１０分）によって容易に分離される。前記生成物をエタノールで数回洗浄し、遠心分離した後、４０℃のオーブンで乾燥する。乾燥した生成物を粉砕して微粉末を得る。これにより、ＦｅＣｏＰｔ化合物（［Ｆｅ（ｔｅｒｐｙ）₂］_x［Ｃｏ（ｔｅｒｐｙ）₂］_1-x［ＰｔＣｌ₆］）が形成される。

【0068】

上記第１～第３の合成例とは異なり、脱イオン水（またはエタノール）にＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏと ＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを溶解させた後、この溶液にピリジン系化合物を含む溶液を添加することができる。例えば、１５ｍＬの脱イオン水（または１５ｍＬエタノール）に、０．２５ｍｍｏｌのＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏと０．２５ｍｍｏｌのＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを溶解し、１．５ｍｍｏｌの２，２’－ビピリジン（または１．５ｍｍｏｌのフェナントロリン、１．０ｍｍｏｌのターピリジン）を１５ｍＬのエタノールに別々に溶解した後、２つの溶液を混合することができる。以降の工程は上記第１～第３の合成例と同様である。

【0069】

［ＦｅＣｏＰｔ／ｒＧＯの合成例］
ＦｅＣｏＰｔ化合物を８０ｍＬの脱イオン水に分散させる。前記ＦｅＣｏＰｔ化合物が分散した混合物を１０分間超音波処理し、２時間撹拌した後、１０ｍＬのＧＯ水溶液（４ｍｇ／ｍＬ）を滴下する。ＧＯ水溶液を滴下した混合物を２時間撹拌した後、凍結乾燥してＦｅＣｏＰｔ化合物をＧＯに吸着させる。ＧＯフォーム上にＦｅＣｏＰｔ化合物グレインを含む混合物を１００ｓｃｃｍのアルゴン流中で、６時間７００℃で熱処理し、熱処理中にＦｅＣｏＰｔ化合物のウェッティング及び分解がＧＯ表面で起こり、ｒＧＯ上に原子整列したＦｅＣｏＰｔ合金ナノ粒子（ＦｅＣｏＰｔ／ｒＧＯ）が形成される。

【0070】

［他の炭素支持体上でのＦｅＣｏＰｔナノ粒子の合成例］
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ、水中７～８ｗｔ％）上でのＦｅＣｏＰｔナノ粒子の合成は、ＧＯ溶液の代わりにＣＮＴ水溶液が滴下されることを除いて、ＦｅＣｏＰｔ／ｒＧＯと同様の方法で行われる。

【0071】

ケッチェンブラック（Ｋｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ、ＫＢ）及びバルカン（Ｖｕｌｃａｎ） ＸＣ（ＶＣ）上のＦｅＣｏＰｔナノ粒子の合成は、以下の方法で行われる。特定量のＦｅＣｏＰｔ化合物を８０ｍＬのイソプロパノール（またはエタノール）に分散させた後、溶液を１０分間超音波処理し、２時間撹拌する。５０ｍｇのＫＢまたはＶＣ粉末を、ＦｅＣｏＰｔ化合物を含む溶液に添加し、この混合物を１０分間超音波処理した後、２時間撹拌する。炭素支持体上にＦｅＣｏＰｔ化合物グレインを含有する混合物を回転蒸発によって得て、４０℃のオーブンで乾燥する。乾燥した粉末を粉砕した後、アルゴン雰囲気下で、７００℃で熱処理する。

【0072】

［ｒＧＯ上でのＦｅＣｏＰｔナノ粒子及びＣｏＮｉＰｔナノ粒子の合成例］
ＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ及びＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏの代わりにＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ及びＮｉＳＯ₄・６Ｈ₂Ｏを用いるか、ＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ及びＮｉＳＯ₄・６Ｈ₂Ｏを用いたことを除いては、ＦｅＣｏＰｔ化合物の合成と同様の方法でＦｅＮｉＰｔ化合物（例えば、［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］_x［Ｎｉ（ｂｐｙ）₃］_1-x［ＰｔＣｌ₆］，［Ｆｅ（ｐｈｅｎ）₃］_x［Ｎｉ（ｐｈｅｎ）₃］_1-x［ＰｔＣｌ₆］，［Ｆｅ（ｔｅｒｐｙ）₂］_x［Ｎｉ（ｔｅｒｐｙ）₂］_1-x［ＰｔＣｌ₆］）及びＣｏＮｉＰｔ化合物（例えば、［Ｃｏ（ｂｐｙ）₃］_x［Ｎｉ（ｂｐｙ）₃］_1-x［ＰｔＣｌ₆］、［Ｃｏ（ｐｈｅｎ）₃］_x［Ｎｉ（ｐｈｅｎ）₃］_1-x［ＰｔＣｌ₆］、［Ｃｏ（ｔｅｒｐｙ）₂］_x［Ｎｉ（ｔｅｒｐｙ）₂］_1-x［ＰｔＣｌ₆］）を形成することができる。ＦｅＮｉＰｔ／ｒＧＯ及びＣｏＮｉＰｔ／ｒＧＯの合成のための以降の工程は、ＦｅＣｏＰｔ／ｒＧＯの合成と同じである。

【0073】

図５は、［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］／ＧＯ、中間体、及びＦｅＰｔ／ｒＧＯのパウダーＸＲＤ分析結果を示し、図６は、［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］［ＰｔＣｌ₆］／ＧＯ、中間体、及びＦｅＰｔ／ｒＧＯのＦＴ－ＩＲ分析結果を示し、図７は、中間体におけるＣ、Ｐｔ、Ｆｅ原子の均一な分布を示すＳＴＥＭ－ＥＤＳマッピングイメージを示す。

【0074】

図５を参照すると、約５００℃で得られた中間体は、ＸＲＤパターンにおけるＦｅＰｔ化合物の結晶質の特徴がない滑らかな表面を示す。

【0075】

図６を参照すると、ＦＴ－ＩＲ（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）は、Ｃ－Ｏ及びＣ＝Ｃ官能基の進化と共に、ビピリジンリガンドの分解を示す中間体のさらなる構造情報を提供する。

【0076】

図７を参照すると、ＳＴＥＭ－ＥＤＳマッピングは、ＧＯにおけるＦｅＰｔ化合物の均一な分解を明確に示す。ＴＥＭ及びＳＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）イメージによって確認されたように、有意な凝集なしに均一なサイズの合金ナノ粒子が観察される。ナノ粒子表面のＮを含む炭素シェルは、高解像度ＳＴＥＭ及びＴＥＭイメージによって識別される。前記炭素シェルはビピリジンリガンドから誘導することができ、保護シェルとして機能し、７００℃での熱処理中の合金ナノ粒子の均一かつ安定した成長に寄与する。

【0077】

図８は、３７ｗｔ％ＦｅＰｔ／ｒＧＯのＸＲＤパターンを示し、図９は、３７ｗｔ％ＦｅＰｔ／ｒＧＯの磁気ヒステリシスループを表し、図１０は、３７ｗｔ％ＦｅＰｔ／ｒＧＯのＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭイメージと拡大イメージ及びＬ１₀－ＦｅＰｔナノ結晶のシミュレーションイメージを示し、図１１は、単一のＦｅＰｔナノ粒子（上部）及び３７ｗｔ％ＦｅＰｔ／ｒＧＯの高倍率領域（下部）のＳＴＥＭ－ＥＤＳイメージを示す。

【0078】

図８及び図９を参照すると、パウダーＸＲＤ分析と磁気分析を通じてＦｅＰｔナノ粒子の結晶構造を評価することができる。ＦｅＰｔナノ粒子のＸＲＤピークは、Ｌ１₀－ＦｅＰｔ上のＸＲＤピークとよく一致し、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｌ１₂－Ｆｅ₃Ｐｔ及びＬ１₂－ＦｅＰｔ₃などの他の相とは明らかに異なる。また、Ｌ１₀－ＦｅＰｔ上で強磁性は室温で２２．５ｋＯｅの高い保磁力で識別される。

【0079】

図１０を参照すると、Ｌ１₀－ＦｅＰｔナノ粒子の（００１）面に沿った層別原子配置は、ＦｅとＰｔ原子との間の大きな差で明確に区別される。原子イメージのＦＦＴ（ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）パターンはまた、Ｌ１₀－ＦｅＰｔ上に面中心正方晶結晶構造が明らかであることを示す。

【0080】

図１１を参照すると、ＦｅＰｔナノ粒子におけるＦｅ及びＰｔ原子の均一な分布は、ＥＤＳ単一粒子マッピングによって明らかにされる。また、拡大されたＥＤＳマッピングは、Ｆｅ及びＰｔ原子の層別分布を示す。

【0081】

したがって、ＦｅＰｔ化合物の均一な１：１のＦｅ対Ｐｔ原子比は、ＸＲＤ、磁氣測定、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭイメージング、及びＥＤＳマッピングによって実証されるように、ｒＧＯ上に合金ナノ粒子を形成した後に原子的に整列した方法で維持される。

【0082】

図１２は、２４ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯのＴＥＭイメージを示し、図１３は、３７ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯのＴＥＭイメージを示す。図１２及び図１３に挿入図はＦｅＰｔナノ粒子のサイズ分布を示す。

【0083】

図１４は、ＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のＯＲＲ分極曲線を示し、図１５は、ＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のターフェルプロットを示す。

【0084】

図１４及び図１５を参照すると、ＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒は優れたＯＲＲ活性を示し、Ｋｏｕｔｅｃｈｙ－Ｌｅｖｉｃｈ方程式から計算された反応電流密度はターフェルプロットで比較される。全ての領域において、ＦｅＰｔ／ｒＧＯのＬ１₀－ＦｅＰｔ合金ナノ粒子は、Ｐｔ／Ｃより高い反応電流密度を示す。

【0085】

図１６は、ＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のＥＣＳＡを示し、図１７は、ＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒の単位重量当たりの活性及び単位面積当たりの活性を示す。

【0086】

図１６を参照すると、ＣＯ分子の酸化電荷に基づいて計算された電気化学表面積（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ，ＥＣＳＡ）値をＨ_updに基づく値と比較した。ＥＣＳＡ_CO値は、２４ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯ及び３７ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯに対して５３．４及び４５．７ｍ²／ｇ_Ptであり、粒子サイズが大きいため、Ｐｔ／Ｃよりそれぞれ３２及び４１％低い。

【0087】

図１７を参照すると、０．９Ｖで２４ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯ及び３７ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯの単位重量当たりの活性は１．１８及び１．９６Ａ／ｍｇ_Ptと計算され、これは商用Ｐｔ／Ｃよりそれぞれ６．９倍及び１１．５倍高い。１５％低いＥＣＳＡ値にもかかわらず、３７ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯの単位重量当たりの活性は、２４ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯの単位重量当たりの活性より６６％高い。これは、３７ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯでより高いレベルのＦｅ－Ｐｔ原子整列に起因する可能性がある。Ｐｔ合金表面に対する改善されたＯＲＲ活性は、Ｐｔと遷移金属原子との間の強化された電子相互作用に起因する。

【0088】

３７ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯで、高レベルの原子整列はＰｔとＦｅの間のリガンド効果を最大にし、ＯＲＲ単位面積当たりの活性をはるかに高めることができる。０．９Ｖにおける２４ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯ及び３７ｗｔ％－ＦｅＰｔ／ｒＧＯの単位面積当たりの活性は２．２１及び４．１ｍＡ／ｃｍ_Pt ²であり、これは商用Ｐｔ／Ｃよりそれぞれ１０．２倍及び１８．８倍高い。

【0089】

図１８は、ＡＤＴ（２０，０００サイクル）前後のＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のＯＲＲ分極曲線を示し、図１９は、ＡＤＴ（２０，０００サイクル）前後のＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のターフェルプロットを示し、図２０は、ＡＤＴ（２０，０００サイクル）前後のＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒のＥＣＳＡを示し、図２１は、ＡＤＴ（２０，０００サイクル）前後のＦｅＰｔ／ｒＧＯ触媒及びＰｔ／Ｃ触媒の単位重量当たりの活性及び単位面積当たりの活性を示す。

【0090】

図１８乃至図２１を参照すると、ＦｅＰｔ／ｒＧＯの長期安定性を評価するために、Ａｒ飽和条件下で２０，０００サイクルの間、０．６と１．０Ｖの間で電極をサイクルすることによってＡＤＴ（ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ）を行った。ＡＤＴ後、ＦｅＰｔ／ｒＧＯはＣＶ曲線にほとんど変化を示さず、Ｐｔ／ＣのＨ_upd領域は大幅に減少する。Ｐｔ／Ｃと比較してＦｅＰｔ／ｒＧＯの強い安定性は、ＯＲＲ分極曲線とターフェルプロットによっても確認できる。ＡＤＴ後、Ｐｔ／ＣのＥＣＳＡは３０％減少したが、ＦｅＰｔ／ｒＧＯサンプルのＥＣＳＡは４～７％わずかに増加した。単位重量当たりの活性及び単位面積当たりの活性に関して、Ｐｔ／Ｃは、ＡＤＴ後にそれぞれ６０％及び４４％の深刻な低下を示す。しかしながら、ＦｅＰｔ／ｒＧＯの単位重量当たりの活性はわずかに増加するが、単位面積当たりの活性はＡＤＴ後にほとんど変化がない。３つの異なる部位に対するＴＥＭ分析及びＥＤＳマッピングから、粒子－粒子凝集およびＦｅ－溶解を引き起こす過酷なＡＤＴ条件下でのＦｅＰｔナノ粒子の安定性をさらに確認することができた。従って、Ｎを含有する炭素シェルとＦｅＰｔナノ粒子内部の高度の原子間配列が本発明の実施例により合成されたＦｅＰｔ／ｒＧＯナノ触媒の安定性に寄与する主要要素となる。

【0091】

図２２は、ＮｉＰｔ／ｒＧＯ（４６ｗｔ％）のＴＥＭイメージを示し、図２３は、ＮｉＰｔ／ｒＧＯ（４６ｗｔ％）のＳＴＥＭ－ＥＤＳイメージを示す。図２４は、ＣｏＰｔ／ｒＧＯ（２２ｗｔ％）のＴＥＭイメージを示し、図２５は、ＣｏＰｔ／ｒＧＯ（２２ｗｔ％）のＳＴＥＭ－ＥＤＳイメージを示す。図２６は、ＮｉＰｔ／ｒＧＯ及びＣｏＰｔ／ｒＧＯのパウダーＸＲＤパターンを示し、図２７は、ＮｉＰｔ／ｒＧＯ及びＣｏＰｔ／ｒＧＯのＯＲＲ分極曲線を示す。

【0092】

図２２乃至図２７を参照すると、［Ｆｅ（ｂｐｙ）₃］²⁺の代わりに［Ｎｉ（ｂｐｙ）₃］²⁺又は［Ｃｏ（ｂｐｙ）₃］²⁺を用いて他の白金合金ナノ粒子を形成することができる。

【0093】

ＮｉＰｔ化合物及びＣｏＰｔ化合物は、ＦｅＰｔ化合物と同じアニーリング条件でｒＧＯ上でＮｉＰｔ及びＣｏＰｔナノ粒子にそれぞれ熱分解される。ＮｉＰｔ／ｒＧＯ及びＣｏＰｔ／ｒＧＯのＴＥＭ及びＳＴＥＭ－ＥＤＳイメージにおいて、ＦｅＰｔ／ｒＧＯの場合と同様に、ＮｉＰｔ及びＣｏＰｔ合金ナノ結晶がｒＧＯに均一に形成される。バイメタル合金構造はＸＲＤパターンによって確認され、ＮｉＰｔ／ｒＧＯ（４６ｗｔ％）及びＣｏＰｔ／ｒＧＯ（２２ｗｔ％）のＯＲＲ活性は優れていると測定された。

【0094】

以上、本発明の具体的な実施例について考察した。本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明が本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で変形した形態で具現できることを理解することができるであろう。したがって、開示された実施例は限定的な観点ではなく、説明的な観点で考慮されるべきである。本発明の範囲は前述した説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等の範囲内にあるすべての差異点は本発明に含まれるものと解釈されるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0095】

本発明の実施例による合金ナノ粒子及び合金ナノ触媒は優れた性能を有することができる。例えば、前記合金ナノ粒子及び前記合金ナノ触媒は優れた活性及び安定性を有することができる。前記合金ナノ粒子及び前記合金ナノ触媒は、簡単な工程で容易に形成されることができる。前記合金ナノ触媒は優れたＯＲＲ（ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）活性を有し、電気触媒として使用することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【国際調査報告】