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JP6301705B2 - Method for supporting manganese dioxide and method for producing porous ceramic member - Google Patents
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JP6301705B2 - Method for supporting manganese dioxide and method for producing porous ceramic member - Google Patents

Method for supporting manganese dioxide and method for producing porous ceramic member Download PDF

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Description

本発明は、多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる技術に関する。   The present invention relates to a technique for supporting manganese dioxide on a porous ceramic member.

従来より、燃料電池、アルカリマンガン乾電池、硫黄酸化物吸着剤等のように、二酸化マンガン(MnO)を触媒として利用する様々なデバイスや材料が存在する。また、二酸化マンガンは、アルコールの酸化、一酸化炭素の酸化、NOxの還元等の多様な用途の触媒としても使用される。 Conventionally, there are various devices and materials that use manganese dioxide (MnO 2 ) as a catalyst, such as fuel cells, alkaline manganese dry cells, and sulfur oxide adsorbents. Manganese dioxide is also used as a catalyst for various applications such as alcohol oxidation, carbon monoxide oxidation, and NOx reduction.

二酸化マンガンは、α型、β型、γ型、δ型等の多くの種類のトンネル構造や層状構造を有する結晶相が存在することで知られている。所望の結晶構造を有する二酸化マンガンは、作り分けることが可能である。例えば、β−MnOは硝酸マンガンの熱分解等によって合成される。β−MnOは、二酸化マンガン中最も安定した結晶である。γ−MnOは電解法で工業的に製造され、化学的に活性なものが多く、乾電池の正極物質に適している。 Manganese dioxide is known to have crystal phases having many types of tunnel structures and layered structures such as α-type, β-type, γ-type, and δ-type. Manganese dioxide having a desired crystal structure can be made separately. For example, β-MnO 2 is synthesized by thermal decomposition of manganese nitrate or the like. β-MnO 2 is the most stable crystal in manganese dioxide. γ-MnO 2 is industrially produced by an electrolytic method, and many of them are chemically active, and is suitable for a positive electrode material of a dry battery.

なお、特許文献1に開示される金属空気電池では、正極触媒層に、β型の結晶構造を有する二酸化マンガンが利用される。特許文献1では、正極触媒層の形成が、スラリーコート法および焼成、水熱合成法、CVDまたはPVD等により行われる点に言及されているが、その詳細は開示されていない。   In the metal-air battery disclosed in Patent Document 1, manganese dioxide having a β-type crystal structure is used for the positive electrode catalyst layer. Patent Document 1 mentions that the formation of the positive electrode catalyst layer is performed by a slurry coating method and firing, a hydrothermal synthesis method, CVD, PVD, or the like, but details thereof are not disclosed.

特開2011−253789号公報JP 2011-253789 A

ところで、多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる場合、粉末の二酸化マンガンを含むインクやスラリーを多孔質セラミック部材に塗布する方法が考えられる。しかし、このような方法では、触媒層が厚くなり、多孔質セラミック部材のガス透過性が大幅に低下する。   By the way, when carrying a manganese dioxide on a porous ceramic member, the method of apply | coating the ink and slurry containing powdered manganese dioxide to a porous ceramic member can be considered. However, in such a method, a catalyst layer becomes thick and the gas permeability of a porous ceramic member falls significantly.

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ガス透過性の低下を抑制しつつ多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させることを目的としている。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to support manganese dioxide on a porous ceramic member while suppressing a decrease in gas permeability.

請求項1に記載の発明は、多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる二酸化マンガン担持方法であって、a)耐圧容器内において、マンガン原子を含む多孔質セラミック部材を、過マンガン酸カリウムの濃度が0.014mol/L以上0.14mol/L以下であり、硫酸マンガンの濃度が0.07mol/L以下である水溶液に浸漬する工程と、b)前記a)工程の後に、前記耐圧容器内にて前記水溶液を加熱し、水熱合成法により前記多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる工程と、を備える。 The invention according to claim 1 is a manganese dioxide supporting method for supporting manganese dioxide on a porous ceramic member, wherein a) a porous ceramic member containing manganese atoms in a pressure-resistant container has a concentration of potassium permanganate. Is immersed in an aqueous solution of 0.014 mol / L or more and 0.14 mol / L or less and the concentration of manganese sulfate is 0.07 mol / L or less, and b) after the step a), Heating the aqueous solution, and supporting manganese dioxide on the porous ceramic member by a hydrothermal synthesis method.

請求項に記載の発明は、請求項に記載の二酸化マンガン担持方法であって、前記a)工程における前記水溶液において、過マンガン酸カリウムに対する硫酸マンガンのモル比が、0.35以上1.36以下である。 Invention of Claim 2 is the manganese dioxide carrying | support method of Claim 1 , Comprising: In the said aqueous solution in the said a process, the molar ratio of manganese sulfate with respect to potassium permanganate is 0.35 or more. 36 or less.

請求項に記載の発明は、請求項1または2に記載の二酸化マンガン担持方法であって、前記多孔質セラミック部材の材質が、ランタン・ストロンチウム・マンガナイト(LSM)、ランタン・ストロンチウム・マンガン・鉄酸化物(LSMF)またはランタン・ストロンチウム・コバルト・マンガン・鉄酸化物(LSCMF)である。 The invention according to claim 3 is the manganese dioxide supporting method according to claim 1 or 2 , wherein the material of the porous ceramic member is lanthanum / strontium / manganite (LSM), lanthanum / strontium / manganese / Iron oxide (LSMF) or lanthanum / strontium / cobalt / manganese / iron oxide (LSCMF).

請求項に記載の発明は、多孔質セラミック部材の製造方法であって、請求項1ないしのいずれかに記載の二酸化マンガン担持方法にて二酸化マンガン担持させる工程を含むThe invention of claim 4 is a method for producing a porous ceramic member, comprising the step of supporting the manganese dioxide in the manganese dioxide loading method according to any one of claims 1 to 3.

請求項に記載の発明は、多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる二酸化マンガン担持方法であって、a)マンガン原子を含まない多孔質セラミック部材を、過マンガン酸カリウム水溶液に浸漬させた後、乾燥させる工程と、b)前記a)工程の前または後に、前記多孔質セラミック部材を、硫酸マンガン水溶液に浸漬させた後、乾燥させる工程と、c)前記a)およびb)工程の後に、耐圧容器内において、前記多孔質セラミック部材を、過マンガン酸カリウムを溶解させた水溶液に浸漬する工程と、d)前記c)工程の後に、前記耐圧容器内にて前記水溶液を加熱し、水熱合成法により前記多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる工程とを備える。 The invention according to claim 5 is a manganese dioxide supporting method for supporting manganese dioxide on a porous ceramic member, after a) immersing the porous ceramic member not containing manganese atoms in an aqueous potassium permanganate solution. A step of drying, b) before or after the step a), the porous ceramic member is immersed in a manganese sulfate aqueous solution and then dried, and c) after the steps a) and b), Dipping the porous ceramic member in an aqueous solution in which potassium permanganate is dissolved in the pressure vessel; d) after the step c), heating the aqueous solution in the pressure vessel, And a step of supporting manganese dioxide on the porous ceramic member by a synthesis method.

請求項に記載の発明は、請求項に記載の二酸化マンガン担持方法であって、前記c)工程における前記水溶液に、硫酸マンガンがさらに溶解している。 A sixth aspect of the present invention is the manganese dioxide supporting method according to the fifth aspect , wherein manganese sulfate is further dissolved in the aqueous solution in the step c).

請求項に記載の発明は、請求項に記載の二酸化マンガン担持方法であって、前記c)工程における前記水溶液において、過マンガン酸カリウムに対する硫酸マンガンのモル比が、0.35以上1.36以下である。 The invention according to claim 7 is the manganese dioxide supporting method according to claim 6 , wherein in the aqueous solution in the step c), the molar ratio of manganese sulfate to potassium permanganate is 0.35 or more and 1. 36 or less.

請求項に記載の発明は、請求項ないしのいずれかに記載の二酸化マンガン担持方法であって、前記多孔質セラミック部材の材質が、アルミナ、コージェライト、ジルコニア、ムライトまたはシリカである。 The invention according to claim 8 is the manganese dioxide supporting method according to any one of claims 5 to 7 , wherein the material of the porous ceramic member is alumina, cordierite, zirconia, mullite or silica.

請求項に記載の発明は、多孔質セラミック部材の製造方法であって、請求項ないしのいずれかに記載の二酸化マンガン担持方法にて二酸化マンガン担持させる工程を含むThe invention of claim 9 is a method for producing a porous ceramic member, comprising the step of supporting the manganese dioxide in the manganese dioxide loading method according to any one of claims 5 to 8.

本発明では、ガス透過性の低下を抑制しつつ多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させることができる。   In the present invention, manganese dioxide can be supported on the porous ceramic member while suppressing a decrease in gas permeability.

多孔質セラミック部材への二酸化マンガンの担持方法の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the supporting method of manganese dioxide to a porous ceramic member. 前処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of pre-processing. 実施例1におけるSEM画像を示す図である。3 is a diagram showing an SEM image in Example 1. FIG. 実施例2におけるSEM画像を示す図である。6 is a diagram showing an SEM image in Example 2. FIG. 比較例1におけるSEM画像を示す図である。10 is a diagram showing an SEM image in Comparative Example 1. FIG. 比較例2におけるSEM画像を示す図である。10 is a diagram showing an SEM image in Comparative Example 2. FIG. 実施例11におけるSEM画像を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an SEM image in Example 11. 金属空気二次電池の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a metal air secondary battery.

図1は、本発明の一の実施の形態に係る、多孔質セラミック部材への二酸化マンガンの担持方法の流れを示す図である。   FIG. 1 is a diagram showing a flow of a method for supporting manganese dioxide on a porous ceramic member according to one embodiment of the present invention.

まず、反応液として、過マンガン酸カリウム(KMnO)および硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)を溶解させた水溶液が調製される(ステップS11)。硫酸マンガンは、五水和物には限定されない。次に、反応液は耐圧容器に貯溜され、反応液に多孔質セラミック部材が浸漬される(ステップS12)。もちろん、多孔質セラミック部材が耐圧容器内に配置された後に、反応液が耐圧容器内に注入されてもよい。 First, an aqueous solution in which potassium permanganate (KMnO 4 ) and manganese sulfate pentahydrate (MnSO 4 .5H 2 O) are dissolved is prepared as a reaction solution (step S11). Manganese sulfate is not limited to pentahydrate. Next, the reaction solution is stored in a pressure vessel, and the porous ceramic member is immersed in the reaction solution (step S12). Of course, the reaction liquid may be injected into the pressure vessel after the porous ceramic member is disposed in the pressure vessel.

多孔質セラミック部材としては、マンガン原子を含むものが用いられる。例えば、多孔質セラミック部材の材質は、ペロブスカイト型酸化物として、ランタン・ストロンチウム・マンガナイト(LSM)、ランタン・ストロンチウム・マンガン・鉄酸化物(LSMF)、ランタン・ストロンチウム・コバルト・マンガン・鉄酸化物(LSCMF)等である。多孔質セラミック部材の形状は、どのようなものであってもよい。後述の実施例では、多孔質セラミック部材は円筒状であるが、ハニカムやモノリス状であってもよい。   As the porous ceramic member, one containing manganese atoms is used. For example, the material of the porous ceramic member is a lanthanum, strontium, manganite (LSM), lanthanum, strontium, manganese, iron oxide (LSMF), lanthanum, strontium, cobalt, manganese, iron oxide as perovskite type oxides. (LSCMF). The shape of the porous ceramic member may be anything. In the examples described later, the porous ceramic member is cylindrical, but may be honeycomb or monolithic.

耐圧容器は密閉され、耐圧容器内にて反応液が加熱される。耐圧容器内は加熱および加圧環境となる(ステップS13)。その結果、水熱合成により、多孔質セラミック部材の表面に二酸化マンガンの結晶が担持される。反応式は、
2MnO +3Mn2++2HO→5MnO+4H
にて示される。
The pressure vessel is sealed and the reaction solution is heated in the pressure vessel. The pressure vessel is heated and pressurized (step S13). As a result, manganese dioxide crystals are supported on the surface of the porous ceramic member by hydrothermal synthesis. The reaction formula is
2MnO 4 + 3Mn 2+ + 2H 2 O → 5MnO 2 + 4H +
It is indicated by.

常温常圧にて過マンガン酸カリウムと硫酸マンガンとを溶解させるのみでは、結晶性の低い二酸化マンガンの沈殿物しか得られないが、上記のように水熱合成法を利用することにより、多孔質セラミック部材に結晶性の高い二酸化マンガンが担持される。水熱合成では、必要に応じて耐圧容器を遥動させてもよい。   Only by dissolving potassium permanganate and manganese sulfate at room temperature and normal pressure, only precipitates of manganese dioxide with low crystallinity can be obtained, but by using the hydrothermal synthesis method as described above, it becomes porous. Highly crystalline manganese dioxide is supported on the ceramic member. In hydrothermal synthesis, the pressure vessel may be swung as necessary.

水熱合成における反応温度は120℃以上200℃以下が望ましく、140℃以上180℃以下がより好ましい。低温で合成した場合、所望の結晶構造を得るまでにより長い反応時間が必要となる。しかし、急激な反応を抑えることができるため、多孔質セラミック部材に均一に二酸化マンガンを担持させることができる。反応温度が120℃以下の場合、反応速度が遅いため、長時間の加熱が必要となり不経済かつ非効率的となる。反応温度が200℃以上の場合、反応速度が速過ぎるために均一な触媒の担持が困難となる。また、耐圧容器も高価となる。反応時間は、好ましくは、6時間以上24時間以下である。   The reaction temperature in hydrothermal synthesis is preferably 120 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and more preferably 140 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. When synthesized at a low temperature, a longer reaction time is required until a desired crystal structure is obtained. However, since a rapid reaction can be suppressed, manganese dioxide can be uniformly supported on the porous ceramic member. When the reaction temperature is 120 ° C. or lower, since the reaction rate is slow, heating for a long time is required, which is uneconomical and inefficient. When the reaction temperature is 200 ° C. or higher, the reaction rate is too high, and it becomes difficult to carry a uniform catalyst. In addition, the pressure vessel is also expensive. The reaction time is preferably 6 hours or more and 24 hours or less.

後述するように、反応液の条件、並びに、温度、時間等の水熱合成条件を変えることにより、α型、β型、γ型等の所望の二酸化マンガンを多孔質セラミック部材に担持させることが可能となる。   As described later, by changing the conditions of the reaction solution and the hydrothermal synthesis conditions such as temperature and time, desired manganese dioxide such as α-type, β-type, and γ-type can be supported on the porous ceramic member. It becomes possible.

多孔質セラミック部材が二酸化マンガンの合成の際に核となるマンガン原子を含まない場合、水熱合成の前に前処理が行われる。図2は、前処理の流れを示す図である。前処理後の作業は図1と同様である。前処理が行われる場合の多孔質セラミック部材の材料としては、例えば、アルミナ(Al)、コージェライト(2MgO・2Al・5SiO等)、ジルコニア(ZrO)、ムライト(3Al・2SiO)、シリカ(SiO)等を挙げることができる。さらには、ペロブスカイト型酸化物として、ランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄酸化物(LSCF)を例示することができる。 In the case where the porous ceramic member does not contain manganese atoms as a nucleus during the synthesis of manganese dioxide, a pretreatment is performed before the hydrothermal synthesis. FIG. 2 is a diagram showing the flow of preprocessing. The work after the pre-processing is the same as in FIG. Examples of the material of the porous ceramic member when the pretreatment is performed include alumina (Al 2 O 3 ), cordierite (2MgO · 2Al 2 O 3 · 5SiO 2 etc.), zirconia (ZrO 2 ), mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) and silica (SiO 2 ). Furthermore, examples of the perovskite oxide include lanthanum, strontium, cobalt, and iron oxide (LSCF).

前処理では、多孔質セラミック部材に二酸化マンガンの前駆体を付着させる。まず、前処理液として、第1前処理液と第2前処理液とが調製される(ステップS21)。第1前処理液は、硫酸マンガン水溶液であり、第2前処理液は、過マンガン酸カリウム水溶液である。第1前処理液が、過マンガン酸カリウム水溶液であり、第2前処理液が、硫酸マンガン水溶液であってもよい。   In the pretreatment, a precursor of manganese dioxide is attached to the porous ceramic member. First, a first pretreatment liquid and a second pretreatment liquid are prepared as pretreatment liquids (step S21). The first pretreatment liquid is an aqueous manganese sulfate solution, and the second pretreatment liquid is an aqueous potassium permanganate solution. The first pretreatment liquid may be a potassium permanganate aqueous solution, and the second pretreatment liquid may be a manganese sulfate aqueous solution.

前処理液が準備されると、多孔質セラミック部材は、第1前処理液に浸漬されて引き上げられ(ステップS22)、乾燥される(ステップS23)。次に、第2前処理液に浸漬されて引き上げられ(ステップS24)、乾燥される(ステップS25)。これにより、多孔質セラミック部材の表面(多孔質の空隙内の表面を含む。)に二酸化マンガンの前駆体が付着する。その後、図1のステップS11以降が実行されることにより、多孔質セラミック部材に二酸化マンガンが担持される。   When the pretreatment liquid is prepared, the porous ceramic member is dipped in the first pretreatment liquid, pulled up (step S22), and dried (step S23). Next, it is immersed in the second pretreatment liquid and pulled up (step S24) and dried (step S25). Thereby, the precursor of manganese dioxide adheres to the surface of the porous ceramic member (including the surface in the porous void). Thereafter, step S11 and subsequent steps in FIG. 1 are executed, whereby manganese dioxide is supported on the porous ceramic member.

(実施例1)
多孔質セラミック部材として、多孔質アルミナの円筒部材を用いた。多孔質セラミック部材は、長さ70mm、外径16mm、内径12mmである。前処理を行ってから水熱合成を行った。
Example 1
A porous alumina cylindrical member was used as the porous ceramic member. The porous ceramic member has a length of 70 mm, an outer diameter of 16 mm, and an inner diameter of 12 mm. Hydrothermal synthesis was performed after pretreatment.

まず、0.34M−KMnO水溶液(以下、「A液」という。)と、0.47M−MnSO水溶液(以下、「B液」という。)とを準備した。試薬には、過マンガン酸カリウム(キシダ化学、特級、型番:000-63915)および硫酸マンガン五水和物(キシダ化学、特級、型番:000-47525)を用いた。 First, a 0.34M-KMnO 4 aqueous solution (hereinafter referred to as “A 1 solution”) and a 0.47M-MnSO 4 aqueous solution (hereinafter referred to as “B 1 solution”) were prepared. As the reagent, potassium permanganate (Kishida Chemical, special grade, model number: 000-63915) and manganese sulfate pentahydrate (Kishida Chemical, special grade, model number: 000-47525) were used.

前処理では、A液を第1前処理液とし、B液を第2前処理液とした。多孔質セラミック部材を、第1前処理液に1分間浸漬させ、室温乾燥を30分、100℃乾燥を1時間実施した後、第2前処理液に1分間浸漬させ、室温乾燥を30分、100℃乾燥を1時間実施した。 In pretreatment, the A 1 was the first pretreatment solution, the B 1 liquid was second pretreatment solution. The porous ceramic member is immersed in the first pretreatment liquid for 1 minute, room temperature drying is performed for 30 minutes, and 100 ° C. drying is performed for 1 hour. Drying at 100 ° C. was performed for 1 hour.

水熱合成に用いた反応液は、A液、B液、共洗い用のイオン交換水を2:2:1の割合で混合して調製した。このとき、A液にB液を撹拌しながら滴下混合した後、B液の入っていたビーカを所定量のイオン交換水で共洗いし、A液とB液の混合溶液に共洗いしたイオン交換水を滴下混合した。30分攪拌させた溶液を反応液とした。最終的な濃度は、0.14M−KMnOおよび0.19M−MnSOとなり、B液とA液の濃度比(B液/A液)は1.36である。水熱合成条件は、反応温度140℃、反応時間12時間である。 The reaction solution used for hydrothermal synthesis was prepared by mixing A 1 solution, B 1 solution, and ion-exchanged water for co-washing at a ratio of 2: 2: 1. At this time, was added dropwise a mixture with stirring B 1 liquid A 1 solution, the beaker was filled with B 1 was washed co a predetermined amount of ion-exchanged water, a mixed solution of A 1 solution and B 1 liquid The co-washed ion exchange water was added dropwise. The solution stirred for 30 minutes was used as a reaction solution. The final concentrations are 0.14M-KMnO 4 and 0.19M-MnSO 4 , and the concentration ratio of B 1 solution to A 1 solution (B solution / A solution) is 1.36. Hydrothermal synthesis conditions are a reaction temperature of 140 ° C. and a reaction time of 12 hours.

水熱合成で得られた残渣を水洗、乾燥させた粉末をX線回折(XRD:X-ray Diffraction)にて調べたところ、α−MnOであることが判明した。BET比表面積は81.79m/g、重量増加率は0.01%であった。Nガス透過量は3,117m/(m・h・atm)から2,684m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.73であった。ガス透過量は、予め定められた圧力時の流量を面積で除算することにより求めた。 The powder obtained by washing and drying the residue obtained by hydrothermal synthesis was examined by X-ray diffraction (XRD) and found to be α-MnO 2 . The BET specific surface area was 81.79 m 2 / g, and the weight increase rate was 0.01%. The N 2 gas permeation amount decreased from 3,117 m 3 / (m 2 · h · atm) to 2,684 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.73. The gas permeation amount was obtained by dividing the flow rate at a predetermined pressure by the area.

図3は、反応後の多孔質セラミック部材のSEM画像である。多孔質セラミック部材のアルミナ粒子表面に二酸化マンガンが担持されている。ややアルミナ粒子同士の隙間に多く担持されており、これは、アルミナ粒子の隙間に前処理液が溜まり易いためであると考えられる。   FIG. 3 is an SEM image of the porous ceramic member after the reaction. Manganese dioxide is supported on the alumina particle surface of the porous ceramic member. It is considered that this is because the pretreatment liquid is likely to be accumulated in the gaps between the alumina particles.

(実施例2)
前処理では、B液を第1前処理液とし、A液を第2前処理液とした。すなわち、多孔質セラミック部材をB液に1分間浸漬させ、室温乾燥を30分、100℃乾燥を1時間実施した後、A液に1分間浸漬させ、室温乾燥を30分、100℃乾燥を1時間実施した。多孔質セラミック部材の材質および反応液、並びに、水熱合成条件は、実施例1と同じである。
(Example 2)
In pretreatment, the B 1 was the first pretreatment solution, was A 1 liquid and the second pretreatment solution. That is, the porous ceramic member B 1 liquid immersed for 1 minute, 30 minutes at room temperature drying, after performing 100 ° C. dried 1 hour, was immersed for 1 minute in A 1 solution, 30 minutes at room temperature drying, 100 ° C. Drying For 1 hour. The material of the porous ceramic member, the reaction solution, and the hydrothermal synthesis conditions are the same as in Example 1.

XRD測定により、残渣はα−MnOであることが判明した。BET比表面積は80.68m/g、重量増加率は0.66%であった。Nガス透過量は3,431m/(m・h・atm)から1,839m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.54であった。 The residue was found to be α-MnO 2 by XRD measurement. The BET specific surface area was 80.68 m 2 / g, and the weight increase rate was 0.66%. The N 2 gas permeation amount decreased from 3,431 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,839 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.54.

図4は、反応後の多孔質セラミック部材のSEM画像である。多孔質セラミック部材のアルミナ粒子表面に二酸化マンガンが担持されている。実施例1と同様に、ややアルミナ粒子同士の隙間に多く担持されており、これは、アルミナ粒子の隙間に前処理液が溜まり易いためであると考えられる。   FIG. 4 is an SEM image of the porous ceramic member after the reaction. Manganese dioxide is supported on the alumina particle surface of the porous ceramic member. Similar to Example 1, it is supported a little in the gaps between the alumina particles, which is presumably because the pretreatment liquid easily collects in the gaps between the alumina particles.

実施例1よりも実施例2の方が二酸化マンガンが多く担持された。これは、硫酸マンガンよりも過マンガン酸カリウムの方が溶解しやすいため、先に過マンガン酸カリウム水溶液に多孔質セラミック部材を浸漬させると、乾燥させたとしても硫酸マンガン水溶液に浸漬させた時に過マンガン酸カリウムが再溶解するためと考えられる。   More manganese dioxide was supported in Example 2 than in Example 1. This is because potassium permanganate is easier to dissolve than manganese sulfate. Therefore, if the porous ceramic member is immersed in the potassium permanganate aqueous solution first, it is excessive when it is immersed in the manganese sulfate aqueous solution even if it is dried. This is probably because potassium manganate is redissolved.

(比較例1)
比較例1では、前処理を行わない点を除き、多孔質セラミック部材の材質および反応液、並びに、水熱合成条件は実施例1と同様である。ただし、比較例1においてのみ、反応液調製時に、B液にA液を滴下混合している。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the material of the porous ceramic member, the reaction liquid, and the hydrothermal synthesis conditions are the same as in Example 1 except that no pretreatment is performed. However, only in Comparative Example 1, on reaction solution preparation, which was added dropwise a mixture of A 1 solution B 1 liquid.

反応液中に得られた残渣をXRD測定したところ、α−MnOであることが判明した。また、BET比表面積は80.98m/g、重量増加率は−0.56%であった。Nガス透過量は2,860m/(m・h・atm)から3,038m/(m・h・atm)へ増加し、ガス透過量変化率は1.06であった。重量減少は、二酸化マンガンが担持されなかったことの他に、反応開始前の反応液が酸性であるため、アルミナ中の焼結助剤等が溶解したために生じたものと思われる。反応液のpHは反応前後で1.79から1.62へ変化した。 When the residue obtained in the reaction solution was subjected to XRD measurement, it was found to be α-MnO 2 . Further, the BET specific surface area was 80.98 m 2 / g, and the weight increase rate was −0.56%. The N 2 gas permeation amount increased from 2,860 m 3 / (m 2 · h · atm) to 3,038 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 1.06. The decrease in weight is considered to be caused by the fact that manganese dioxide was not supported and the reaction solution before the start of the reaction was acidic, so that the sintering aid in alumina was dissolved. The pH of the reaction solution changed from 1.79 to 1.62 before and after the reaction.

図5は、反応後の多孔質セラミック部材のSEM画像である。SEM画像からも、前処理を行わない場合、アルミナ粒子表面に二酸化マンガンが担持されていないことがわかる。   FIG. 5 is an SEM image of the porous ceramic member after the reaction. From the SEM image, it can be seen that manganese dioxide is not supported on the surface of the alumina particles when the pretreatment is not performed.

(実施例3)
多孔質セラミック部材として、多孔質LSMペロブスカイト型酸化物の円筒部材を用いた。前処理は実施せず、水熱合成のみを実施した。
(Example 3)
As the porous ceramic member, a cylindrical member of porous LSM perovskite oxide was used. No pretreatment was performed, and only hydrothermal synthesis was performed.

水熱合成に用いた反応液は、0.034M−KMnO水溶液(以下、「A液」という。)、0.047M−MnSO水溶液(以下、「B液」という。)、共洗い用のイオン交換水を2:2:1の割合で混合して調製した。A液にB液を滴下混合した後、B液の入っていたビーカを所定量のイオン交換水で共洗いし、A液とB液の混合溶液に共洗いしたイオン交換水を滴下混合した。30分攪拌させた溶液を反応液とした。最終的な濃度は、0.014M−KMnOおよび0.019M−MnSOとなり、B液とA液の濃度比(B液/A液)は1.36である。水熱合成条件は、反応温度140℃、反応時間12時間である。実施例3並びに後述の実施例4ないし11では、水熱合成時に耐圧容器に振動を与えている。 The reaction liquid used for the hydrothermal synthesis was 0.034M-KMnO 4 aqueous solution (hereinafter referred to as “A 2 liquid”), 0.047M-MnSO 4 aqueous solution (hereinafter referred to as “B 2 liquid”), co-washing. Ion exchange water for mixing was prepared at a ratio of 2: 2: 1. After the B 2 liquid is dropped and mixed into the A 2 liquid, the beaker containing the B 2 liquid is washed with a predetermined amount of ion exchange water, and the ion exchange water is washed with a mixed solution of the A 2 liquid and the B 2 liquid. Were mixed dropwise. The solution stirred for 30 minutes was used as a reaction solution. The final concentrations are 0.014M-KMnO 4 and 0.019M-MnSO 4 , and the concentration ratio of B 2 solution to A 2 solution (B solution / A solution) is 1.36. Hydrothermal synthesis conditions are a reaction temperature of 140 ° C. and a reaction time of 12 hours. In Example 3 and Examples 4 to 11 to be described later, the pressure vessel is vibrated during hydrothermal synthesis.

XRD測定により、残渣はα型とγ型の混晶二酸化マンガンであることが判明した。BET比表面積は69.06m/g、重量増加率は−0.42%であった。Nガス透過量は1,982m/(m・h・atm)から1,147m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.58であった。重量減少は、反応開始前の反応液が酸性であるため、担持された二酸化マンガン以上にLSMが溶解したためと思われる(以下の重量減少を伴う他の実施例において同様)。反応液のpHは反応前後で2.11から3.59へ変化した。 XRD measurement revealed that the residue was α-type and γ-type mixed crystal manganese dioxide. The BET specific surface area was 69.06 m 2 / g, and the weight increase rate was −0.42%. The N 2 gas permeation amount decreased from 1,982 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,147 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.58. The decrease in weight seems to be due to the fact that the reaction solution before the start of the reaction was acidic, so that LSM was dissolved more than the supported manganese dioxide (the same applies to other examples with the following decrease in weight). The pH of the reaction solution changed from 2.11 to 3.59 before and after the reaction.

(実施例4)
水熱合成条件が、反応温度140℃、反応時間24時間である点を除いて、実施例3と同様に水熱合成を行った。XRD測定により、残渣はβ−MnOであることが判明した。BET比表面積は19.69m/g、重量増加率は−0.75%であった。Nガス透過量は2,231m/(m・h・atm)から1,355m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.61であった。反応液のpHは反応前後で2.11から3.89へ変化した。
Example 4
Hydrothermal synthesis was carried out in the same manner as in Example 3 except that the hydrothermal synthesis conditions were a reaction temperature of 140 ° C. and a reaction time of 24 hours. The residue was found to be β-MnO 2 by XRD measurement. The BET specific surface area was 19.69 m 2 / g, and the weight increase rate was −0.75%. The N 2 gas permeation amount decreased from 2,231 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,355 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.61. The pH of the reaction solution changed from 2.11 to 3.89 before and after the reaction.

(実施例5)
水熱合成条件が、反応温度160℃、反応時間12時間である点を除いて、実施例3と同様に水熱合成を行った。XRD測定により、残渣はβ−MnOであることが判明した。BET比表面積は61.01m/g、重量増加率は−0.74%であった。Nガス透過量は2,167m/(m・h・atm)から1,341(m/m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.62であった。反応液のpHは反応前後で2.11から3.59へ変化した。
(Example 5)
Hydrothermal synthesis was carried out in the same manner as in Example 3 except that the hydrothermal synthesis conditions were a reaction temperature of 160 ° C. and a reaction time of 12 hours. The residue was found to be β-MnO 2 by XRD measurement. The BET specific surface area was 61.01 m 2 / g, and the weight increase rate was −0.74%. The N 2 gas permeation amount decreased from 2,167 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,341 (m 3 / m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.62. . The pH of the reaction solution changed from 2.11 to 3.59 before and after the reaction.

(実施例6)
水熱合成条件が、反応温度180℃、反応時間12時間である点を除いて、実施例3と同様に水熱合成を行った。XRD測定により、残渣はβ−MnOであることが判明した。BET比表面積は32.04m/g、重量増加率は−0.57%であった。Nガス透過量は2,255m/(m・h・atm)から1,248m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.56であった。反応液のpHは反応前後で2.11から3.20へ変化した。
(Example 6)
Hydrothermal synthesis was carried out in the same manner as in Example 3 except that the hydrothermal synthesis conditions were a reaction temperature of 180 ° C. and a reaction time of 12 hours. The residue was found to be β-MnO 2 by XRD measurement. The BET specific surface area was 32.04 m 2 / g, and the weight increase rate was −0.57%. The N 2 gas permeation amount decreased from 2,255 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,248 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.56. The pH of the reaction solution changed from 2.11 to 3.20 before and after the reaction.

(実施例7)
多孔質セラミック部材として実施例3と同様にLSMを用いた。水熱合成に用いた反応液は、0.14M−KMnO水溶液である。MnSOを含まないため、(B液/A液)は0である。水熱合成条件は、反応温度180℃、反応時間24時間である。他は実施例3と同様である。
(Example 7)
As a porous ceramic member, LSM was used in the same manner as in Example 3. The reaction solution used for the hydrothermal synthesis is a 0.14M-KMnO 4 aqueous solution. Since it does not contain MnSO 4 , (B liquid / A liquid) is zero. The hydrothermal synthesis conditions are a reaction temperature of 180 ° C. and a reaction time of 24 hours. Others are the same as in the third embodiment.

XRD測定により、残渣はバーネサイト型の二酸化マンガンであることが判明した。BET比表面積は69.92m/g、重量増加率は2.52%であった。Nガス透過量は2,246m/(m・h・atm)から1,373m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.61であった。反応液のpHは反応前後で6.47から12.78へ変化した。 By XRD measurement, it was found that the residue was barnesite type manganese dioxide. The BET specific surface area was 69.92 m 2 / g, and the weight increase rate was 2.52%. The N 2 gas permeation amount decreased from 2,246 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,373 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.61. The pH of the reaction solution changed from 6.47 to 12.78 before and after the reaction.

(実施例8)
反応液の調製に際し、B液の濃度を変更することにより、B液とA液の濃度比(B液/A液)を0.50とした。反応液の調製作業は実施例1と同様である。水熱合成条件は実施例7と同様であり、反応温度180℃、反応時間24時間である。
(Example 8)
Upon preparation of the reaction solution by changing the concentration of B 1 liquid, B 1 liquid and A 1 solution concentration ratio of the (B solution / A solution) was 0.50. The preparation of the reaction solution is the same as in Example 1. Hydrothermal synthesis conditions are the same as in Example 7, with a reaction temperature of 180 ° C. and a reaction time of 24 hours.

XRD測定により、残渣はα−MnOであることが判明した。BET比表面積は18.28m/g、重量増加率は−0.39%であった。Nガス透過量は2,220m/(m・h・atm)から1,618m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.73であった。反応液のpHは反応前後で1.86から4.01へ変化した。 The residue was found to be α-MnO 2 by XRD measurement. The BET specific surface area was 18.28 m 2 / g, and the weight increase rate was −0.39%. The N 2 gas permeation amount decreased from 2,220 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,618 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.73. The pH of the reaction solution changed from 1.86 to 4.01 before and after the reaction.

(比較例2)
反応液の調製は実施例1と同様であり、B液とA液の濃度比(B液/A液)は1.36である。多孔質セラミック部材の材質は実施例7と同様にLSMである。前処理は行わず、水熱合成条件は、反応温度140℃、反応時間12時間である。
(Comparative Example 2)
The reaction solution was prepared in the same manner as in Example 1, and the concentration ratio of the B 1 solution and the A 1 solution (B solution / A solution) was 1.36. The material of the porous ceramic member is LSM as in Example 7. No pretreatment is performed, and hydrothermal synthesis conditions are a reaction temperature of 140 ° C. and a reaction time of 12 hours.

XRD測定により、残渣はα−MnOであることが判明した。BET比表面積は54.09m/g、重量増加率は0.11%であった。Nガス透過量は2,091m/(m・h・atm)から0m/(m・h・atm)へ減少し、完全に目詰まりを起こした。反応液のpHは反応前後で1.79から1.99へ変化した。 The residue was found to be α-MnO 2 by XRD measurement. The BET specific surface area was 54.09 m 2 / g, and the weight increase rate was 0.11%. The N 2 gas permeation amount decreased from 2,091 m 3 / (m 2 · h · atm) to 0 m 3 / (m 2 · h · atm), resulting in complete clogging. The pH of the reaction solution changed from 1.79 to 1.99 before and after the reaction.

図6は、反応後の多孔質セラミック部材のSEM画像である。SEM画像からも、LSMペロブスカイト酸化物の細孔を二酸化マンガンが塞いでいることが判る。   FIG. 6 is an SEM image of the porous ceramic member after the reaction. It can also be seen from the SEM image that manganese dioxide blocks the pores of the LSM perovskite oxide.

(実施例9)
反応液の調製に際し、B液の濃度を変更することにより、B液とA液の濃度比(B液/A液)を0.35とした。反応液の調製作業は実施例3と同様である。多孔質セラミック部材の材質および水熱合成条件は実施例7と同様であり、反応温度180℃、反応時間24時間である。
Example 9
Upon preparation of the reaction solution by changing the concentration of B 2 solution, B 2 solution and A 2 solution concentration ratio of the (B solution / A solution) was 0.35. The preparation of the reaction solution is the same as in Example 3. The material of the porous ceramic member and the hydrothermal synthesis conditions are the same as in Example 7. The reaction temperature is 180 ° C. and the reaction time is 24 hours.

XRD測定により、残渣はα−MnOであることが判明した。BET比表面積は97.15m/g、重量増加率は0.01%であった。Nガス透過量は2,245m/(m・h・atm)から1,767m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.79であった。反応液のpHは反応前後で2.61から8.55へ変化した。 The residue was found to be α-MnO 2 by XRD measurement. The BET specific surface area was 97.15 m 2 / g, and the weight increase rate was 0.01%. The N 2 gas permeation amount decreased from 2,245 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,767 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.79. The pH of the reaction solution changed from 2.61 to 8.55 before and after the reaction.

(実施例10)
液およびB液の濃度および反応液の調製作業は実施例3と同様であり、B液とA液の濃度比(B液/A液)は1.36である。多孔質セラミック部材の材質および水熱合成条件は実施例7と同様であり、反応温度180℃、反応時間24時間である。
(Example 10)
The concentration of the A 2 solution and the B 2 solution and the preparation of the reaction solution are the same as in Example 3. The concentration ratio of the B 2 solution to the A 2 solution (B solution / A solution) is 1.36. The material of the porous ceramic member and the hydrothermal synthesis conditions are the same as in Example 7. The reaction temperature is 180 ° C. and the reaction time is 24 hours.

XRD測定により、残渣はβ−MnOであることが判明した。BET比表面積は33.29m/g、重量増加率は−0.70%であった。Nガス透過量は2,255m/(m・h・atm)から1,378m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.61であった。反応液のpHは反応前後で2.11から3.31へ変化した。 The residue was found to be β-MnO 2 by XRD measurement. The BET specific surface area was 33.29 m 2 / g, and the weight increase rate was −0.70%. The N 2 gas permeation amount decreased from 2,255 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,378 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.61. The pH of the reaction solution changed from 2.11 to 3.31 before and after the reaction.

(実施例11)
多孔質セラミック部材として、円筒型のアルミナ部材の外表面にLSMFペロブスカイト型酸化物の粉末をスラリーコート法にて成膜し、高温焼成により焼結させたものを用いた。以下、後述の表1では、この材質を「LSMF/Al」と表記する。前処理は実施せず、水熱合成のみを実施した。反応液は、実施例3と同様であり、B液とA液の濃度比(B液/A液)は1.36である。水熱合成条件は実施例7と同様に、反応温度180℃、反応時間24時間である。
(Example 11)
As the porous ceramic member, a LSMF perovskite oxide powder formed on the outer surface of a cylindrical alumina member by a slurry coating method and sintered by high-temperature firing was used. Hereinafter, in Table 1 described later, this material is represented as “LSMF / Al 2 O 3 ”. No pretreatment was performed, and only hydrothermal synthesis was performed. The reaction solution is the same as in Example 3, and the concentration ratio of the B 2 solution and the A 2 solution (B solution / A solution) is 1.36. The hydrothermal synthesis conditions are the same as in Example 7, with a reaction temperature of 180 ° C. and a reaction time of 24 hours.

XRD測定により、残渣はα−MnOであることが判明した。BET比表面積は79.11m/g、重量増加率は−1.11%であった。Nガス透過量は2,203m/(m・h・atm)から1,890m/(m・h・atm)へ減少し、ガス透過量変化率は0.86であった。反応液のpHは反応前後で2.11から3.53へ変化した。 The residue was found to be α-MnO 2 by XRD measurement. The BET specific surface area was 79.11 m 2 / g, and the weight increase rate was −1.11%. The N 2 gas permeation amount decreased from 2,203 m 3 / (m 2 · h · atm) to 1,890 m 3 / (m 2 · h · atm), and the gas permeation rate change rate was 0.86. The pH of the reaction solution changed from 2.11 to 3.53 before and after the reaction.

図7は、反応後の多孔質セラミック部材のSEM画像である。LSM粒子表面に二酸化マンガンが均一に担持されていることが判る。   FIG. 7 is an SEM image of the porous ceramic member after the reaction. It can be seen that manganese dioxide is uniformly supported on the surface of the LSM particles.

表1は、上記実施例および比較例の条件および結果を示す。「評価」の欄では、二酸化マンガンがある程度担持され、かつ、担持後のガス透過が確保されることを考慮して、ガス透過量変化率が0.50以上0.70未満を◎(良)、0.10以上0.50未満および0.70以上1.00未満を○(可)、0.10未満および1.00以上を×(不可)としている。   Table 1 shows the conditions and results of the above examples and comparative examples. In the "Evaluation" column, considering that manganese dioxide is supported to some extent and gas permeation after the support is ensured, the gas permeation rate change rate is 0.50 or more and less than 0.70. 0.10 or more and less than 0.50 and 0.70 or more and less than 1.00 are (circle) (possible), and less than 0.10 and 1.00 or more are x (impossible).

実施例1および2と、比較例1とを比較して判るように、多孔質セラミック部材がマンガン原子を含まない場合、前処理を行わないと二酸化マンガンは担持されない。また、前処理において、多孔質セラミック部材はB液に浸漬された後にA液に浸漬されることが好ましい。 As can be seen from a comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, when the porous ceramic member does not contain manganese atoms, manganese dioxide is not supported unless pretreatment is performed. Further, in the preprocessing, it is preferable that the porous ceramic member is immersed in the A 1 solution after being immersed in the B 1 liquid.

比較例2から、実施例1および2における反応液の濃度は、LSMの場合、高すぎることが判る。実施例3と実施例4とを比較すると、水熱合成の時間により、二酸化マンガンの結晶構造が変化することが判る。実施例3と実施例5および6とを比較すると、水熱合成の温度によっても、二酸化マンガンの結晶構造が変化することが判る。   From Comparative Example 2, it can be seen that the concentration of the reaction solution in Examples 1 and 2 is too high in the case of LSM. Comparing Example 3 and Example 4, it can be seen that the crystal structure of manganese dioxide changes with the time of hydrothermal synthesis. Comparing Example 3 with Examples 5 and 6, it can be seen that the crystal structure of manganese dioxide changes depending on the hydrothermal synthesis temperature.

実施例7から、反応液に硫酸マンガンを溶解させない場合であっても、二酸化マンガンの担持は可能であるといえる。実施例7および8、並びに、実施例9および10から、硫酸マンガンの濃度により二酸化マンガンの結晶構造が変化することが判る。   From Example 7, it can be said that manganese dioxide can be supported even when manganese sulfate is not dissolved in the reaction solution. From Examples 7 and 8, and Examples 9 and 10, it can be seen that the crystal structure of manganese dioxide changes depending on the concentration of manganese sulfate.

実施例11から、マンガン原子を含む様々な多孔質セラミック部材において、前処理が不要であると考えられる。   From Example 11, it is considered that pretreatment is unnecessary in various porous ceramic members containing manganese atoms.

上記実施例に示したように、少なくとも過マンガン酸カリウムを溶解させた水溶液中にマンガン原子を含む多孔質セラミック部材を浸漬させ、水熱合成法にて多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを直接的に担持させることが可能である。担持された二酸化マンガンは安定しており、粉状に落下することはない。反応液には、硫酸マンガンがさらに溶解していることが好ましい。水熱合成法を利用することにより、安価かつ容易に多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させることができる。また、多孔質セラミック部材のガス透過性を確保しつつ、二酸化マンガンを均一に担持させることができる。特に、ラビング法やスラリーコート法等のように、多孔質セラミック部材に直接的に二酸化マンガンの粒子を付着させた場合、細孔内での付着層が厚くなって細孔が塞がれてしまうが、水熱合成法により、このような問題を回避することができる。   As shown in the above examples, a porous ceramic member containing manganese atoms is immersed in an aqueous solution in which at least potassium permanganate is dissolved, and manganese dioxide is directly applied to the porous ceramic member by a hydrothermal synthesis method. It can be supported. The supported manganese dioxide is stable and does not fall into powder form. It is preferable that manganese sulfate is further dissolved in the reaction solution. By utilizing the hydrothermal synthesis method, manganese dioxide can be supported on the porous ceramic member easily and inexpensively. Further, manganese dioxide can be uniformly supported while ensuring the gas permeability of the porous ceramic member. In particular, when manganese dioxide particles are adhered directly to a porous ceramic member, such as a rubbing method or a slurry coating method, the adhesion layer in the pores becomes thick and the pores are blocked. However, such a problem can be avoided by the hydrothermal synthesis method.

さらに、反応液の濃度や、水熱合成条件、すなわち、反応温度、反応時間等を変化させることにより、二酸化マンガンの担持量や結晶構造を制御することもできる。上記実施例より、少なくともα型、β型、γ型、バーネサイト型の結晶構造を得ることが可能であることが判る。α型、β型またはγ型のような安定した結晶構造が求められる場合、上記実施例から、反応液における過マンガン酸カリウムに対する硫酸マンガンのモル比が、0.35以上1.36以下であることが望ましいといえる。   Furthermore, the amount of supported manganese dioxide and the crystal structure can be controlled by changing the concentration of the reaction solution and the hydrothermal synthesis conditions, that is, the reaction temperature, the reaction time, and the like. From the above examples, it can be seen that at least α-type, β-type, γ-type, and birnessite-type crystal structures can be obtained. When a stable crystal structure such as α-type, β-type or γ-type is required, the molar ratio of manganese sulfate to potassium permanganate in the reaction solution is 0.35 or more and 1.36 or less from the above examples. Is desirable.

また、多孔質セラミック部材がマンガン原子を含まない場合であっても、前処理を行うことにより、多孔質セラミック部材への二酸化マンガンの担持が実現される。前処理を行うことにより、多孔質セラミック部材の表面(多孔質の空隙内の表面を含む。)に二酸化マンガンの前駆体が付着し、マンガン原子が多孔質セラミック部材の表面から多孔質の空隙の内面にかけて存在する状態になるため、マンガン原子を含まない多孔質セラミック部材であっても、マンガン原子を含む多孔質セラミック部材の場合と同様の上記作用および効果を得ることが可能であると考えられる。   Further, even when the porous ceramic member does not contain manganese atoms, the pretreatment is performed to support manganese dioxide on the porous ceramic member. By performing the pretreatment, the precursor of manganese dioxide adheres to the surface of the porous ceramic member (including the surface in the porous void), and the manganese atoms are removed from the surface of the porous ceramic member to the porous void. Since it is in a state existing over the inner surface, even if it is a porous ceramic member that does not contain manganese atoms, it is considered possible to obtain the same operations and effects as in the case of a porous ceramic member that contains manganese atoms. .

なお、反応液に浸漬される部材の全体がセラミックからなる必要はなく、部材の一部が多孔質セラミックであってもよい。   Note that the entire member immersed in the reaction solution does not have to be made of ceramic, and a part of the member may be porous ceramic.

上記手法にて二酸化マンガンが担持された多孔質セラミック部材は、二酸化マンガンを触媒として利用する様々な用途に利用することができる。例えば、多孔質セラミック部材の材質がペロブスカイト型酸化物の場合、好適な応用例として、金属空気電池の正極を挙げることができる。また、長い細孔が多数形成されたハニカム状の多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させることにより、NOx分解フィルタとして利用することも可能である。   The porous ceramic member on which manganese dioxide is supported by the above method can be used for various applications using manganese dioxide as a catalyst. For example, when the material of the porous ceramic member is a perovskite-type oxide, a preferable example of application is a positive electrode of a metal-air battery. Further, by supporting manganese dioxide on a honeycomb-shaped porous ceramic member in which many long pores are formed, it can be used as a NOx decomposition filter.

さらに、多孔質セラミック部材に水熱合成法によりゼオライト膜を成膜し、その上に二酸化マンガンを担持させることにより、メンブレンリアクタとして利用することができる。この場合、二酸化マンガンは、多孔質セラミック部材のセラミック上に間接的に担持されることになる。例えば、二酸化マンガンにより分解対象となる分子を分解し、ゼオライト膜の細孔径より小さい分子だけを、ゼオライト膜を透過させて分離する装置が考えられる。多孔質セラミック部材の表面にゼオライト膜を成膜し、裏面から多孔質の空隙の内面にかけて二酸化マンガンを担持してもよい。この場合、分解対象となる物質は、二酸化マンガンにて分解されつつ多孔質セラミック部材を透過し、ゼオライト膜にて分離される。   Further, a zeolite membrane can be formed on a porous ceramic member by a hydrothermal synthesis method, and manganese dioxide can be supported thereon, so that it can be used as a membrane reactor. In this case, manganese dioxide is indirectly supported on the ceramic of the porous ceramic member. For example, an apparatus that decomposes molecules to be decomposed with manganese dioxide and separates only molecules smaller than the pore diameter of the zeolite membrane through the zeolite membrane can be considered. A zeolite membrane may be formed on the surface of the porous ceramic member, and manganese dioxide may be supported from the back surface to the inner surface of the porous void. In this case, the substance to be decomposed permeates the porous ceramic member while being decomposed by manganese dioxide, and is separated by the zeolite membrane.

図8は、上記手法にて二酸化マンガンが担持された多孔質セラミック部材を有する金属空気二次電池1の構成を示す図である。金属空気二次電池1は亜鉛イオンを利用するため、以下、「亜鉛空気二次電池」と呼ぶ。金属空気二次電池は、他の金属イオンを利用してもよい。亜鉛空気二次電池1の本体11は中心軸J1を中心とする略円柱状であり、図8では、中心軸J1を含む面における本体11の断面を示す。亜鉛空気二次電池1は、正極2、負極3、電解質層4および電解液40を備える。   FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the metal-air secondary battery 1 having a porous ceramic member on which manganese dioxide is supported by the above method. Since the metal-air secondary battery 1 uses zinc ions, it is hereinafter referred to as a “zinc-air secondary battery”. The metal-air secondary battery may use other metal ions. The main body 11 of the zinc-air secondary battery 1 has a substantially cylindrical shape centered on the central axis J1, and FIG. 8 shows a cross section of the main body 11 on a plane including the central axis J1. The zinc-air secondary battery 1 includes a positive electrode 2, a negative electrode 3, an electrolyte layer 4, and an electrolytic solution 40.

負極3(金属極とも呼ばれる。)は、中心軸J1を中心とするコイル状の部材である。本実施の形態における負極3は、断面が略円形の線状の部材を中心軸J1を中心として螺旋状に巻いた形状を有する。負極3は、導電性材料にて形成されるコイル状の基材31、および、基材31の表面に形成される析出金属層32を備える。中心軸J1方向における負極3の端部には負極集電端子33が接続される。   The negative electrode 3 (also referred to as a metal electrode) is a coiled member centered on the central axis J1. The negative electrode 3 in the present embodiment has a shape in which a linear member having a substantially circular cross section is spirally wound around the central axis J1. The negative electrode 3 includes a coil-shaped base material 31 formed of a conductive material, and a deposited metal layer 32 formed on the surface of the base material 31. A negative electrode current collector terminal 33 is connected to the end of the negative electrode 3 in the direction of the central axis J1.

基材31を形成する材料として、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、金(Au)、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)等の金属、または、いずれかの金属を含む合金が例示される。本実施の形態では、基材31は銅にて形成される。集電体を兼ねる基材31の導電率を高くするという観点では、基材31は銅または銅合金を含むことが好ましい。基材31の本体が銅にて形成される場合、当該本体の表面にニッケル等の他の金属の保護膜が形成されることが好ましい。この場合、基材31の表面は、当該保護膜の表面となる。例えば、保護膜の厚さは、1〜20μm(マイクロメートル)であり、保護膜は、めっきにて形成される。析出金属層32は、亜鉛(Zn)の電解析出により形成される。析出金属層32は、亜鉛を含む合金の電解析出にて形成されてもよい。   As a material for forming the substrate 31, a metal such as copper (Cu), nickel (Ni), silver (Ag), gold (Au), iron (Fe), aluminum (Al), magnesium (Mg), or any An alloy containing such a metal is exemplified. In the present embodiment, the base material 31 is formed of copper. From the viewpoint of increasing the conductivity of the base material 31 also serving as a current collector, the base material 31 preferably contains copper or a copper alloy. When the main body of the base material 31 is formed of copper, it is preferable that a protective film of other metal such as nickel is formed on the surface of the main body. In this case, the surface of the base material 31 is the surface of the protective film. For example, the thickness of the protective film is 1 to 20 μm (micrometer), and the protective film is formed by plating. The deposited metal layer 32 is formed by electrolytic deposition of zinc (Zn). The deposited metal layer 32 may be formed by electrolytic deposition of an alloy containing zinc.

負極3の周囲には、円筒状のセパレータ41が設けられ、セパレータ41の周囲には、円筒状の正極2(空気極とも呼ばれる。)が設けられる。すなわち、セパレータ41の内側面は負極3に対向し、セパレータ41の外側面は正極2の内側面に対向する。負極3、セパレータ41および正極2は、中心軸J1を中心とする同心状に設けられ、中心軸J1に沿って見た場合に、負極3の外縁と正極2との間の距離は、中心軸J1を中心とする周方向の全周に亘って一定である。すなわち、亜鉛空気二次電池1における負極3および正極2の間では、全周に亘って、等電位面の間隔が一定である。等電位面に粗密がないため、充放電時の電流分布は周方向において一定となる。なお、全周に亘る電流分布がおよそ均一となるのであるならば、正極2の形状は、例えば、頂点が6個以上の正多角形の筒状であってもよい。   A cylindrical separator 41 is provided around the negative electrode 3, and a cylindrical positive electrode 2 (also referred to as an air electrode) is provided around the separator 41. That is, the inner surface of the separator 41 faces the negative electrode 3, and the outer surface of the separator 41 faces the inner surface of the positive electrode 2. The negative electrode 3, the separator 41, and the positive electrode 2 are provided concentrically with the central axis J1 as the center, and when viewed along the central axis J1, the distance between the outer edge of the negative electrode 3 and the positive electrode 2 is the central axis. It is constant over the entire circumference in the circumferential direction centered on J1. That is, between the negative electrode 3 and the positive electrode 2 in the zinc-air secondary battery 1, the interval between equipotential surfaces is constant over the entire circumference. Since the equipotential surface is not dense, the current distribution during charging and discharging is constant in the circumferential direction. If the current distribution over the entire circumference is approximately uniform, the shape of the positive electrode 2 may be, for example, a regular polygonal cylinder having six or more vertices.

セパレータ41は、セラミックにて形成される多孔質の筒状支持体であるセパレータ本体411、および、セパレータ本体411において負極3と対向する内側面上に形成された多孔膜412を有する。セパレータ本体411は、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)、ジルコニア(ZrO)、チタニア(TiO)およびハフニア(HfO)等の機械的強度および絶縁性が高いセラミックにて形成される。本実施の形態では、セパレータ本体411は一体成形されたセラミックの焼結体であり、セラミックのみにて構成される。セパレータ本体411は、これらのセラミックの混合体や積層体であってもよい。円筒状のセパレータ本体411の肉厚は、例えば0.2〜4ミリメートル(mm)である。 The separator 41 includes a separator body 411 that is a porous cylindrical support formed of ceramic, and a porous film 412 that is formed on the inner surface of the separator body 411 facing the negative electrode 3. The separator body 411 is formed of a ceramic having high mechanical strength and insulating properties such as silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), and hafnia (HfO 2 ). Is done. In the present embodiment, the separator body 411 is an integrally formed ceramic sintered body, and is composed only of ceramic. The separator body 411 may be a mixture or laminate of these ceramics. The thickness of the cylindrical separator body 411 is, for example, 0.2 to 4 millimeters (mm).

セパレータ本体411の平均細孔径は、電池反応を阻害しない程度の保液性、イオン導電性、通気性が確保される範囲内であればよい。セパレータ本体411の平均細孔径は15μm以下であることが好ましい。   The average pore diameter of the separator body 411 may be within a range in which liquid retention, ionic conductivity, and air permeability that do not inhibit the battery reaction are ensured. The average pore diameter of the separator body 411 is preferably 15 μm or less.

多孔膜412は、セラミックにて形成され、本実施の形態では、多孔膜412は、セパレータ本体411と同様にセラミックの焼結体である。具体的には、多孔膜412(積層膜の場合は、当該積層膜の各膜)は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニアおよびハフニア等の機械的強度および絶縁性が高いセラミックのうちの少なくとも1つのセラミックを含むことが好ましい。より好ましくは、多孔膜412は、セラミックのみから構成される。   The porous film 412 is formed of ceramic, and in the present embodiment, the porous film 412 is a ceramic sintered body like the separator body 411. Specifically, the porous film 412 (in the case of a laminated film, each film of the laminated film) includes at least one of ceramics having high mechanical strength and insulating properties such as silica, alumina, zirconia, titania and hafnia. It is preferable to include a ceramic. More preferably, the porous membrane 412 is made of ceramic only.

多孔膜412は、セパレータ本体411の平均細孔径よりも小さい平均細孔径を有する。具体的には、多孔膜412の平均細孔径は、0.01μm以上かつ2μm以下である。好ましくは、多孔膜412は、複数の膜が積層された積層膜である。安定性の観点では、表面のセラミック膜の形成にジルコニアが用いられることが好ましい。亜鉛空気二次電池1では、筒状のセパレータ本体411において、負極3と対向する面の全周に亘って多孔膜412が形成される。   The porous membrane 412 has an average pore diameter that is smaller than the average pore diameter of the separator body 411. Specifically, the average pore diameter of the porous membrane 412 is 0.01 μm or more and 2 μm or less. Preferably, the porous film 412 is a laminated film in which a plurality of films are laminated. From the viewpoint of stability, zirconia is preferably used for forming the ceramic film on the surface. In the zinc-air secondary battery 1, the porous membrane 412 is formed over the entire circumference of the surface facing the negative electrode 3 in the cylindrical separator body 411.

筒状の正極2の内側(中心軸J1側)の空間には、水系の電解液40が充填される。電解液40は、正極2および負極3との間に介在し、両極に接する。負極3のおよそ全体は電解液40中に浸漬される。多孔質部材であるセパレータ41の細孔にも電解液40が充填される。以下の説明では、中心軸J1に沿って見た場合における負極3と正極2との間の空間を「電解質層4」という。すなわち、電解質層4は、負極3と正極2との間に位置する空間である。本実施の形態では、電解質層4はセパレータ41を含む。電解液40は、アルカリ水溶液であり、好ましくは、水酸化カリウム(苛性カリ、KOH)水溶液、または、水酸化ナトリウム(苛性ソーダ、NaOH)水溶液を含む。また、電解液40は、亜鉛イオンまたは亜鉛を含むイオンを含む。すなわち、電解液40に含まれる亜鉛イオンは、様々な態様で存在してよく、亜鉛(すなわち、亜鉛原子)を含むイオンと捉えられてもよい。例えば、テトラヒドロキシ亜鉛イオンとして存在してもよい。   A space on the inner side (center axis J1 side) of the cylindrical positive electrode 2 is filled with an aqueous electrolyte solution 40. The electrolytic solution 40 is interposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3 and is in contact with both electrodes. About the entire negative electrode 3 is immersed in the electrolytic solution 40. The electrolyte solution 40 is also filled in the pores of the separator 41 which is a porous member. In the following description, the space between the negative electrode 3 and the positive electrode 2 when viewed along the central axis J1 is referred to as “electrolyte layer 4”. That is, the electrolyte layer 4 is a space located between the negative electrode 3 and the positive electrode 2. In the present embodiment, the electrolyte layer 4 includes a separator 41. The electrolytic solution 40 is an alkaline aqueous solution, and preferably includes a potassium hydroxide (caustic potash, KOH) aqueous solution or a sodium hydroxide (caustic soda, NaOH) aqueous solution. Further, the electrolytic solution 40 includes zinc ions or ions containing zinc. That is, the zinc ions contained in the electrolytic solution 40 may exist in various forms and may be regarded as ions containing zinc (that is, zinc atoms). For example, it may exist as tetrahydroxyzinc ions.

正極2は、多孔質の正極導電層21を備える。筒状の正極導電層21の外側面には正極触媒層22が形成される。正極触媒層22には正極触媒が担持される。正極触媒層22の周囲には、例えば、ニッケル等の金属のメッシュシートが巻かれて集電層23が形成され、中心軸J1方向における集電層23の端部には正極集電端子24が接続される。集電層23は正極導電層21の外側面にも部分的に接する。なお、正極導電層21の外側面の一部のみに接するインターコネクタが集電層23として設けられてもよい。   The positive electrode 2 includes a porous positive electrode conductive layer 21. A positive electrode catalyst layer 22 is formed on the outer surface of the cylindrical positive electrode conductive layer 21. A positive electrode catalyst is supported on the positive electrode catalyst layer 22. Around the positive electrode catalyst layer 22, for example, a metal mesh sheet of nickel or the like is wound to form a current collecting layer 23. A positive current collecting terminal 24 is provided at an end of the current collecting layer 23 in the central axis J1 direction. Connected. The current collecting layer 23 also partially contacts the outer surface of the positive electrode conductive layer 21. An interconnector that contacts only a part of the outer surface of the positive electrode conductive layer 21 may be provided as the current collecting layer 23.

集電層23の外側面(メッシュ状の集電層23にて覆われていない正極触媒層22の外側面の部位を含む。)には、撥水性を有する材料(例えば、PFA(パーフルオロアルコキシアルカン)やPTFE(ポリテトラフルオロエチレン))による多孔質の層が撥液層29として形成される。   A material having water repellency (for example, PFA (perfluoroalkoxy) is used on the outer surface of the current collecting layer 23 (including a portion of the outer surface of the positive electrode catalyst layer 22 not covered with the mesh-shaped current collecting layer 23). A porous layer made of alkane) or PTFE (polytetrafluoroethylene) is formed as the liquid repellent layer 29.

充電時における酸化による劣化を防止するという観点では、正極導電層21は、導電性カーボンを含まないことが好ましく、本実施の形態では、正極導電層21は、導電性を有する多孔質のペロブスカイト型酸化物(例えば、LSCF(LaSrCoFeO))にて主に形成される多孔質の薄い導電膜である。 From the viewpoint of preventing deterioration due to oxidation during charging, the positive electrode conductive layer 21 preferably does not contain conductive carbon. In this embodiment, the positive electrode conductive layer 21 is a porous perovskite type having conductivity. It is a porous thin conductive film mainly formed of an oxide (for example, LSCF (LaSrCoFeO 3 )).

また、正極触媒層22は、多孔質セラミックに酸素還元反応を促進する触媒を担持させたものである。マンガン(Mn)やニッケル(Ni)、コバルト(Co)等の金属酸化物が当該触媒として例示される。本実施の形態では、正極触媒層22は、多孔質のペロブスカイト型酸化物(例えば、LSMF(LaSrMnFeO))に二酸化マンガン(MnO)を担持させたものである。したがって、正確には、多孔質セラミックのうち二酸化マンガンが担持される部位が正極触媒層として機能する。亜鉛空気二次電池1では、原則として、多孔質の正極触媒層22近傍において空気と電解液40との界面が形成される。 The positive electrode catalyst layer 22 is a porous ceramic carrying a catalyst for promoting an oxygen reduction reaction. Examples of the catalyst include metal oxides such as manganese (Mn), nickel (Ni), and cobalt (Co). In the present embodiment, the positive electrode catalyst layer 22 is obtained by supporting manganese dioxide (MnO 2 ) on a porous perovskite oxide (for example, LSMF (LaSrMnFeO 3 )). Therefore, precisely, the portion of the porous ceramic where manganese dioxide is supported functions as the positive electrode catalyst layer. In the zinc-air secondary battery 1, in principle, an interface between air and the electrolytic solution 40 is formed in the vicinity of the porous positive electrode catalyst layer 22.

図8に示すように、中心軸J1方向において負極3、電解質層4および正極2の両端面(図8中の上端面および下端面)には、円板状の閉塞部材51が固定される。各閉塞部材51の中央には貫通孔511が設けられる。亜鉛空気二次電池1では、撥液層29および閉塞部材51により、本体11内の電解液40が貫通孔511以外から外部へと漏出することが防止される。   As shown in FIG. 8, disc-shaped blocking members 51 are fixed to both end surfaces (upper end surface and lower end surface in FIG. 8) of the negative electrode 3, the electrolyte layer 4, and the positive electrode 2 in the direction of the central axis J1. A through hole 511 is provided at the center of each closing member 51. In the zinc-air secondary battery 1, the liquid repellent layer 29 and the closing member 51 prevent the electrolytic solution 40 in the main body 11 from leaking outside the through hole 511.

一方の閉塞部材51の貫通孔511には供給管61の一端が接続され、供給管61の他端は供給回収部6に接続される。他方の閉塞部材51の貫通孔511には回収管62の一端が接続され、回収管62の他端は供給回収部6に接続される。供給回収部6は電解液の貯溜タンクやポンプを有し、本体11内の電解液40を、制御部(図示省略)から指示される流量(単位時間当たりの体積)にて貯溜タンクに回収するとともに、貯溜タンク内の電解液を同じ流量にて本体11に供給する。すなわち、本体11と供給回収部6の貯溜タンクとの間にて電解液を循環させることが可能である。供給回収部6にはフィルタが設けられており、電解液の循環時には、電解液に含まれる不要物が当該フィルタにて取り除かれる。   One end of the supply pipe 61 is connected to the through hole 511 of one closing member 51, and the other end of the supply pipe 61 is connected to the supply / recovery unit 6. One end of the recovery pipe 62 is connected to the through hole 511 of the other closing member 51, and the other end of the recovery pipe 62 is connected to the supply and recovery unit 6. The supply / recovery unit 6 includes an electrolytic solution storage tank and a pump, and recovers the electrolytic solution 40 in the main body 11 to the storage tank at a flow rate (volume per unit time) instructed by a control unit (not shown). At the same time, the electrolytic solution in the storage tank is supplied to the main body 11 at the same flow rate. That is, the electrolytic solution can be circulated between the main body 11 and the storage tank of the supply and recovery unit 6. The supply and recovery unit 6 is provided with a filter, and unnecessary substances contained in the electrolytic solution are removed by the filter when the electrolytic solution is circulated.

本実施の形態における亜鉛空気二次電池1では、本体11の中心軸J1は鉛直方向(重力方向)に平行であり、回収管62に接続される貫通孔511が、供給管61に接続される貫通孔511よりも鉛直方向上方に位置する。また、供給管61および回収管62には供給バルブおよび回収バルブ(図示省略)が設けられる。本動作例における通常動作では、一定の流速にて電解液の循環が行われる。なお、供給バルブおよび回収バルブは、供給回収部6の一部と捉えることができる。電解液は、上側の貫通孔511から供給され、下側の貫通孔511から回収されてもよい。亜鉛空気二次電池1の中心軸J1は必ずしも鉛直方向に平行である必要はなく、例えば中心軸J1が水平方向に平行となるように、亜鉛空気二次電池1が配置されてもよい。   In the zinc-air secondary battery 1 in the present embodiment, the central axis J1 of the main body 11 is parallel to the vertical direction (gravity direction), and the through hole 511 connected to the recovery pipe 62 is connected to the supply pipe 61. It is located above the through hole 511 in the vertical direction. The supply pipe 61 and the recovery pipe 62 are provided with a supply valve and a recovery valve (not shown). In normal operation in this operation example, the electrolyte solution is circulated at a constant flow rate. The supply valve and the recovery valve can be regarded as a part of the supply recovery unit 6. The electrolytic solution may be supplied from the upper through hole 511 and recovered from the lower through hole 511. The central axis J1 of the zinc-air secondary battery 1 does not necessarily have to be parallel to the vertical direction. For example, the zinc-air secondary battery 1 may be arranged so that the central axis J1 is parallel to the horizontal direction.

図8の亜鉛空気二次電池1において放電が行われる際には、負極集電端子33と正極集電端子24とが、例えば、照明器具等の負荷を介して電気的に接続される。負極3が有する亜鉛は酸化されて亜鉛イオンが生成され、電子は負極集電端子33、および、正極集電端子24を介して正極2に供給される。多孔質の正極2では、撥液層29を透過した空気中の酸素が、負極3から供給された電子により還元され、水酸化物イオンとして電解液中に溶出する。正極2では、正極触媒により酸素の還元反応が促進される。   When discharge is performed in the zinc-air secondary battery 1 of FIG. 8, the negative electrode current collector terminal 33 and the positive electrode current collector terminal 24 are electrically connected via a load such as a lighting fixture, for example. Zinc included in the negative electrode 3 is oxidized to generate zinc ions, and electrons are supplied to the positive electrode 2 via the negative electrode current collector terminal 33 and the positive electrode current collector terminal 24. In the porous positive electrode 2, oxygen in the air that has passed through the liquid repellent layer 29 is reduced by the electrons supplied from the negative electrode 3 and is eluted into the electrolyte as hydroxide ions. In the positive electrode 2, the reduction reaction of oxygen is promoted by the positive electrode catalyst.

一方、亜鉛空気二次電池1において充電が行われる際には、負極集電端子33と正極集電端子24との間に電圧が付与され、正極2に対して水酸化物イオンから電子が供給されるとともに酸素が発生する。負極3では、集電層23および正極集電端子24を介して負極集電端子33に供給される電子により金属イオンが還元されて亜鉛が析出する。   On the other hand, when charging is performed in the zinc-air secondary battery 1, a voltage is applied between the negative electrode current collector terminal 33 and the positive electrode current collector terminal 24, and electrons are supplied from the hydroxide ions to the positive electrode 2. And oxygen is generated. In the negative electrode 3, metal ions are reduced by the electrons supplied to the negative electrode current collector terminal 33 via the current collector layer 23 and the positive electrode current collector terminal 24, and zinc is deposited.

このとき、コイル状の負極3では、角部がないため、電界集中が起こりにくい。すなわち、電流密度に大きな偏りが生じない。また、負極3が、電解液40に均一に接触する。その結果、亜鉛が樹枝状に析出するデンドライトや、ひげ状(針状)に析出するウィスカーの生成および成長が大きく抑制される。実際には、負極3の表面のほぼ全体において緻密な亜鉛が均一に析出し、析出金属層32が形成される。正極2では、正極触媒層22に含まれる正極触媒により酸素の発生が促進される。   At this time, since the coiled negative electrode 3 has no corners, electric field concentration hardly occurs. That is, there is no significant bias in current density. Further, the negative electrode 3 is in uniform contact with the electrolytic solution 40. As a result, the generation and growth of dendrites in which zinc precipitates in a dendritic shape and whiskers in which the zinc precipitates in a whisker shape (needle shape) are greatly suppressed. Actually, dense zinc is uniformly deposited on almost the entire surface of the negative electrode 3, and a deposited metal layer 32 is formed. In the positive electrode 2, the generation of oxygen is promoted by the positive electrode catalyst contained in the positive electrode catalyst layer 22.

既述のように、亜鉛空気二次電池1では、供給回収部6による電解液の循環が行われており、上方の貫通孔511(以下、「上貫通孔511」とも呼ぶ。)近傍における電解液40は、上貫通孔511から回収される。また、下方の貫通孔511(以下、「下貫通孔511」とも呼ぶ。)から本体11内に供給された電解液40の一部は、コイル状の負極3の隙間(すなわち、図8に示す負極3の断面において、縦方向に互いに離れた円形の部位の間)を介して電解質層4(のセパレータ41)にも拡散する。これにより、亜鉛空気二次電池1において放電または充電を行いつつ、電解質層4に含まれる電解液40が、供給回収部6の貯溜タンク内の電解液に置換される。   As described above, in the zinc-air secondary battery 1, the electrolyte solution is circulated by the supply and recovery unit 6, and electrolysis is performed in the vicinity of the upper through hole 511 (hereinafter also referred to as “upper through hole 511”). The liquid 40 is collected from the upper through hole 511. Further, a part of the electrolytic solution 40 supplied into the main body 11 from the lower through hole 511 (hereinafter also referred to as “lower through hole 511”) is a gap (that is, shown in FIG. 8) of the coiled negative electrode 3. In the cross section of the negative electrode 3, it diffuses also in the electrolyte layer 4 (the separator 41) via circular portions separated from each other in the vertical direction. Thereby, the electrolytic solution 40 contained in the electrolyte layer 4 is replaced with the electrolytic solution in the storage tank of the supply and recovery unit 6 while discharging or charging in the zinc-air secondary battery 1.

亜鉛空気二次電池1では、上貫通孔511からの所定量の電解液の回収、および、下貫通孔511からの同量の電解液の供給を順に行う動作が繰り返されてもよい。これにより、放電または充電を行いつつ、本体11内の電解液40が、供給回収部6の貯溜タンク内の電解液に置換される。また、電解液の置換を間欠的に行うことも可能である。例えば、電解液を所定時間だけ循環させた後、供給バルブおよび回収バルブを閉じて、新たな電解液の拡散が平衡状態となるまで、電解液の回収および供給が停止される。これにより、放電または充電を行いつつ、本体11内の電解液40の交換、または、劣化した電解液と新たな電解液との混合が行われる。もちろん、放電または充電を停止して、本体11内の電解液40の交換が行われてもよい。   In the zinc-air secondary battery 1, the operation of sequentially collecting the predetermined amount of electrolytic solution from the upper through hole 511 and supplying the same amount of electrolytic solution from the lower through hole 511 may be repeated. Thereby, the electrolytic solution 40 in the main body 11 is replaced with the electrolytic solution in the storage tank of the supply and recovery unit 6 while discharging or charging. It is also possible to intermittently replace the electrolyte. For example, after the electrolytic solution is circulated for a predetermined time, the supply valve and the recovery valve are closed, and the recovery and supply of the electrolytic solution are stopped until the diffusion of the new electrolytic solution reaches an equilibrium state. As a result, the electrolytic solution 40 in the main body 11 is replaced or the deteriorated electrolytic solution and a new electrolytic solution are mixed while discharging or charging. Of course, the discharging or charging may be stopped and the electrolytic solution 40 in the main body 11 may be replaced.

亜鉛空気二次電池1の構造は、好ましい一例であって様々に変形されてよい。例えば、セパレータ41において、セパレータ本体411の内側面および外側面の双方に多孔膜412が形成されてもよい。セパレータ本体411および多孔膜412の一方または双方がセラミックに加えて、バインダ等の他の材料を含んでもよい。セパレータ41は省かれてもよい。   The structure of the zinc-air secondary battery 1 is a preferred example and may be variously modified. For example, in the separator 41, the porous film 412 may be formed on both the inner surface and the outer surface of the separator body 411. One or both of the separator body 411 and the porous film 412 may contain other materials such as a binder in addition to the ceramic. The separator 41 may be omitted.

亜鉛空気二次電池1では、必ずしも電解液を循環させる必要はない。負極は、コイル形状には限定されない。例えば、管状や平板状であってもよい。さらには、正極が負極の内側に位置してもよく。正極の形状も管状には限定されない。   In the zinc-air secondary battery 1, it is not always necessary to circulate the electrolytic solution. The negative electrode is not limited to a coil shape. For example, it may be tubular or flat. Furthermore, the positive electrode may be located inside the negative electrode. The shape of the positive electrode is not limited to a tubular shape.

次に、亜鉛空気二次電池1の正極2およびセパレータ41を含む部材の製造について説明する。まず、セパレータ本体411である多孔質セラミック部材、例えば、アルミナの管状部材が準備される。セパレータ本体411の内周面に、多孔膜412の材料となる粒子を含むスラリーが塗布される。スラリーの乾燥および焼成により、多孔膜412が形成される。セパレータ本体411の外周面には、酸化セリウム(CeO)の粒子を含むスラリーが塗布され、乾燥および焼成により薄い反応防止層が形成される。 Next, manufacture of the member containing the positive electrode 2 and the separator 41 of the zinc-air secondary battery 1 will be described. First, a porous ceramic member that is the separator body 411, for example, an alumina tubular member is prepared. A slurry containing particles as a material for the porous film 412 is applied to the inner peripheral surface of the separator body 411. A porous film 412 is formed by drying and firing the slurry. A slurry containing cerium oxide (CeO 2 ) particles is applied to the outer peripheral surface of the separator body 411, and a thin reaction preventing layer is formed by drying and firing.

反応防止層上には、LSCFの粒子を含むスラリーが塗布され、乾燥および焼成により正極導電層21が形成される。正極導電層21上に、LSMFの粒子を含むスラリーが塗布され、乾燥および焼成により正極触媒層22のセラミック部分が形成される。LSMFはマンガン原子を含むため、前処理を行うことなく水熱合成法を利用する図1の反応により、LSMF上に、すなわち、多孔質セラミック部材の外周面上に二酸化マンガンが担持される。これにより、正極触媒層22が完成する。なお、水熱合成時には、内周面等の不要な領域に適宜マスクが施される。   On the reaction preventing layer, a slurry containing LSCF particles is applied, and the positive electrode conductive layer 21 is formed by drying and firing. A slurry containing LSMF particles is applied onto the positive electrode conductive layer 21, and a ceramic portion of the positive electrode catalyst layer 22 is formed by drying and firing. Since LSMF contains manganese atoms, manganese dioxide is supported on LSMF, that is, on the outer peripheral surface of the porous ceramic member, by the reaction of FIG. 1 using the hydrothermal synthesis method without pretreatment. Thereby, the positive electrode catalyst layer 22 is completed. During hydrothermal synthesis, an unnecessary area such as the inner peripheral surface is appropriately masked.

多孔質セラミック部材として、外周面にマンガン原子を有するものを用い、さらに、水熱合成法を利用することにより、容易に二酸化マンガンの結晶を多孔質セラミック部材に安定して担持させることができる。その結果、亜鉛空気二次電池1の製造コストを削減することができる。また、多孔質セラミック部材のガス透過性を確保しつつ、二酸化マンガンを均一に担持させることができる。   By using a porous ceramic member having manganese atoms on the outer peripheral surface and further utilizing a hydrothermal synthesis method, manganese dioxide crystals can be easily supported stably on the porous ceramic member. As a result, the manufacturing cost of the zinc-air secondary battery 1 can be reduced. Further, manganese dioxide can be uniformly supported while ensuring the gas permeability of the porous ceramic member.

セパレータ41および正極2を含む部材は、他の様々な手法にて製造することも可能である。例えば、LSMにて形成された多孔質の管状の部材の内周面にアルミナの粒子を含むスラリーを塗布し、乾燥および焼成することにより、セパレータ41が形成される。その後、この多孔質セラミック部材に、図1の反応を行い、外周面に、水熱合成法により二酸化マンガンを担持させる。LSMは正極導電層21として機能するが、二酸化マンガンが担持された部位は正極触媒層22として機能する。   The member including the separator 41 and the positive electrode 2 can be manufactured by various other methods. For example, the separator 41 is formed by applying a slurry containing alumina particles to the inner peripheral surface of a porous tubular member formed of LSM, and drying and firing. Thereafter, the reaction shown in FIG. 1 is performed on the porous ceramic member, and manganese dioxide is supported on the outer peripheral surface by a hydrothermal synthesis method. LSM functions as the positive electrode conductive layer 21, but the portion on which manganese dioxide is supported functions as the positive electrode catalyst layer 22.

上記の二酸化マンガンの担持方法は様々に変形が可能である。   The above-described method for supporting manganese dioxide can be variously modified.

例えば、反応液や水熱合成の条件は、多孔質セラミック部材の材質や求められるガス透過性能(ガス透過が不要な場合も含む。)に応じて様々に変更されてよい。反応液は、過マンガン酸カリウムおよび硫酸マンガン以外の物質をさらに含んでもよい。前処理液も、過マンガン酸カリウムおよび硫酸マンガン以外の物質をさらに含んでもよい。   For example, the reaction solution and hydrothermal synthesis conditions may be variously changed according to the material of the porous ceramic member and the required gas permeation performance (including cases where gas permeation is unnecessary). The reaction solution may further contain substances other than potassium permanganate and manganese sulfate. The pretreatment liquid may further contain substances other than potassium permanganate and manganese sulfate.

二酸化マンガンが担持された多孔質セラミック部材は、二酸化マンガンを触媒として利用する様々な用途の装置に利用することができる。特に、広い面積を有する多孔質セラミック部材や、凹凸のある多孔質セラミック部材であっても二酸化マンガンを容易に担持させることができ、様々な用途の部品の製造に容易に利用することができる。   The porous ceramic member on which manganese dioxide is supported can be used for various apparatuses using manganese dioxide as a catalyst. In particular, even a porous ceramic member having a large area or an uneven porous ceramic member can easily carry manganese dioxide, and can be easily used for manufacturing parts for various applications.

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。   The configurations in the above-described embodiments and modifications may be combined as appropriate as long as they do not contradict each other.

1 亜鉛空気二次電池
2 正極
3 負極
21 正極導電層
22 正極触媒層
40 電解液
41 セパレータ
S11〜S13,S21〜S25 ステップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Zinc air secondary battery 2 Positive electrode 3 Negative electrode 21 Positive electrode conductive layer 22 Positive electrode catalyst layer 40 Electrolytic solution 41 Separator S11-S13, S21-S25 Step

Claims (9)

多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる二酸化マンガン担持方法であって、
a)耐圧容器内において、マンガン原子を含む多孔質セラミック部材を、過マンガン酸カリウムの濃度が0.014mol/L以上0.14mol/L以下であり、硫酸マンガンの濃度が0.07mol/L以下である水溶液に浸漬する工程と、
b)前記a)工程の後に、前記耐圧容器内にて前記水溶液を加熱し、水熱合成法により前記多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる工程と、
を備えることを特徴とする二酸化マンガン担持方法。
A method for supporting manganese dioxide in which manganese dioxide is supported on a porous ceramic member,
a) In a pressure-resistant vessel, a porous ceramic member containing manganese atoms has a potassium permanganate concentration of 0.014 mol / L to 0.14 mol / L and a manganese sulfate concentration of 0.07 mol / L or less. A step of immersing in an aqueous solution,
b) after the step a), heating the aqueous solution in the pressure vessel, and supporting manganese dioxide on the porous ceramic member by a hydrothermal synthesis method;
A method for supporting manganese dioxide, comprising:
請求項に記載の二酸化マンガン担持方法であって、
前記a)工程における前記水溶液において、過マンガン酸カリウムに対する硫酸マンガンのモル比が、0.35以上1.36以下であることを特徴とする二酸化マンガン担持方法。
The method for supporting manganese dioxide according to claim 1 ,
In the aqueous solution in the step a), a manganese dioxide supporting method, wherein a molar ratio of manganese sulfate to potassium permanganate is 0.35 or more and 1.36 or less.
請求項1または2に記載の二酸化マンガン担持方法であって、
前記多孔質セラミック部材の材質が、ランタン・ストロンチウム・マンガナイト(LSM)、ランタン・ストロンチウム・マンガン・鉄酸化物(LSMF)またはランタン・ストロンチウム・コバルト・マンガン・鉄酸化物(LSCMF)であることを特徴とする二酸化マンガン担持方法。
A method for supporting manganese dioxide according to claim 1 or 2 ,
The material of the porous ceramic member is lanthanum / strontium / manganite (LSM), lanthanum / strontium / manganese / iron oxide (LSMF) or lanthanum / strontium / cobalt / manganese / iron oxide (LSCMF). A feature of supporting manganese dioxide.
請求項1ないしのいずれかに記載の二酸化マンガン担持方法にて二酸化マンガン担持させる工程を含むことを特徴とする多孔質セラミック部材の製造方法A method for producing a porous ceramic member , comprising the step of supporting manganese dioxide by the method for supporting manganese dioxide according to any one of claims 1 to 3 . 多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる二酸化マンガン担持方法であって、
a)マンガン原子を含まない多孔質セラミック部材を、過マンガン酸カリウム水溶液に浸漬させた後、乾燥させる工程と、
b)前記a)工程の前または後に、前記多孔質セラミック部材を、硫酸マンガン水溶液に浸漬させた後、乾燥させる工程と、
c)前記a)およびb)工程の後に、耐圧容器内において、前記多孔質セラミック部材を、過マンガン酸カリウムを溶解させた水溶液に浸漬する工程と、
d)前記c)工程の後に、前記耐圧容器内にて前記水溶液を加熱し、水熱合成法により前記多孔質セラミック部材に二酸化マンガンを担持させる工程と、
を備えることを特徴とする二酸化マンガン担持方法。
A method for supporting manganese dioxide in which manganese dioxide is supported on a porous ceramic member,
a) a step of immersing a porous ceramic member containing no manganese atom in an aqueous potassium permanganate solution and then drying;
b) Before or after the step a), the porous ceramic member is immersed in an aqueous manganese sulfate solution and then dried;
c) a step of immersing the porous ceramic member in an aqueous solution in which potassium permanganate is dissolved in the pressure vessel after the steps a) and b);
d) after the step c), heating the aqueous solution in the pressure vessel, and supporting the manganese dioxide on the porous ceramic member by a hydrothermal synthesis method;
A method for supporting manganese dioxide, comprising:
請求項に記載の二酸化マンガン担持方法であって、
前記c)工程における前記水溶液に、硫酸マンガンがさらに溶解していることを特徴とする二酸化マンガン担持方法。
The manganese dioxide carrying method according to claim 5 ,
A method for supporting manganese dioxide, wherein manganese sulfate is further dissolved in the aqueous solution in the step c).
請求項に記載の二酸化マンガン担持方法であって、
前記c)工程における前記水溶液において、過マンガン酸カリウムに対する硫酸マンガンのモル比が、0.35以上1.36以下であることを特徴とする二酸化マンガン担持方法。
It is a manganese dioxide carrying | support method of Claim 6 , Comprising:
In the aqueous solution in step c), a manganese dioxide supporting method, wherein a molar ratio of manganese sulfate to potassium permanganate is 0.35 or more and 1.36 or less.
請求項ないしのいずれかに記載の二酸化マンガン担持方法であって、
前記多孔質セラミック部材の材質が、アルミナ、コージェライト、ジルコニア、ムライトまたはシリカであることを特徴とする二酸化マンガン担持方法。
A method for supporting manganese dioxide according to any one of claims 5 to 7 ,
A method for supporting manganese dioxide, wherein the material of the porous ceramic member is alumina, cordierite, zirconia, mullite, or silica.
請求項ないしのいずれかに記載の二酸化マンガン担持方法にて二酸化マンガン担持させる工程を含むことを特徴とする多孔質セラミック部材の製造方法 Method for producing a porous ceramic member which comprises a step of supporting the manganese dioxide in the manganese dioxide loading method according to any one of claims 5 to 8.
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