JP7667964B2 - Electrode catalyst and method for producing same - Google Patents
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Description
本発明は、電極触媒及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode catalyst and a method for producing the same.
水素は燃焼時にCO2排出がゼロであり、化石燃料に代わるクリーンなエネルギー源として期待されている。特に、水の電気分解法による水素製造方法は、太陽光、風力、水力等の再生可能なエネルギーを電力とするので、一切CO2を排出せず、クリーンな水素の製造方法として大きな期待が寄せられている。 Hydrogen emits zero CO2 when burned, and is expected to be a clean energy source to replace fossil fuels. In particular, the method of producing hydrogen by electrolysis of water uses renewable energy such as solar, wind, and hydroelectric power, so it does not emit any CO2 and is highly anticipated as a clean method of producing hydrogen.
水の電気分解用の電極としては、炭素基材等の電極基材上に白金粒子触媒を固定したものが知られている。しかしながら、白金は価格が高く、資源量にも限りがあるため、白金の使用量を低減する技術や白金代替触媒及び/又は電極の開発が求められている。 As an electrode for electrolysis of water, one that has a platinum particle catalyst fixed onto an electrode substrate such as a carbon substrate is known. However, platinum is expensive and the resource is limited, so there is a demand for technology to reduce the amount of platinum used and for the development of alternative catalysts and/or electrodes.
この観点から、例えば、特許文献1等には、水の電気分解用の電極として、ナノサイズの微細化構造を有する遷移金属(例えば、Co、Ni、Mn等)を含有する新規触媒が提案されている。 From this perspective, for example, Patent Document 1 and the like propose a new catalyst containing a transition metal (e.g., Co, Ni, Mn, etc.) with a nano-sized fine structure as an electrode for electrolysis of water.
しかしながら、水の電気分解によって水素を製造するにあたり、近年、電極に求められる性能として、より低い過電圧であること、ターフェル勾配が小さいこと、長期安定性を有すること等が挙げられており、これらの性能を高めるという点において、従来の電極には改善の余地が残されていた。 However, in recent years, the performance required of electrodes for producing hydrogen through the electrolysis of water has been listed as lower overpotential, a small Tafel slope, and long-term stability, and there is still room for improvement in conventional electrodes in terms of improving these performances.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、過電圧が低く、ターフェル勾配が小さい上に長期安定性も有する電極触媒及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and aims to provide an electrode catalyst that has a low overpotential, a small Tafel slope, and long-term stability, and a method for producing the same.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定の金属元素を含有する複合化合物で触媒を形成することによりすることにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research into achieving the above object, the inventors discovered that the above object could be achieved by forming a catalyst from a complex compound containing a specific metal element, and thus completed the present invention.
すなわち、本発明は、例えば、以下の項に記載の主題を包含する。
項1
炭素基材上に触媒を備える電極触媒であって、
前記触媒は、Zn、Cu、Ni、Mn、Fe及びCrからなる群より選ばれる1種の金属元素Mと、Vと、Coとを構成元素とする複合化合物を含む、電極触媒。
項2
前記複合化合物は、前記金属元素Mと、VOx(ただし、xは2以上3以下の数である)と、Coとを含む、項1に記載の電極触媒。
項3
項1又は2に記載の電極触媒の製造方法であって、
炭素基材を、金属元素M源、V源及びCo源を含む溶液に浸漬させて電着処理する工程を備える、電極触媒の製造方法。
項4
項1又は2に記載の電極触媒を備える、水素製造用電極。
項5
項4に記載の電極を使用して電解処理を行う工程を含む、水素の製造方法。
That is, the present invention includes, for example, the subject matter described in the following sections.
Item 1
An electrocatalyst comprising a catalyst on a carbon substrate,
The catalyst is an electrode catalyst comprising a composite compound having one metal element M selected from the group consisting of Zn, Cu, Ni, Mn, Fe, and Cr, V, and Co as constituent elements.
Item 2
2. The electrode catalyst according to item 1, wherein the composite compound contains the metal element M, VO x (wherein x is a number between 2 and 3), and Co.
Item 3
Item 1 or 2, a method for producing an electrode catalyst,
A method for producing an electrode catalyst, comprising a step of immersing a carbon substrate in a solution containing a source of metal elements M, a source of V, and a source of Co to perform electrodeposition treatment.
Item 4
Item 3. An electrode for producing hydrogen, comprising the electrode catalyst according to item 1 or 2.
Item 5
Item 5. A method for producing hydrogen, comprising a step of electrolysis using the electrode according to item 4.
本発明に係る電極触媒は、水素製造用の電極として使用することができ、水素製造時において、過電圧が低く、ターフェル勾配も小さく、かつ、長期安定性にも優れる。 The electrode catalyst according to the present invention can be used as an electrode for producing hydrogen, and during hydrogen production, it has a low overvoltage, a small Tafel slope, and excellent long-term stability.
1.電極触媒
本発明の電極触媒は、炭素基材上に触媒を備えるものであって、前記触媒は、Zn、Cu、Ni、Mn、Fe及びCrからなる群より選ばれる1種の金属元素Mと、V(バナジウム)と、Co(コバルト)とを構成元素とする複合化合物を含む。斯かる電極触媒は水素製造用の電極として好適に使用することができる。具体的に、本発明に係る電極触媒は、水素製造時において過電圧を低くすることができ、ターフェル勾配も小さく、しかも、長期安定性にも優れる。
1. Electrode catalyst The electrode catalyst of the present invention is provided on a carbon substrate, and the catalyst includes a composite compound having one metal element M selected from the group consisting of Zn, Cu, Ni, Mn, Fe, and Cr, V (vanadium), and Co (cobalt). Such an electrode catalyst can be suitably used as an electrode for hydrogen production. Specifically, the electrode catalyst according to the present invention can reduce the overvoltage during hydrogen production, has a small Tafel slope, and is also excellent in long-term stability.
炭素基材は、複合化合物を支持するための基材であって、その種類は特に限定されず、例えば、公知の炭素基材を広く挙げることができる。炭素基材の具体例としては、カーボンペーパー、カーボンファイバーペーパー、カーボンロッド(炭素棒)等が挙げられる。 The carbon substrate is a substrate for supporting a composite compound, and the type is not particularly limited, and examples thereof include a wide variety of known carbon substrates. Specific examples of carbon substrates include carbon paper, carbon fiber paper, and carbon rods.
炭素基材は、例えば、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販品等から入手することもできる。電極基材の形状及び大きさは特に制限されず、使用目的や要求される性能により適宜選択することができる。例えば、炭素基材の形状は、繊維状、シート状、板状、棒状、メッシュ状等とすることができる。 The carbon substrate can be obtained, for example, by a known manufacturing method, or can be obtained from a commercial product. The shape and size of the electrode substrate are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose of use and the required performance. For example, the shape of the carbon substrate can be fibrous, sheet, plate, rod, mesh, etc.
炭素基材には、前記複合化合物が形成されている。斯かる複合化合物は前述のように、金属元素Mと、V(バナジウム)と、Co(コバルト)とを含む。 The composite compound is formed on the carbon substrate. As described above, the composite compound contains the metal element M, V (vanadium), and Co (cobalt).
金属元素Mは、Zn、Cu、Ni、Mn、Fe及びCrからなる群より選ばれる1種であり、中でも金属元素Mは、Zn(亜鉛)であることが特に好ましい。この場合、電極触媒は、水素製造時の過電圧を特に低くすることができ、ターフェル勾配も特に小さくすることができ、かつ、電極触媒の長期安定性も特に優れるものとなる。 The metal element M is one selected from the group consisting of Zn, Cu, Ni, Mn, Fe, and Cr, and among them, it is particularly preferable that the metal element M is Zn (zinc). In this case, the electrode catalyst can particularly reduce the overvoltage during hydrogen production, can particularly reduce the Tafel slope, and has particularly excellent long-term stability.
前記複合化合物は、金属元素Mと、Vと、Coとを含む限り、その化合物の形態は特に限定されない。水素製造時の過電圧をより低くすることができるという点で、前記複合化合物は、前記金属元素Mと、VOx(ただし、xは2以上3以下の数である)と、Coとを含むことが好ましく、前記複合化合物は、前記金属元素Mと、VOxと、Coとの合金であることがより好ましい。斯かる合金において、金属元素M及びCoは0価である。 The form of the composite compound is not particularly limited as long as it contains the metal element M, V, and Co. In terms of being able to further reduce the overvoltage during hydrogen production, the composite compound preferably contains the metal element M, VO x (wherein x is a number between 2 and 3), and Co, and more preferably is an alloy of the metal element M, VO x , and Co. In such an alloy, the metal elements M and Co are zero-valent.
前記複合化合物において、金属元素M、V及びCoの含有割合は特に限定されない。例えば、前記複合化合物の全量に対して、Coの含有割合は80~99モル%であることが好ましく、85~98モル%であることがより好ましく、90~97モル%であることがさらに好ましい。また、前記複合化合物の全量に対して、Vの含有割合は0.5~10モル%であることが好ましく、1~7.5モル%であることがより好ましく、1.5~5モル%であることがさらに好ましい。また、前記複合化合物の全量に対して、金属元素Mの含有割合は0.5~10モル%であることが好ましく、1~7.5モル%であることがより好ましく、1.5~5モル%であることがさらに好ましい。 In the composite compound, the content ratios of the metal elements M, V, and Co are not particularly limited. For example, the content ratio of Co is preferably 80 to 99 mol%, more preferably 85 to 98 mol%, and even more preferably 90 to 97 mol%, relative to the total amount of the composite compound. The content ratio of V is preferably 0.5 to 10 mol%, more preferably 1 to 7.5 mol%, and even more preferably 1.5 to 5 mol%, relative to the total amount of the composite compound. The content ratio of the metal element M is preferably 0.5 to 10 mol%, more preferably 1 to 7.5 mol%, and even more preferably 1.5 to 5 mol%, relative to the total amount of the composite compound.
本発明の電極触媒において、炭素基材上に形成されている触媒は、本発明の効果が阻害されない限り、前記複合化合物以外の元素や化合物等を含むこともできる。触媒は、前記複合化合物を80質量%以上含むことが好ましく、90質量%以上含むことがより好ましく、95質量%以上含むことがさらに好ましい。触媒は、前記複合化合物のみで形成することもできる。 In the electrode catalyst of the present invention, the catalyst formed on the carbon substrate may contain elements or compounds other than the complex compound, as long as the effect of the present invention is not impaired. The catalyst preferably contains 80% by mass or more of the complex compound, more preferably 90% by mass or more, and even more preferably 95% by mass or more. The catalyst may be formed only from the complex compound.
本発明の電極触媒は、炭素基材上に形成されている触媒が前記複合化合物を含むことで、水素製造時の過電圧をより低くすることができ、ターフェル勾配もより小さくすることができ、かつ、長期安定性もより小さくすることができる。 The electrode catalyst of the present invention, in which the catalyst formed on the carbon substrate contains the above-mentioned composite compound, can lower the overvoltage during hydrogen production, can reduce the Tafel slope, and can also reduce long-term stability.
本発明の電極触媒において、触媒の形状は特に限定されない。例えば、触媒は、薄膜状であることが好ましい。つまり、触媒は、炭素基材上に薄膜として形成されていることが好ましい。斯かる薄膜の厚みは特に限定されず、例えば、0.1~100μmとすることができ、中でもナノシート状であることが特に好ましい。触媒がナノシート状に形成されている場合、その厚みは10~2000nm、好ましくは100~1000nm、より好ましくは200~500nmである。触媒は、炭素基材の一部又は全部を被覆することができる。炭素基材が繊維状である場合は、繊維を覆うように触媒が形成され得る。 In the electrode catalyst of the present invention, the shape of the catalyst is not particularly limited. For example, the catalyst is preferably in the form of a thin film. In other words, the catalyst is preferably formed as a thin film on a carbon substrate. The thickness of such a thin film is not particularly limited and can be, for example, 0.1 to 100 μm, and is particularly preferably in the form of a nanosheet. When the catalyst is formed in the form of a nanosheet, its thickness is 10 to 2000 nm, preferably 100 to 1000 nm, and more preferably 200 to 500 nm. The catalyst can cover a part or the whole of the carbon substrate. When the carbon substrate is in the form of fibers, the catalyst can be formed so as to cover the fibers.
本発明の電極触媒において、触媒が薄膜状に形成されている場合、薄膜は多孔質構造を有することもできる。また、薄膜は単層のみならず積層構造を有することもできる。 In the electrode catalyst of the present invention, when the catalyst is formed in a thin film, the thin film can have a porous structure. In addition, the thin film can have not only a single layer but also a laminated structure.
特に本発明の電極触媒は、金属元素Mがドープされた複合化合物を含むので、触媒中に金属元素Mが均一に分布しやすくなり、また、多孔質構造の成長も促されやすくなり、結果として、優れた触媒性能が発現され得る。必ずしも限定的な解釈を望むものではないが、複合化合物は、Coと酸化バナジウム(VOx)クラスター間の強い相互作用に加え、ドープされた金属元素Mにより、結晶構造、電子構造及び配位環境が原子スケールで更に調整され、この結果として、複合化合物を含む触媒は優れた性能を発揮できるものと推察される。 In particular, since the electrode catalyst of the present invention contains a composite compound doped with a metal element M, the metal element M is more likely to be uniformly distributed in the catalyst and the growth of a porous structure is more likely to be promoted, resulting in excellent catalytic performance. Although not necessarily wishing to limit the interpretation, it is presumed that in the composite compound, in addition to the strong interaction between Co and the vanadium oxide (VO x ) cluster, the crystal structure, electronic structure and coordination environment are further adjusted on an atomic scale by the doped metal element M, and as a result, the catalyst containing the composite compound can exhibit excellent performance.
本発明の電極触媒において最も好ましい複合化合物は、VOx-Co複合化合物にZn(亜鉛)がドープされた複合化合物を含むことである。Znは、VOx-Co複合化合物と合金を形成している。 The most preferred composite compound in the electrode catalyst of the present invention is a composite compound in which a VO x -Co composite compound is doped with Zn (zinc), where Zn forms an alloy with the VO x -Co composite compound.
本発明の電極触媒は、炭素基材及び触媒のみで形成されていてもよいし、本発明の効果が阻害されない程度である限りは、他の材料が組み合わされてもよい。電極触媒は、例えば、炭素基材上に直接(他の層等を介さずに)触媒が形成され得る。電極触媒において、触媒上には何らの層も形成されていないことが好ましい。 The electrode catalyst of the present invention may be formed only from a carbon substrate and a catalyst, or may be combined with other materials as long as the effect of the present invention is not impaired. For example, the electrode catalyst may be formed directly on the carbon substrate (without any other layer, etc.). In the electrode catalyst, it is preferable that no layer is formed on the catalyst.
従って、本発明の電極触媒は、各種電気分解の電極への使用に適しており、特に、水の電気分解用の電極として使用した場合、優れた水素発生効率をもたらすことができることから、水素発生用の電極への使用に適している。 The electrode catalyst of the present invention is therefore suitable for use in electrodes for various electrolysis, and in particular, when used as an electrode for water electrolysis, it is capable of providing excellent hydrogen generation efficiency, making it suitable for use in electrodes for hydrogen generation.
2.電極触媒の製造方法
本発明の電極触媒は、例えば、炭素基材を、前記金属元素M源、V源(バナジウム源)及びCo(コバルト源)源を含む溶液に浸漬して電着処理する工程を備える製造方法によって得ることができる。以下、斯かる工程を「工程1」と表記する。工程1で使用する前記金属元素M源、V源及びCo源は、本発明の電極触媒における複合化合物の原料である。
2. Manufacturing method of electrode catalyst The electrode catalyst of the present invention can be obtained, for example, by a manufacturing method including a step of immersing a carbon substrate in a solution containing the metal element M source, a V source (vanadium source), and a Co (cobalt source) source to perform electrodeposition treatment. Hereinafter, such a step will be referred to as "Step 1." The metal element M source, V source, and Co source used in Step 1 are raw materials of the composite compound in the electrode catalyst of the present invention.
工程1で使用する炭素基材は、本発明の電極触媒における炭素基材と同様である。 The carbon substrate used in step 1 is the same as the carbon substrate in the electrode catalyst of the present invention.
金属元素M源において、金属元素Mは前記複合化合物における金属元素Mと同じである。従って、金属元素M源において、金属元素MはZn、Cu、Ni、Mn、Fe及びCrからなる群より選ばれる1種であり、中でも金属元素Mは、Zn(亜鉛)であることが特に好ましい。 In the metal element M source, the metal element M is the same as the metal element M in the composite compound. Therefore, in the metal element M source, the metal element M is one selected from the group consisting of Zn, Cu, Ni, Mn, Fe, and Cr, and among them, it is particularly preferable that the metal element M is Zn (zinc).
金属元素M源は、例えば、金属元素M単体、又は、金属元素Mを含有する化合物が例示され、金属元素Mを含有する化合物が好ましい。 The source of the metal element M can be, for example, the metal element M alone or a compound containing the metal element M, with a compound containing the metal element M being preferred.
金属元素Mを含有する化合物の種類は特に限定されない。例えば、金属元素Mを含有する化合物としては、金属元素Mの無機酸塩、金属元素Mの有機酸塩、金属元素Mの水酸化物及び金属元素Mのハロゲン化物等を広く使用することができる。 The type of compound containing the metal element M is not particularly limited. For example, a wide variety of compounds containing the metal element M can be used, including inorganic acid salts of the metal element M, organic acid salts of the metal element M, hydroxides of the metal element M, and halides of the metal element M.
金属元素Mの無機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、金属元素Mの硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。電極触媒の製造が容易になるという点で、金属元素Mの無機酸塩としては、金属元素Mの硫酸塩(例えば、ZnSO4)であることが好ましい。 A wide variety of known compounds can be used as the inorganic acid salt of the metal element M, and examples thereof include one or more selected from the group consisting of nitrates, hydrochlorides, sulfates, carbonates, hydrogencarbonates, phosphates, and hydrogenphosphates of the metal element M. In terms of facilitating the production of the electrode catalyst, the inorganic acid salt of the metal element M is preferably a sulfate of the metal element M (e.g., ZnSO4 ).
金属元素Mの有機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、金属元素Mの酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 A wide variety of known compounds can be used as the organic acid salt of metal element M, and examples of such compounds include one or more selected from the group consisting of acetates, oxalates, formates, and succinates of metal element M.
工程1で使用する金属元素M源は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。金属元素Mを含む化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販の金属元素Mを含有する化合物を使用することもできる。 The source of metal element M used in step 1 may be a single type, or two or more types may be used in combination. The compound containing metal element M may be obtained by a known manufacturing method, or a commercially available compound containing metal element M may be used.
工程1で使用するV源(バナジウム源)は、V(バナジウム)を含む限り特に限定されず、例えば、V単体、又は、Vを含有する化合物が例示され、Vを含有する化合物が好ましい。 The V source (vanadium source) used in step 1 is not particularly limited as long as it contains V (vanadium), and examples include V alone or a compound containing V, with a compound containing V being preferred.
Vを含有する化合物の種類は特に限定されない。例えば、Vを含有する化合物としては、Vの無機酸塩、Vのオキソアニオンを含む化合物(金属酸塩)、Vの有機酸塩、Vの水酸化物及びVのハロゲン化物等を広く使用することができる。 The type of compound containing V is not particularly limited. For example, a wide variety of compounds containing V can be used, including inorganic acid salts of V, compounds containing an oxoanion of V (metal acid salts), organic acid salts of V, hydroxides of V, and halides of V.
Vの無機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、Vの硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 A wide variety of known compounds can be used as the inorganic acid salt of V, and examples of such salts include one or more selected from the group consisting of nitrates, hydrochlorides, sulfates, carbonates, hydrogencarbonates, phosphates, and hydrogenphosphates of V.
Vのオキソアニオンを含む化合物としては、Vのオルト酸塩、Vのメタ酸塩等を挙げることができ、具体的には、バナジウム酸塩が挙げられ、例えば、バナジン(V)酸アンモニウム(NH4VO3)が挙げられる。 Examples of compounds containing an oxoanion of V include an orthoacid salt of V and a metaacid salt of V. Specific examples include vanadates, such as ammonium vanadate (V) (NH 4 VO 3 ).
Vの有機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、Vの酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 A wide variety of known compounds can be used as the organic acid salt of V, and examples of such compounds include one or more selected from the group consisting of acetate, oxalate, formate, and succinate salts of V.
工程1で使用するV源は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。Vを含む化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販のVを含有する化合物を使用することもできる。 The V source used in step 1 may be a single type, or two or more types may be used in combination. The V-containing compound may be obtained by a known production method, or a commercially available V-containing compound may be used.
工程1で使用するCo源(コバルト源)は、Co(コバルト)を含む限り特に限定されず、例えば、Co単体、又は、Coを含有する化合物が例示され、Coを含有する化合物が好ましい。 The Co source (cobalt source) used in step 1 is not particularly limited as long as it contains Co (cobalt), and examples include simple Co or a compound containing Co, with a compound containing Co being preferred.
Coを含有する化合物の種類は特に限定されない。例えば、Coを含有する化合物としては、Coの無機酸塩、Coの有機酸塩、Coの水酸化物及びCoのハロゲン化物等を広く使用することができる。 The type of the Co-containing compound is not particularly limited. For example, a wide variety of Co-containing compounds can be used, including inorganic acid salts of Co, organic acid salts of Co, hydroxides of Co, and halides of Co.
Coの無機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、Coの硝酸塩、塩酸塩、硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩及びリン酸水素塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。電極触媒の製造が容易になるという点で、Coの無機酸塩としては、Coの硫酸塩(例えば、CoSO4)であることが好ましい。 As the inorganic acid salt of Co, a wide variety of known compounds can be used, and examples thereof include one or more selected from the group consisting of Co nitrates, hydrochlorides, sulfates, carbonates, hydrogencarbonates, phosphates, hydrogenphosphates, etc. In terms of facilitating the production of the electrode catalyst, the inorganic acid salt of Co is preferably a Co sulfate (e.g., CoSO 4 ).
Coの有機酸塩としては、公知の化合物を広く採用することができ、例えば、Coの酢酸塩、シュウ酸塩、蟻酸塩、コハク酸塩等からなる群より選ばれる1種以上を挙げることができる。 A wide variety of known compounds can be used as the organic acid salt of Co, and examples of such compounds include one or more selected from the group consisting of acetate, oxalate, formate, and succinate of Co.
工程1で使用するCo源は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。Coを含む化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販のCoを含有する化合物を使用することもできる。 The Co source used in step 1 may be a single type, or two or more types may be used in combination. The Co-containing compound may be obtained by a known manufacturing method, or a commercially available Co-containing compound may be used.
工程1では、前記金属元素M源、V源及びCo源を含む溶液を使用する。この溶液の調製方法は特に限定されず、例えば、前記金属元素M源、V源及びCo源と溶媒とを所定の割合で混合することで調製できる。溶媒は特に限定されず、例えば、水が挙げられ、その他、水と低級アルコール化合物との混合溶媒であってもよい。 In step 1, a solution containing the metal element M source, the V source, and the Co source is used. The method for preparing this solution is not particularly limited, and for example, the solution can be prepared by mixing the metal element M source, the V source, and the Co source with a solvent in a predetermined ratio. The solvent is not particularly limited, and examples thereof include water, and may also be a mixed solvent of water and a lower alcohol compound.
溶液における原料の濃度は特に限定されない。原料の溶解性及び反応性が優れる観点から、金属元素M源、V源及びCo源の各濃度が1mM~1Mとなるように溶媒を使用することが好ましい。より具体的には、溶液における金属元素M源の濃度は、1~100mMであることが好ましく、3~50mMであることがより好ましい。また、溶液におけるV源の濃度は、1~100mMであることが好ましく、3~50mMであることがより好ましい。また、溶液におけるCo源の濃度は、50~1000mMであることが好ましく、100~600mMであることがより好ましい。 The concentrations of the raw materials in the solution are not particularly limited. From the viewpoint of excellent solubility and reactivity of the raw materials, it is preferable to use a solvent so that the concentrations of the metal element M source, V source, and Co source are each 1 mM to 1 M. More specifically, the concentration of the metal element M source in the solution is preferably 1 to 100 mM, and more preferably 3 to 50 mM. The concentration of the V source in the solution is preferably 1 to 100 mM, and more preferably 3 to 50 mM. The concentration of the Co source in the solution is preferably 50 to 1000 mM, and more preferably 100 to 600 mM.
前記溶液において、金属元素M、V及びCoの含有割合は特に限定されない。例えば、前記溶液中の金属元素M、V及びCoの全量に対して、Coの含有割合は80~99モル%であることが好ましく、85~98モル%であることがより好ましく、90~97モル%であることがさらに好ましい。また、前記複合化合物の全量に対して、Vの含有割合は0.5~10モル%であることが好ましく、1~7.5モル%であることがより好ましく、1.5~5モル%であることがさらに好ましい。また、前記複合化合物の全量に対して、金属元素Mの含有割合は0.5~10モル%であることが好ましく、1~7.5モル%であることがより好ましく、1.5~5モル%であることがさらに好ましい。 In the solution, the content ratios of the metal elements M, V, and Co are not particularly limited. For example, the content ratio of Co is preferably 80 to 99 mol%, more preferably 85 to 98 mol%, and even more preferably 90 to 97 mol% relative to the total amount of the metal elements M, V, and Co in the solution. Furthermore, the content ratio of V is preferably 0.5 to 10 mol%, more preferably 1 to 7.5 mol%, and even more preferably 1.5 to 5 mol% relative to the total amount of the complex compound. Furthermore, the content ratio of the metal element M is preferably 0.5 to 10 mol%, more preferably 1 to 7.5 mol%, and even more preferably 1.5 to 5 mol% relative to the total amount of the complex compound.
溶液には、適宜、pH調整剤等の添加剤が含まれていても良い。溶液がpH調整剤を含む場合、溶液のpHが安定することで、Co源(例えば硫酸コバルト)等の加水分解が抑制されやすく、電着処理をより安定に行うことができる。pH調整剤の種類は特に限定されず、H3BO4等、公知のpH調整剤を広く使用することができる。 The solution may contain additives such as a pH adjuster as appropriate. When the solution contains a pH adjuster, the pH of the solution is stabilized, which makes it easier to suppress hydrolysis of the Co source (e.g., cobalt sulfate), etc., and the electrodeposition process can be performed more stably. The type of pH adjuster is not particularly limited, and a wide variety of known pH adjusters, such as H 3 BO 4 , can be used.
工程1において、電着処理の方法は特に限定されず、例えば、公知の電着処理の方法を広く採用することができる。例えば、前記溶液に炭素基材を浸漬し、電着処理を実施することができる。 In step 1, the method of electrodeposition is not particularly limited, and any known electrodeposition method can be widely used. For example, the electrodeposition can be performed by immersing the carbon substrate in the solution.
電着処理は、各種の電着法を挙げることができる。電着法としては、定電流法(GM)、定電圧法(PM)、サイクリックボルタンメトリー法(CV)、パルス電着処理法などの電着処理方法などが挙げられる。パルス電着処理法は、金属イオンの電着速度を制御できる電着処理法であり、例えば、高端電圧と低端電圧とを一定周期で印加するパルス電圧法(PPM)、高端電流と低端電流とを一定周期で印加するパルス電流法(PGM)、高端電圧の印加と開回路状態とを一定周期で繰り返し行う単極性パルス電圧法(UPED)などが挙げられる。 Electrodeposition can be performed by various electrodeposition methods. Examples of electrodeposition methods include the constant current method (GM), constant voltage method (PM), cyclic voltammetry method (CV), and pulse electrodeposition method. The pulse electrodeposition method is an electrodeposition method that can control the electrodeposition speed of metal ions, and examples of the pulse electrodeposition method include the pulse voltage method (PPM) in which a high-end voltage and a low-end voltage are applied at regular intervals, the pulse current method (PGM) in which a high-end current and a low-end current are applied at regular intervals, and the unipolar pulse voltage method (UPED) in which the application of a high-end voltage and an open circuit state are repeated at regular intervals.
電着処理の条件も特に限定されない。例えば、印加電圧として-2~2V(好ましくは1.5~2V)、電着時間を100~2000秒(好ましくは300~1800秒)とすることができる。電着処理を行う際の溶液の温度は特に制限されず、例えば0~50℃程度、好ましくは20~30℃とすることができる。 The conditions for the electrodeposition process are not particularly limited. For example, the applied voltage can be -2 to 2 V (preferably 1.5 to 2 V), and the electrodeposition time can be 100 to 2000 seconds (preferably 300 to 1800 seconds). The temperature of the solution used for the electrodeposition process is not particularly limited, and can be, for example, about 0 to 50°C, preferably 20 to 30°C.
電着処理は、炭素基材をカソード(作用電極)として使用して、電着処理を行うことができる。電着処理では、カソードの他、対電極、参照電極、電解装置、電源、制御ソフトウェア等を使用することができる。これらの種類は、特に制限されず、目的に応じて公知のものを使用することができる。例えば、参照電極としては、銀/塩化銀電極(Ag/AgCl電極)、水銀/塩化水銀電極(Hg/HgCl2電極)、標準水素電極などを使用することができる。対電極としては、白金線を使用することができる。 The electrodeposition process can be performed using a carbon substrate as a cathode (working electrode). In the electrodeposition process, in addition to the cathode, a counter electrode, a reference electrode, an electrolysis device, a power source, control software, and the like can be used. The types of these are not particularly limited, and known electrodes can be used depending on the purpose. For example, a silver/silver chloride electrode (Ag/AgCl electrode), a mercury/mercury chloride electrode (Hg/HgCl 2 electrode), a standard hydrogen electrode, and the like can be used as the reference electrode. A platinum wire can be used as the counter electrode.
工程1における電着処理によって、炭素基材に前記複合化合物が形成され、本発明の電極触媒が得られる。 By the electrodeposition process in step 1, the composite compound is formed on the carbon substrate, and the electrode catalyst of the present invention is obtained.
本発明の製造方法は、工程1以外の構成を備えるものであってもよいし、工程1のみをそなえるものであってもよい。つまり、本発明の製造方法では、電着処理の後、焼成処理等の工程を備えずとも目的の電極触媒を得ることができる。従って、本発明の製造方法では従来よりも簡便な工程でありながら、優れた触媒性能を有する電極触媒を得ることができる。 The manufacturing method of the present invention may include a configuration other than step 1, or may include only step 1. In other words, the manufacturing method of the present invention can obtain the desired electrode catalyst without including a step such as a calcination step after the electrodeposition process. Therefore, the manufacturing method of the present invention can obtain an electrode catalyst with excellent catalytic performance while using simpler steps than conventional methods.
3.水素の製造方法
本発明の水素の製造方法は、前述の本発明の電極触媒を使用して電解処理を行う工程を含む。あるいは、本発明の水素の製造方法は、前述の本発明の電極触媒の製造方法で得られた電極触媒を使用して電解処理を行う工程を含む。
3. Hydrogen Production Method The hydrogen production method of the present invention includes a step of performing an electrolysis process using the above-mentioned electrode catalyst of the present invention. Alternatively, the hydrogen production method of the present invention includes a step of performing an electrolysis process using the electrode catalyst obtained by the above-mentioned method of producing an electrode catalyst of the present invention.
本発明の水素の製造方法は、電極触媒を、例えば、カソードとして使用することができる。 The hydrogen production method of the present invention can use an electrode catalyst, for example, as a cathode.
一方、本発明の水素の製造方法において、アノードとしては、一般に水の電気分解においてアノードとして用いられる電極を使用することができる。例えば、炭素、白金、金などの貴金属などを素材とする電極をカソードとして用いることができる。 On the other hand, in the hydrogen production method of the present invention, an electrode that is generally used as an anode in the electrolysis of water can be used as the anode. For example, an electrode made of carbon, platinum, gold, or other precious metals can be used as the cathode.
本発明の水素の製造方法において、電気分解で使用する水溶液としては、一般に水の電気分解において用いられる成分を含む水溶液を使用することができる。水溶液は、ヨウ素、臭素などのハロゲン、硫酸イオンなどを含むこともできる。なお、ヨウ素を含む水溶液を用いる場合、アノードにおいてヨウ素酸イオンが生成される。水溶液は酸性領域、中性領域及びアルカリ性領域のいずれでもよい。例えば、アルカリ領域では、KOH,NaOH等の水溶液を使用することができ、酸性領域では、塩酸、硫酸等の水溶液を使用することができ、中性領域では、PBS(リン酸緩衝生理食塩水)等を使用することができる。 In the hydrogen production method of the present invention, the aqueous solution used in electrolysis can be an aqueous solution containing components generally used in the electrolysis of water. The aqueous solution can also contain halogens such as iodine and bromine, sulfate ions, etc. When an aqueous solution containing iodine is used, iodate ions are generated at the anode. The aqueous solution can be in the acidic, neutral, or alkaline range. For example, in the alkaline range, aqueous solutions of KOH, NaOH, etc. can be used, in the acidic range, aqueous solutions of hydrochloric acid, sulfuric acid, etc. can be used, and in the neutral range, PBS (phosphate buffered saline), etc. can be used.
水素の製造方法の具体的な例を挙げると、本発明の電極触媒をカソード、白金板をアノードとし、KOH、H2SO4又はPBS水溶液を電解液として、電圧を印加する。これにより、カソードにおいて水素を生成させることができる。また、印加電圧を増加させることにより、水素の生成速度を上昇させることができる。 A specific example of a method for producing hydrogen is to use the electrode catalyst of the present invention as a cathode, a platinum plate as an anode, and KOH, H2SO4 or PBS aqueous solution as an electrolyte, and apply a voltage. This allows hydrogen to be produced at the cathode. In addition, the rate of hydrogen production can be increased by increasing the applied voltage.
水素の製造方法により製造された水素は、燃料電池や水素エンジンなどの燃料として好ましく使用することができる。 Hydrogen produced by this method can be preferably used as fuel for fuel cells, hydrogen engines, etc.
本発明の水素の製造方法では、前記電極触媒を電極として使用することから、過電圧の上昇が起こりにくく、水素を効率よく製造することができる。 In the hydrogen production method of the present invention, the electrode catalyst is used as an electrode, so that an increase in overvoltage is unlikely to occur and hydrogen can be produced efficiently.
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の態様に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
炭素基材として、カーボンペーパー(2×2cm)を、濃硝酸溶液中で1時間超音波洗浄し、エタノールと脱イオン水で洗浄後、真空乾燥オーブンで12時間乾燥させた。この炭素基材を作用電極とし、Ptワイヤーを対電極に、Ag/AgClを参照電極に使用した三電極システムを用いた電気化学的参加(陽極酸化)プロセスによって、溶液中で電着処理を行った。溶液は、0.5MのCoSO4水溶液50mL、10mMのZnSO4水溶液50mL、10mMのNH4VO3水溶液50mL及び0.5MのH3BO3水溶液50mLを混合することで調製した。また、電着条件は、室温(25℃)で-1.7V(vs.RHE)で1200秒間の電着とした。この電着処理により、炭素基材上に複合化合物を形成させ、目的の電極触媒を得た。得られた電極触媒を「Zn-VOx-Co」又は「Zn-VOx-Co-10」と命名した。なお、合成条件及び仕込み比から、得られたZn-VOx-Coは、ZnとVOxとCoとの合金であって、xは2以上3以下であると推認できた。
Example 1
As the carbon substrate, carbon paper (2 x 2 cm) was ultrasonically cleaned in a concentrated nitric acid solution for 1 hour, washed with ethanol and deionized water, and then dried in a vacuum drying oven for 12 hours. Electrodeposition was performed in the solution by an electrochemical oxidation (anodic oxidation) process using a three-electrode system in which the carbon substrate was used as the working electrode, a Pt wire was used as the counter electrode, and Ag/AgCl was used as the reference electrode. The solution was prepared by mixing 50 mL of a 0.5 M CoSO 4 aqueous solution, 50 mL of a 10 mM ZnSO 4 aqueous solution, 50 mL of a 10 mM NH 4 VO 3 aqueous solution, and 50 mL of a 0.5 M H 3 BO 3 aqueous solution. The electrodeposition conditions were -1.7 V (vs. RHE) at room temperature (25 ° C.) for 1200 seconds. By this electrodeposition process, a composite compound was formed on the carbon substrate, and the target electrode catalyst was obtained. The obtained electrode catalyst was named "Zn-VO x -Co" or "Zn-VO x -Co-10". From the synthesis conditions and the charge ratio, it was possible to infer that the obtained Zn-VO x -Co was an alloy of Zn, VO x and Co, where x was 2 or more and 3 or less.
(実施例2)
ZnSO4水溶液の濃度を5mMに変更したこと以外は実施例1と同様の方法で電極触媒を得た。得られた電極触媒を「Zn-VOx-Co-5」と命名した。
Example 2
Except for changing the concentration of the ZnSO4 aqueous solution to 5 mM, an electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1. The obtained electrode catalyst was named "Zn-VO x -Co-5".
(実施例3)
ZnSO4水溶液の濃度を8mMに変更したこと以外は実施例1と同様の方法で電極触媒を得た。得られた電極触媒を「Zn-VOx-Co-8」と命名した。
Example 3
Except for changing the concentration of the ZnSO4 aqueous solution to 8 mM, an electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1. The obtained electrode catalyst was named "Zn-VO x -Co-8".
(実施例4)
ZnSO4水溶液の濃度を12mMに変更したこと以外は実施例1と同様の方法で電極触媒を得た。得られた電極触媒を「Zn-VOx-Co-12」と命名した。
Example 4
Except for changing the concentration of the ZnSO4 aqueous solution to 12 mM, an electrode catalyst was obtained in the same manner as in Example 1. The obtained electrode catalyst was named "Zn-VO x -Co-12".
(比較例1)
炭素基材のCoを担持させた電極触媒を準備した。
(Comparative Example 1)
An electrode catalyst having Co supported on a carbon substrate was prepared.
(比較例2)
炭素基材のZn-Coを担持させた電極触媒を準備した。
(Comparative Example 2)
An electrode catalyst having a carbon substrate supported thereon Zn--Co was prepared.
(比較例3)
炭素基材のVOx-Coを担持させた電極触媒を準備した。
(Comparative Example 3)
An electrode catalyst having a carbon substrate supported thereon VO x -Co was prepared.
(比較例4)
炭素基材のZn-VOxを担持させた電極触媒を準備した。
(Comparative Example 4)
An electrode catalyst having Zn- VOx supported on a carbon substrate was prepared.
図1は、電極触媒表面のSEM(走査型電子顕微鏡)画像を示している。具体的に図1の(a)は比較例1、(b)は比較例2、(c)は比較例3、(d)、(e)及び(f)は実施例1で得られた電極触媒表面のSEM画像であって、特には炭素基材に形成された触媒表面のSEM画像である。 Figure 1 shows SEM (scanning electron microscope) images of the electrode catalyst surface. Specifically, (a) in Figure 1 is Comparative Example 1, (b) is Comparative Example 2, (c) is Comparative Example 3, and (d), (e), and (f) are SEM images of the electrode catalyst surface obtained in Example 1, particularly the catalyst surface formed on the carbon substrate.
図1から、比較例1の電極触媒(Co)は均一なナノシート構造であり、比較例2の電極触媒(Zn-Co)も同様であった(図1(a)、(b)参照)。比較例3の電極触媒(VOx-Co)は二次元ナノシートであることがわかった(図1(c))。 1, the electrode catalyst (Co) of Comparative Example 1 had a uniform nanosheet structure, as did the electrode catalyst (Zn--Co) of Comparative Example 2 (see FIGS. 1(a) and 1(b)). It was found that the electrode catalyst (VO x -Co) of Comparative Example 3 was a two-dimensional nanosheet (FIG. 1(c)).
これに対し、実施例1で得られた電極触媒(Zn-VOx-Co)は、ナノシートが大きく成長し、均一な二次元の極薄構造を有していることがわかった(図2(d)、(e)及び(f)参照)。斯かる極薄構造のナノシートは、長径が約1~3μmの薄片が重なり合って形成される多層構造を有することが確認された。従って、実施例1で得られた電極触媒は、大きな活性表面積を有すると共にと露出したより多くの活性部位を提供することができるので、電解質のイオン移動を促進し、触媒性能を向上させるものであった。 In contrast, the electrode catalyst (Zn-VO x -Co) obtained in Example 1 was found to have a uniform two-dimensional ultrathin structure with nanosheets that had grown large (see Figures 2(d), (e) and (f)). It was confirmed that such ultrathin nanosheets had a multilayer structure formed by overlapping flakes with a major axis of about 1 to 3 μm. Therefore, the electrode catalyst obtained in Example 1 had a large active surface area and was able to provide more exposed active sites, promoting ion migration in the electrolyte and improving catalytic performance.
図2(a)は、実施例1及び各比較例で準備した電極触媒を使用したリニアスイープボルタンメトリー(スキャン速度2mV/s、電解液は1MのKOH水溶液)の測定結果である。リニアスイープボルタンメトリー曲線は、陰極として白金板、参照電極としてAg/AgCl電極を使用した水素発生(HER)試験により得た。リニアスイープボルタンメトリー曲線を得るための測定装置は、標準3電極セルと共に米国VersaSTAT4 ポテンションスタットガルバノスタット電気化学ワークステーションを用いた。 Figure 2(a) shows the measurement results of linear sweep voltammetry (scan rate 2 mV/s, electrolyte 1 M KOH aqueous solution) using the electrode catalysts prepared in Example 1 and each comparative example. The linear sweep voltammetry curves were obtained by a hydrogen evolution (HER) test using a platinum plate as the cathode and an Ag/AgCl electrode as the reference electrode. The measurement device used to obtain the linear sweep voltammetry curves was a US VersaSTAT4 potentiostat galvanostat electrochemical workstation with a standard three-electrode cell.
図2(b)は、(a)に示すリニアスイープボルタンメトリー曲線から計測された10mAcm-2における過電圧(図中の右側棒グラフ)及び50mAcm-2(図中の左側棒グラフ)における過電圧を示す棒グラフ、(c)は、(a)に示すリニアスイープボルタンメトリー曲線から算出したターフェル勾配を示すグラフである。 FIG. 2(b) is a bar graph showing the overpotential at 10 mA cm −2 (bar graph on the right side of the figure) and the overpotential at 50 mA cm −2 (bar graph on the left side of the figure) measured from the linear sweep voltammetry curve shown in (a), and (c) is a graph showing the Tafel slope calculated from the linear sweep voltammetry curve shown in (a).
表1は、図2で得られた結果をまとめたものである。なお、表中、η10及びη50はそれぞれ10mAcm-2及び50mAcm-2における過電圧(mV)を示す。 Table 1 summarizes the results obtained in Fig. 2. In the table, η 10 and η 50 indicate the overpotentials (mV) at 10 mAcm -2 and 50 mAcm -2, respectively.
実施例1で得られたZn-VOx-Co電極触媒は、比較例で準備した電極触媒よりも低い過電圧を有し、また、最小のターフェル勾配を有することから、優れた活性を示すことが明らかとなった。ターフェル勾配が最小であることは、Volmer-Heyrovskyメカニズムに従うHERの動力学を示唆するものである。 The Zn-VO x -Co electrocatalyst obtained in Example 1 has a lower overpotential than the electrocatalyst prepared in Comparative Example, and is also found to have a minimal Tafel slope, indicating superior activity, which suggests that the HER kinetics follows the Volmer-Heyrovsky mechanism.
図3(a)は実施例1で得られた電極触媒の多電流ステップクロノポテンシオメトリ曲線、(b)は、同電極触媒のクロノポテンシオメトリー曲線である。これらの結果から、実施例1で得られた電極触媒は優れた長期安定性と、機械的堅牢性とを有するものであることがわかった。 Figure 3 (a) shows the multi-current step chronopotentiometry curve of the electrode catalyst obtained in Example 1, and (b) shows the chronopotentiometry curve of the same electrode catalyst. From these results, it was found that the electrode catalyst obtained in Example 1 has excellent long-term stability and mechanical robustness.
図4(a)は、実施例1~4で準備した電極触媒を使用したリニアスイープボルタンメトリーの測定結果、(b)は、(a)に示すリニアスイープボルタンメトリー曲線から算出したターフェル勾配を示すグラフである(測定方法は図2と同じ)。この結果から、複合化合物は幅広い元素組成において、優れた触媒作用を発揮させることがわかった。 Figure 4 (a) shows the measurement results of linear sweep voltammetry using the electrode catalysts prepared in Examples 1 to 4, and (b) is a graph showing the Tafel slope calculated from the linear sweep voltammetry curve shown in (a) (the measurement method is the same as in Figure 2). These results show that the composite compounds exhibit excellent catalytic activity over a wide range of elemental compositions.
Claims (5)
前記触媒は、Znと、Vと、Coとを構成元素とする複合化合物を含む、電極触媒。 An electrocatalyst comprising a catalyst on a carbon substrate,
The catalyst is an electrode catalyst containing a composite compound having Zn , V, and Co as constituent elements.
炭素基材を、Zn源、V源及びCo源を含む溶液に浸漬させて電着処理する工程を備える、電極触媒の製造方法。 A method for producing the electrode catalyst according to claim 1 or 2, comprising the steps of:
A method for producing an electrode catalyst, comprising: a step of immersing a carbon substrate in a solution containing a Zn source, a V source, and a Co source to perform an electrodeposition treatment.
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