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JP7726526B2 - Novel porous metal oxide - Google Patents
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JP7726526B2 - Novel porous metal oxide - Google Patents

Novel porous metal oxide

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JP7726526B2 JP2021213884A JP2021213884A JP7726526B2 JP 7726526 B2 JP7726526 B2 JP 7726526B2 JP 2021213884 A JP2021213884 A JP 2021213884A JP 2021213884 A JP2021213884 A JP 2021213884A JP 7726526 B2 JP7726526 B2 JP 7726526B2
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Description

本発明は、高い酸素発生触媒能を有する新規な多孔質酸化金属に関する。さらに詳しくは、イオン結晶が焼成されてなる、高い酸素発生触媒能を有する新規多孔質酸化金属に関する。 The present invention relates to a novel porous metal oxide with high oxygen generation catalytic activity. More specifically, it relates to a novel porous metal oxide with high oxygen generation catalytic activity, which is obtained by calcining ionic crystals.

水の電気分解による水素製造は、再生可能エネルギー発電による電力を化学エネルギーである水素に変換できることから、脱炭素社会の実現に貢献できる技術として注目されている。水電解はカソードにおける水素発生反応とアノードにおける酸素発生反応から構成されるが、特にアノードの酸素発生反応の過電圧が高いことが課題となっている。過電圧が低く、活性の高い酸素発生触媒としてイリジウム(Ir)やルテニウム(Ru)などの白金族金属およびその酸化物が有望視されている。こうした触媒は微粒子化(非特許文献1、2)や多孔質化(非特許文献3)、合金化(非特許文献4)などにより、さらなる高活性化が図られている。また、アダムス触媒と同様の合成方法、あるいはこれに準じた合成方法で高活性な酸素発生触媒が製造可能であることが知られている(非特許文献5、6、特許文献1)。しかし、いずれの製造方法も、多段階の操作となっていて製造手順が煩雑であり、しかもpH調整、還元剤量などの製造条件の厳密な制御も必須となっている。 Hydrogen production by water electrolysis, which converts electricity generated from renewable energy sources into hydrogen, is attracting attention as a technology that can contribute to the realization of a decarbonized society. Water electrolysis involves a hydrogen evolution reaction at the cathode and an oxygen evolution reaction at the anode. However, the high overvoltage of the anode oxygen evolution reaction is a particular challenge. Platinum group metals such as iridium (Ir) and ruthenium (Ru) and their oxides are considered promising oxygen evolution catalysts with low overvoltage and high activity. These catalysts have been further enhanced in activity by microparticulating them (Non-Patent Documents 1 and 2), making them porous (Non-Patent Document 3), and alloying them (Non-Patent Document 4). It is also known that highly active oxygen evolution catalysts can be produced using synthesis methods similar to those used for Adams catalysts or methods based on these methods (Non-Patent Documents 5 and 6, Patent Document 1). However, both production methods require complex multi-step procedures and require strict control of production conditions, such as pH adjustment and the amount of reducing agent.

一方、本発明者らは、第一級アミン化合物を回収剤として用いることで、塩酸溶液から白金族金属を沈殿として回収する方法を提案している。白金族金属の中でも、積極的な回収が極めて困難であることが知られるロジウム(Rh)についても第一級アミン化合物により沈殿回収できることを報告している。沈殿として回収されたRhは、Rh(III)の塩化物錯イオン([RhCl3-)とプロトン化したアミン化合物からなるイオン結晶であることが判明している(非特許文献7~9、特許文献2、3)。 Meanwhile, the present inventors have proposed a method for recovering platinum group metals as precipitates from hydrochloric acid solutions using a primary amine compound as a recovery agent. They have reported that rhodium (Rh), which is known to be extremely difficult to actively recover among platinum group metals, can also be recovered as a precipitate using a primary amine compound. The Rh recovered as a precipitate has been found to be an ionic crystal consisting of a Rh(III) chloride complex ion ([RhCl 6 ] 3- ) and a protonated amine compound (Non-Patent Documents 7 to 9, Patent Documents 2 and 3).

特開2020-132465号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-132465 WO2017/170444WO2017/170444 特開2019ー163502号公報JP 2019-163502 A

ACS Catal.,2017,7,5983-5986.ACS Catal. , 2017, 7, 5983-5986. Int.J.Hydrog.Energy,2020,45,33491-33499.Int. J. Hydrog. Energy, 2020, 45, 33491-33499. Nanoscale,2017,9,9291-9298.Nanoscale, 2017, 9, 9291-9298. ACS Nano,2019,13,13225-13234.ACS Nano, 2019, 13, 13225-13234. Int.J.Hydrog.Energy,2018,43,19460-19467.Int. J. Hydrog. Energy, 2018, 43, 19460-19467. Catalysis,2019,9,318.Catalysis, 2019, 9, 318. ACS Omega,2019,4,1868-1873.ACS Omega, 2019, 4, 1868-1873. ACS Omega,2019,4,14613-14620.ACS Omega, 2019, 4, 14613-14620. Metals,2020,10,324.Metals, 2020, 10, 324.

本発明の目的は、高い酸素発生触媒能を有しつつも、製造方法が簡便な、新規多孔質酸化金属を提供することである。 The object of the present invention is to provide a new porous metal oxide that has high oxygen generation catalytic activity while being easily produced.

本発明者は、上記目的を達成するために、種々検討の結果、白金族金属の塩化物錯イオンとプロトン化された第一級アミン化合物からなるイオン結晶、を焼成することで、高い酸素発生触媒能を有する多孔質酸化金属を簡便に製造できることを見出し、本発明に到達した。すなわち、本発明は以下のとおりである。
1.白金族金属の塩化物錯イオンとプロトン化された第一級アミン化合物からなるイオン結晶、が焼成されてなる、多孔質酸化金属。
2.焼成温度が360℃~600℃である前記1の多孔質酸化金属。
3.白金族金属の塩化物錯イオンが[IrCl3-及び/又は[RuCl3-である、前記1又は2の多孔質酸化金属。
4.第一級アミン化合物が、芳香族第一級アミン化合物及び又は脂肪族第一級アミン化合物である、前記1~3のいずれか1の多孔質酸化金属。
5.0.5mol/L硫酸溶液中で測定したときの電気化学的活性表面積が90~700m/gである、前記1~4のいずれか1の多孔質酸化金属。
6.前記1~5のいずれか1の多孔質酸化金属である、酸素発生触媒。
7.白金族金属の塩化物錯イオンとプロトン化された第一級アミン化合物、からなるイオン結晶である、酸素発生触媒前駆体。
8.(1)白金族金属を含む塩酸溶液に第一級アミン化合物を混合する工程と、
(2)生じた沈殿を焼成する工程
を含む、多孔質酸化金属の製造方法。
In order to achieve the above object, the present inventors have conducted various studies and found that a porous metal oxide having high oxygen evolution catalytic activity can be easily produced by calcining an ionic crystal composed of a platinum group metal chloride complex ion and a protonated primary amine compound, and have arrived at the present invention.
1. A porous metal oxide obtained by firing an ionic crystal consisting of a platinum group metal chloride complex ion and a protonated primary amine compound.
2. The porous metal oxide of 1 above, wherein the firing temperature is 360°C to 600°C.
3. The porous metal oxide according to 1 or 2 above, wherein the chloride complex ions of platinum group metals are [IrCl 6 ] 3− and/or [RuCl 6 ] 3− .
4. The porous metal oxide according to any one of 1 to 3 above, wherein the primary amine compound is an aromatic primary amine compound and/or an aliphatic primary amine compound.
5. The porous metal oxide according to any one of 1 to 4 above, which has an electrochemically active surface area of 90 to 700 m 2 /g when measured in a 0.5 mol/L sulfuric acid solution.
6. An oxygen generating catalyst which is the porous metal oxide according to any one of 1 to 5 above.
7. An oxygen generating catalyst precursor, which is an ionic crystal consisting of a platinum group metal chloride complex ion and a protonated primary amine compound.
8. (1) A step of mixing a primary amine compound with a hydrochloric acid solution containing a platinum group metal;
(2) A method for producing porous metal oxide, which includes a step of calcining the resulting precipitate.

本発明によれば、高い酸素発生触媒能を有し、製造方法も簡便な、新規多孔質酸化金属を提供することができる。 The present invention provides a new porous metal oxide that has high oxygen generation catalytic activity and is easily manufactured.

イリジウムの塩化物錯イオン([IrCl3-)とプロトン化されたp-フェニレンジアミン(PPDA)からなるイオン結晶の構造を示した。X線構造解析で解析した結果である。The structure of an ionic crystal consisting of iridium chloride complex ions ([IrCl 6 ] 3- ) and protonated p-phenylenediamine (PPDA) is shown. This is the result of X-ray structural analysis. 焼成により多孔質酸化イリジウムが製造される原理を模式的に示した。The principle of producing porous iridium oxide by calcination is shown schematically. 多孔質酸化イリジウム製造の流れの一例を示した。An example of the flow of manufacturing porous iridium oxide is shown below. 酸素発生過電圧を調べたときの電流密度-電位曲線を示した。電流密度(縦軸)が10mA/cmに達したときの電圧(横軸)から、酸素発生の理論電位1.23Vを引いた値が、酸素発生過電圧となる。The current density-potential curve when examining the oxygen generating overvoltage is shown. The oxygen generating overvoltage is the value obtained by subtracting the theoretical potential for oxygen generation, 1.23 V, from the voltage (horizontal axis) when the current density (vertical axis) reaches 10 mA/cm². 各材料で電極を作製したときの電極の耐久性を示した((A)多孔質酸化イリジウムのとき、(B)多孔質酸化ルテニウムのとき))。時間に対する電位の変化が一定であれば、耐久性が高いことになる。The durability of electrodes made from each material is shown ((A) porous iridium oxide, (B) porous ruthenium oxide). If the change in potential over time is constant, the electrode has high durability.

以下、本発明を詳細に説明する。
1.白金族金属の塩化物錯イオン
白金族金属は、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)の6種類である。本発明に用いられる白金族金属の塩化物錯イオンは、これらのどの塩化物錯イオンでもよいが、イリジウム(III)又はルテニウム(III)又はその両方の塩化物錯イオンであればより好ましく、イリジウム(III)の塩化物錯イオンであれば特に好ましい。
酸化金属としての触媒能は、他の酸化金属より、酸化イリジウムと酸化ルテニウムが優れている。さらに、酸化イリジウムと酸化ルテニウムを比べると触媒能は酸化ルテニウムの方が優れているが、耐久性では酸化イリジウムの方が大きく優れており、触媒活性と耐久性のバランスの観点から、イリジウム(III)の塩化物錯イオンを用いるのが特に好ましい。
The present invention will be described in detail below.
1. Chloride complex ions of platinum group metals There are six types of platinum group metals: ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), and platinum (Pt). The chloride complex ions of platinum group metals used in the present invention may be any of these chloride complex ions, but chloride complex ions of iridium (III), ruthenium (III), or both are more preferred, and chloride complex ions of iridium (III) are particularly preferred.
In terms of catalytic activity as a metal oxide, iridium oxide and ruthenium oxide are superior to other metal oxides. Furthermore, when comparing iridium oxide and ruthenium oxide, ruthenium oxide has a superior catalytic activity, but iridium oxide is significantly superior in terms of durability. From the viewpoint of the balance between catalytic activity and durability, it is particularly preferable to use an iridium (III) chloride complex ion.

2.第一級アミン化合物
本発明に用いられる第一級アミン化合物は、特に限定されないが、芳香族第一級アミン化合物、及び又は脂肪族第一級アミンであればより好ましい。
芳香族第一級アミン化合物の芳香環は、含窒素複素環などの複素環でもよい。
脂肪族第一級アミンは直鎖状アルキルモノアミンであればより好ましく、炭素数6~18の直鎖状アルキルモノアミンであればさらに好ましい。炭素数6~18の直鎖状アルキルモノアミンは、白金族金属を選択回収できる(特許文献2参照)ので、低品位の原料から触媒を製造でき、また触媒の再利用も容易になる。
また、異なる第一級アミン化合物を混合して用いてもよい。
芳香族第一級アミン化合物として、例えば下記が挙げられる。
(I)アニリンや4-ブチルアニリン、4-フェノキシアニリン等の芳香族第一級モノアミン化合物
(II)p-フェニレンジアミン(PPDA)やm-フェニレンジアミン、2,6-ジアミノピリジン、4,4’-オキシジアニリン等の芳香族第一級ジアミン化合物、
(III)1,3,5-ベンゼントリアミンやメラミン、2,4,6-トリアミノピリミジン等の芳香族第一級トリアミン化合物、
(IV)m-キシリレンジアミン(MXDA)やp-キシリレンジアミン等のアミンが2つ以上結合しているベンジルアミン化合物
脂肪族第一級アミン化合物として例えば、下記が挙げられる。
(V)n-ノニルアミンなどの炭素数6~18の直鎖状アルキルモノアミン
プロトン化された第一級アミン化合物は、アミノ基がプロトン化されることが多いが、複素環に窒素を有する場合その窒素がプロトン化されていてもよい。例えば、アニリンの場合は、アミノ基がプロトン化されるし、メラミンの場合は、複素環中の窒素の1つ又は2つがプロトン化される。
2. Primary Amine Compound The primary amine compound used in the present invention is not particularly limited, but is preferably an aromatic primary amine compound and/or an aliphatic primary amine.
The aromatic ring of the aromatic primary amine compound may be a heterocycle such as a nitrogen-containing heterocycle.
The aliphatic primary amine is preferably a linear alkyl monoamine, and more preferably a linear alkyl monoamine having 6 to 18 carbon atoms. A linear alkyl monoamine having 6 to 18 carbon atoms allows selective recovery of platinum group metals (see Patent Document 2), making it possible to produce a catalyst from low-grade raw materials and facilitating the reuse of the catalyst.
Also, different primary amine compounds may be used in combination.
Examples of the aromatic primary amine compound include the following.
(I) Aromatic primary monoamine compounds such as aniline, 4-butylaniline, and 4-phenoxyaniline; (II) Aromatic primary diamine compounds such as p-phenylenediamine (PPDA), m-phenylenediamine, 2,6-diaminopyridine, and 4,4'-oxydianiline;
(III) Aromatic primary triamine compounds such as 1,3,5-benzenetriamine, melamine, and 2,4,6-triaminopyrimidine,
(IV) Benzylamine compounds having two or more amines bonded thereto, such as m-xylylenediamine (MXDA) and p-xylylenediamine. Examples of aliphatic primary amine compounds include the following.
(V) Linear alkyl monoamines having 6 to 18 carbon atoms, such as n-nonylamine. In protonated primary amine compounds, the amino group is often protonated, but if the heterocycle contains a nitrogen atom, the nitrogen atom may also be protonated. For example, in the case of aniline, the amino group is protonated, and in the case of melamine, one or two nitrogen atoms in the heterocycle are protonated.

3.イオン結晶
本発明で形成されるイオン結晶は、焼成することで酸素発生触媒用多孔質酸化金属となる、触媒前駆体として用いることができる。
イオン結晶は、白金族金属の塩化物錯イオンとプロトン化された第一級アミン化合物からなるが、これはこの2つを主成分として含むということで、イオン結晶の形成に影響を与えない範囲で、それ以外の混合物を含んでいてもよい。
イオン結晶は、マイナスの電荷をもつ白金族金属の塩化物錯イオンと、プラスの電荷をもつプロトン化された第一級アミン化合物が、イオン結合して形成される。例えば、イリジウムの塩化物錯イオン([IrCl3-)とプロトン化した4-ブチルアニリンのイオン結晶は、[IrCl3-の周囲を、6つのプロトン化した4-ブチルアニリンと3つの塩化物アニオンが取り囲んだイオン対を基本単位とする構造である。
また、例えば、[IrCl3-とプロトン化したp-フェニレンジアミン(PPDA)のイオン結晶は、[IrCl3-とプロトン化したPPDA(PPDA-2H)、塩化物アニオン、水が「[IrCl3-:PPDA-2H:Cl:HO=1:2:1:2」の比率で結晶を構築している(図1)。
イオン結晶の粒径に特に制限はなく、また様々な粒径が混ざっていてもよいが、取り扱いの容易さから1μm~5mmの範囲の結晶であればより好ましい。粒径は、通過するフィルターの孔径から計算する。
また、イオン結晶は単結晶でも多結晶でもよく、結晶子(単結晶であれば結晶)の大きさに制限はない。必ずしも結晶が大きく成長している方が好ましいということもない。
3. Ionic Crystals The ionic crystals formed in the present invention can be used as catalyst precursors that become porous metal oxides for oxygen generating catalysts by calcination.
The ionic crystals consist of platinum group metal chloride complex ions and protonated primary amine compounds, but since these two are the main components, they may also contain other mixtures as long as they do not affect the formation of the ionic crystals.
Ionic crystals are formed by ionic bonding between negatively charged platinum group metal chloride complex ions and positively charged protonated primary amine compounds. For example, an ionic crystal of iridium chloride complex ions ([IrCl 6 ] 3- ) and protonated 4-butylaniline has a structure in which the basic unit is an ion pair in which six protonated 4-butylaniline anions and three chloride anions surround [IrCl 6 ] 3- .
For example, an ionic crystal of [IrCl 6 ] 3- and protonated p-phenylenediamine (PPDA) is constructed by combining [IrCl 6 ] 3- , protonated PPDA (PPDA-2H + ), chloride anions, and water in a ratio of [IrCl 6 ] 3- : PPDA-2H + : Cl - : H 2 O = 1:2:1:2 (Figure 1).
There is no particular limit to the particle size of the ionic crystals, and they may be a mixture of various particle sizes, but for ease of handling, crystals in the range of 1 μm to 5 mm are more preferable. The particle size is calculated from the pore size of the filter through which they pass.
Furthermore, the ionic crystal may be either a single crystal or a polycrystal, and there is no limit to the size of the crystallite (or crystal if it is a single crystal). Larger crystals are not necessarily preferable.

4.多孔質酸化金属
イオン結晶を焼成すると多孔質酸化金属を製造することができる。例えば、イリジウムの塩化物錯イオン([IrCl3-)とp-フェニレンジアミン(PPDA)からなるイオン結晶を焼成すると、空孔が形成され、多孔質酸化イリジウムを製造することができる(図2、図3右下のSEM像)。
また、ルテニウム(III)を含むイオン結晶からは多孔質酸化ルテニウムを製造することができる。さらに、イリジウム(III)とルテニウム(III)の両方を含むイオン結晶からは合金の多孔質酸化金属(酸化イリジウム/酸化ルテニウム)が得られる。金属を組み合わせてアロイ化することも可能である。
本願発明の、酸化イリジウム、酸化ルテニウムの主成分は、IrO、RuOであるが、Ir、Ruなど酸化数の異なる酸化物が含まれている可能性もある。
本願発明では、焼成することで、イオン結晶を形成する第一級アミン化合物が除去され、空隙(空孔)が形成され、多孔質な酸化金属となる。実際に触媒として機能する部分の面積である電気化学的活性表面積(ECSA)が後述のように大きい値であることから緻密な多孔質構造を有しているといえる。
この多孔質な構造を一義的に規定できる方法はなく、多孔質な酸化金属を構造から特定するのは不可能非実際的である。多孔質性の一応の指標としてBET比表面積が存在するが、当然ながら、BET比表面積で、多孔質な構造を一義的に規定できるものではない。
4. Porous Metal Oxide Porous metal oxide can be produced by firing ionic crystals. For example, firing an ionic crystal consisting of iridium chloride complex ions ([IrCl 6 ] 3- ) and p-phenylenediamine (PPDA) forms pores, allowing the production of porous iridium oxide (Figure 2, SEM image at the bottom right of Figure 3).
Porous ruthenium oxide can be produced from ionic crystals containing ruthenium (III). Furthermore, porous alloy metal oxide (iridium oxide/ruthenium oxide) can be obtained from ionic crystals containing both iridium (III) and ruthenium (III). It is also possible to combine metals to form alloys.
The main components of iridium oxide and ruthenium oxide in the present invention are IrO 2 and RuO 2 , but they may also contain oxides with different oxidation numbers, such as Ir 2 O 3 and Ru 2 O 3 .
In the present invention, calcination removes the primary amine compound that forms ionic crystals, forming voids (pores), resulting in a porous metal oxide. Since the electrochemically active surface area (ECSA), which is the area of the portion that actually functions as a catalyst, is large as described below, it can be said to have a dense porous structure.
There is no method that can uniquely define this porous structure, and it is impossible and impractical to identify porous metal oxides from their structure. Although the BET specific surface area is a tentative index of porosity, it is needless to say that the BET specific surface area cannot uniquely define the porous structure.

5.イオン結晶を利用した多孔質酸化金属の製造
イオン結晶は、既に報告されている方法で作製可能である(非特許文献7~9、特許文献2~4)。Ir(III)やRu(III)に関しても、塩酸溶液中でRh(III)と同様の塩化物錯イオン([IrCl3-および[RuCl3-)として存在するため、Rhと同様に第一級アミン化合物とイオン結晶を形成すると考えられ、既に報告されている方法で作製が可能である。
具体的には、例えば、塩酸に溶解した白金族金属に第一級アミン化合物を混合し、静置、振とう又は攪拌し、白金族金属(例えばIr(III))含有イオン結晶を作製することができる。生じた沈殿を回収し、イオン結晶を得ることができる。「3.イオン結晶」
で記載したとおり、必ずしも結晶を成長させる必要はないので、混合してイオン結晶の沈殿が生じればよく、操作は、静置、振とう、攪拌などどのような方法でもよいし、それらを組み合わせて行ってもよい。このように本発明のイオン結晶は、複雑な条件なしに簡便に製造することができる。
次に、回収したイオン結晶を焼成する。焼成温度は360~600℃がより好ましく、380~480℃がさらに好ましく、380~400℃が特に好ましい。焼成は、空気雰囲気下、より好ましくは10~50℃/min、さらに好ましくは15~25℃/minの昇温速度で目的温度まで加熱し、より好ましくは10~60分間さらに好ましくは10~20分間、目的温度を維持することで行うとより好ましい。
このように、本発明の多孔質酸化金属製造方法によれば、イオン結晶を触媒前駆体として用い、これを焼成するだけで、多孔質酸化金属を製造することができる。
また、従来法では、高純度の出発原料(塩化イリジウム酸やイリジウム錯体など)しか用いることができなかったが、本発明では白金族金属選択回収法(非特許文献7~9、特許文献2、3)と同様の原理でイオン結晶を得ているため、原料のイリジウムやルテニウムに他の金属元素が入っていても選択的にイリジウムやルテニウムのみを含むイオン結晶を得ることができ、低品位の原料からも触媒が製造可能である。さらに、使用済みの触媒を塩酸で浸出させれば、また触媒に再生することが可能である。第一級アミン化合物として、4-ブチルアニリンやp-フェニレンジアミン、メラミン、2,6-ジアミノピリジン等を用いれば、その他の白金族金属元素が混ざっていても、イリジウムやルテニウムのみのイオン結晶を得ることができる。
5. Production of Porous Metal Oxides Using Ionic Crystals Ionic crystals can be produced by methods that have already been reported (Non-Patent Documents 7 to 9, Patent Documents 2 to 4). Ir(III) and Ru(III) exist in hydrochloric acid solutions as chloride complex ions ([IrCl 6 ] 3- and [RuCl 6 ] 3- ) similar to Rh(III), and are therefore thought to form ionic crystals with primary amine compounds, similar to Rh, and can be produced by methods that have already been reported.
Specifically, for example, a platinum group metal (e.g., Ir(III))-containing ionic crystals can be produced by mixing a primary amine compound with a platinum group metal dissolved in hydrochloric acid, and then leaving the mixture to stand, shaking, or stirring. The resulting precipitate can be collected to obtain the ionic crystals. "3. Ionic Crystals"
As described above, it is not necessary to grow crystals, so it is sufficient to mix the ingredients to precipitate ionic crystals, and the operation may be any method such as standing, shaking, stirring, or a combination of these. In this way, the ionic crystals of the present invention can be easily produced without complex conditions.
Next, the recovered ionic crystals are calcined. The calcination temperature is more preferably 360 to 600°C, even more preferably 380 to 480°C, and particularly preferably 380 to 400°C. Calcination is more preferably carried out in an air atmosphere by heating to the target temperature at a temperature increase rate of more preferably 10 to 50°C/min, even more preferably 15 to 25°C/min, and maintaining the target temperature for more preferably 10 to 60 minutes, even more preferably 10 to 20 minutes.
As described above, according to the method for producing porous metal oxide of the present invention, porous metal oxide can be produced simply by using ionic crystals as a catalyst precursor and calcining it.
Furthermore, while conventional methods could only use high-purity starting materials (such as chloroiridic acid or iridium complexes), the present invention obtains ionic crystals using the same principle as the platinum group metal selective recovery method (Non-Patent Documents 7-9, Patent Documents 2 and 3). Therefore, even if the iridium or ruthenium starting materials contain other metal elements, ionic crystals containing only iridium or ruthenium can be selectively obtained, making it possible to produce catalysts from low-grade starting materials. Furthermore, used catalysts can be regenerated by leaching them with hydrochloric acid. By using primary amine compounds such as 4-butylaniline, p-phenylenediamine, melamine, and 2,6-diaminopyridine, ionic crystals containing only iridium or ruthenium can be obtained, even if other platinum group metal elements are mixed in.

6.多孔質酸化金属の用途
本発明の多孔質酸化金属は酸素発生触媒能を有し、例えば、カーボンファイバーなどの導電性の担体とともに、水の電気分解装置のアノードとして使用することができる。
6. Uses of Porous Metal Oxide The porous metal oxide of the present invention has catalytic activity for oxygen generation and can be used, for example, together with a conductive support such as carbon fiber as the anode of a water electrolysis device.

7.多孔質酸化金属の触媒能
酸素発生触媒として、グラッシーカーボン電極にキャストし、さらにNafion(商品名)でコーティングして、電極を作製したときの、0.5M硫酸水溶液中での触媒能は、以下の通りであることが好ましい。
触媒としての性能は、例えば、上記で作製した電極を作用極として用い、電位1.2~1.4Vの範囲において、掃引速度を5~80mV/sで変化させてサイクリックボルタンメトリーを行い、掃引速度に対する電気二重層の増加量から酸化イリジウムおよび酸化ルテニウムの比容量を35μF/cmとして電気化学的活性表面積(ECSA)を求めたときに、ECSA90~700m/gであればより好ましく、200~700m/gであればさらに好まく、500~700m/gであれば特に好ましい。
さらに、電位1.1Vから1.9Vまで掃引速度10mV/sでリニアスイープボルタンメトリーを行い、電流密度10mA/cmに到達した電位と酸素発生の理論電位である1.23Vとの差を酸素発生過電圧として計算したときに、酸素発生過電圧240~350mVであればより好ましく、240~320mVであればさらに好ましく、240~285mVであれば特に好ましい。
作用極を1600rpmで回転させ,電流密度を10mA/cmに固定し、時間に対する電位の変化を測定し、耐久性を評価したときに、酸化イリジウムであれば12時間以上、酸化ルテニウムであれば、5時間以上の耐久時間があればより好ましい。
驚くべきことに、本発明の製造方法は極めて簡便であるにも関わらず、この方法で製造した多孔質酸化イリジウムは、酸素発生過電圧が0.34V以下の優れた酸素発生触媒能を示す(表1)。
また「Ir(III)-PPDA 380℃」は、酸素発生過電圧が270mVで(表1)、酸化イリジウム触媒としてほぼ最高の酸素発生触媒能を示す。
さらに耐久時間も市販品と比べ驚くほど長くなっているが、安定性の低い酸化ルテニウムの耐久時間が5時間以上に改善したことは特に驚くべきことである。
7. Catalytic Activity of Porous Metal Oxide When an oxygen generating catalyst is cast onto a glassy carbon electrode and further coated with Nafion (trade name) to prepare an electrode, the catalytic activity in a 0.5 M aqueous sulfuric acid solution is preferably as follows:
Regarding the performance as a catalyst, for example, when cyclic voltammetry is performed using the electrode prepared above as a working electrode, at a potential range of 1.2 to 1.4 V and a sweep rate of 5 to 80 mV/s, and the electrochemically active surface area (ECSA) is calculated from the increase in the electric double layer with respect to the sweep rate, assuming the specific capacity of iridium oxide and ruthenium oxide to be 35 μF/cm 2 , an ECSA of 90 to 700 m 2 /g is more preferable, 200 to 700 m 2 /g is even more preferable, and 500 to 700 m 2 /g is particularly preferable.
Furthermore, when linear sweep voltammetry is performed from a potential of 1.1 V to 1.9 V at a sweep rate of 10 mV/s, and the difference between the potential at which a current density of 10 mA/ cm2 is reached and 1.23 V, which is the theoretical potential for oxygen generation, is calculated as the oxygen generating overvoltage, the oxygen generating overvoltage is more preferably 240 to 350 mV, even more preferably 240 to 320 mV, and particularly preferably 240 to 285 mV.
When the working electrode is rotated at 1600 rpm, the current density is fixed at 10 mA/ cm2 , and the change in potential over time is measured to evaluate durability, it is more preferable that the durability be 12 hours or more for iridium oxide, and 5 hours or more for ruthenium oxide.
Surprisingly, despite the extremely simple manufacturing method of the present invention, the porous iridium oxide manufactured by this method exhibits excellent oxygen evolution catalytic activity with an oxygen evolution overpotential of 0.34 V or less (Table 1).
Furthermore, "Ir(III)-PPDA 380°C" has an oxygen evolution overpotential of 270 mV (Table 1), which shows almost the highest oxygen evolution catalytic activity of any iridium oxide catalyst.
Furthermore , the durability is surprisingly longer than that of commercially available products, and it is particularly surprising that the durability of ruthenium oxide, which has low stability, has improved to more than 5 hours.

実施例1 多孔質酸化イリジウムの製造
1.多孔質酸化イリジウムの製造
イリジウム(Ir)を含有した5M塩酸溶液に、p-フェニレンジアミン(PPDA)塩酸塩を、Ir:PPDA=1:8となるように添加し、1週間静置した。
生じた沈殿をろ過して回収した。この沈殿(Ir(III)とp-フェニレンジアミン(PPDA)がイオン結合したイオン結晶)を空気雰囲気下、毎分20℃の昇温速度で380℃まで加熱し、15分間焼成することで多孔質酸化イリジウムを得た(図3)。
Example 1 Production of Porous Iridium Oxide 1. Production of Porous Iridium Oxide p-phenylenediamine (PPDA) hydrochloride was added to a 5 M hydrochloric acid solution containing iridium (Ir) so that the ratio of Ir:PPDA was 1:8, and the mixture was allowed to stand for one week.
The resulting precipitate was collected by filtration. This precipitate (ionic crystals in which Ir(III) and p-phenylenediamine (PPDA) were ionically bonded) was heated to 380°C at a rate of 20°C per minute in an air atmosphere and baked for 15 minutes to obtain porous iridium oxide (Figure 3).

実施例2 焼成の際の加熱温度を振った多孔質酸化イリジウムの製造
加熱温度を360~580℃の範囲で変化させ、それ以外は実施例1と同様にして多孔質酸化イリジウムを得た(表1「Ir(III)-PPDA」の焼成温度参照)。
Example 2: Production of porous iridium oxide by varying the heating temperature during firing Porous iridium oxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the heating temperature was changed in the range of 360 to 580°C (see the firing temperature for "Ir(III)-PPDA" in Table 1).

実施例3 異なる芳香族第一級アミン化合物を用いた多孔質酸化イリジウムの製造
4-ブチルアニリン(BuA)、メラミン、またはm-キシリレンジアミン(MXDA)それぞれの塩酸塩を用い、それ以外は実施例1と同様にして多孔質酸化イリジウムを得た(表1「Ir(III)-BuA」~「Ir(III)-MXDA」)。
Example 3 Production of Porous Iridium Oxide Using Different Aromatic Primary Amine Compounds Porous iridium oxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the hydrochlorides of 4-butylaniline (BuA), melamine, or m-xylylenediamine (MXDA) were used (Table 1, "Ir(III)-BuA" to "Ir(III)-MXDA").

実施例4 脂肪族第一級アミン化合物を用いた多孔質酸化イリジウムの製造
n-ノニルアミン(NoA)塩酸塩を用いた以外は実施例1と同様にして多孔質酸化イリジウムを得た(表1「Ir(III)-NoA」)。
Example 4 Production of Porous Iridium Oxide Using an Aliphatic Primary Amine Compound Porous iridium oxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that n-nonylamine (NoA) hydrochloride was used (Table 1 "Ir(III)-NoA").

実施例5 多孔質酸化ルテニウムの製造
ルテニウム(Ru)を含有した5M塩酸溶液を用い、それ以外は実施例1と同様にして多孔質酸化ルテニウムを得た(表1「多孔質酸化ルテニウム」)。
Example 5 Production of Porous Ruthenium Oxide Porous ruthenium oxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that a 5 M hydrochloric acid solution containing ruthenium (Ru) was used (Table 1 "Porous Ruthenium Oxide").

実施例6 多孔質酸化イリジウム/酸化ルテニウムの製造
イリジウムIr及びルテニウムRuを含有した5M塩酸溶液に、p-フェニレンジアミン(PPDA)塩酸塩を加えて、イオン結晶中のIr:Ru=1:1となるようにした。それ以外は実施例1と同様にして多孔質酸化イリジウム/酸化ルテニウムを得た(表1「多孔質酸化イリジウム/酸化ルテニウム」)。
Example 6 Production of Porous Iridium Oxide/Ruthenium Oxide p-phenylenediamine (PPDA) hydrochloride was added to a 5 M hydrochloric acid solution containing iridium Ir and ruthenium Ru so that the Ir:Ru ratio in the ionic crystal was 1:1. Except for this, porous iridium oxide/ruthenium oxide was obtained in the same manner as in Example 1 (Table 1 "Porous Iridium Oxide/Ruthenium Oxide").

実施例7 触媒評価
1.作用極の作製
前記実施例にて作製した多孔質酸化イリジウムを水と2-プロパノールを体積比1:2で混合させた溶媒に分散させ、電極面積0.196cmのグラッシーカーボン電極にキャストすることで電極上に0.128mg/cmの酸化イリジウムを乗せた。乾燥後、電極に0.25wt%のNafionエタノール溶液を5μLキャストし、Nafionでコーティングした。同様の方法で多孔質酸化ルテニウムまたは多孔質酸化イリジウム/酸化ルテニウムを乗せたグラッシーカーボン電極も作製した。
また、比較対象として市販の酸化イリジウム(Aldrich,製品番号206237)および酸化ルテニウム(Aldrich,製品番号238058)についても同様の方法で電極を作製した。
2.電気化学測定
前記のように作製したグラッシーカーボン電極を作用極、白金ワイヤーを対極、銀-塩化銀電極を参照極とし、電解液として0.5mol/L硫酸水溶液(窒素ガス飽和)を用いて電気化学測定を実施した。なお、すべての電位は可逆水素電極(RHE)基準に換算して示している。また、コントロールとして市販品の酸化イリジウム、酸化ルテニウムを用いた。
2-1電気化学的活性表面積の評価
電位1.2~1.4Vの範囲において、掃引速度を5~80mV/sで変化させてサイクリックボルタンメトリーを行い、掃引速度に対する電気二重層の増加量から酸化イリジウムおよび酸化ルテニウムの比容量を35μF/cmとして電気化学的活性表面積(ECSA)を求めた。
2-2酸素発生過電圧の評価
電位1.1Vから1.9Vまで掃引速度10mV/sでリニアスイープボルタンメトリーを行い、電流密度10mA/cmに到達した電位と酸素発生の理論電位である1.23Vとの差を酸素発生過電圧とした。
2-3耐久性の評価
作用極を1600rpmで回転させ、電流密度を10mA/cmに固定し、時間に対する電位の変化を測定した。
2-4.測定結果
Ir(III)とp-フェニレンジアミン(PPDA)からなるイオン結晶から製造した多孔質酸化イリジウム(表1「Ir(III)-PPDA」の多孔質酸化イリジウム)は、焼成温度が380℃のときに、ECSAは536m/gで最大となり、より低温および高温での焼成ではECSAが小さくなった。焼成温度に関わらず、Ir(III)とPPDAからなるイオン結晶から製造した多孔質酸化イリジウム(表1「Ir(III)-PPDA」の多孔質酸化イリジウム)は市販の酸化イリジウム(「酸化イリジウム(市販品)」)よりも大きいECSAを示した。
Ir(III)とPPDAからなるイオン結晶から製造した多孔質酸化イリジウム(表1「Ir(III)-PPDA」の多孔質酸化イリジウム)は、焼成温度が380℃のとき、最も低い酸素発生過電圧270mVを示した。酸素発生過電圧はECSAの大きさと相関があり、ECSAが大きいほど過電圧は低い値となる傾向が見られた。焼成温度に関わらず、Ir(III)とPPDAからなるイオン結晶から製造した多孔質酸化イリジウム(表1「Ir(III)-PPDA」の多孔質酸化イリジウム)は、市販の酸化イリジウム(表1「酸化イリジウム(市販品)」)よりも低い過電圧を示し(酸素発生過電圧は図4から求められる)、酸素発生触媒として優れていることが示された。
様々なアミン化合物とIr(III)からなるイオン結晶から製造した多孔質酸化イリジウム(表1「Ir(III)-BuA」、「Ir(III)-Meramine」、「Ir(III)-MXDA」、「Ir(III)-NoA」)は、いずれも市販の酸化イリジウム(表1「酸化イリジウム(市販品)」)と比べて大きなECSAおよび低い酸素発生過電圧を示した。酸素発生触媒としての性能はアミン化合物の種類には大きく影響されないことが示された。
Ru(III)とPPDAからなるイオン結晶から製造した多孔質酸化ルテニウム(表1「Ru(III)-PPDA」の多孔質酸化ルテニウム)は、同様に製造した多孔質酸化イリジウム(表1「Ir(III)-PPDA、380℃」の多孔質酸化イリジウム)よりも低い酸素発生過電圧を示した。RuはIrよりも高い酸素発生触媒能を示すことが知られているため、これを反映した結果となった。また、多孔質酸化ルテニウムは市販の酸化ルテニウム(表1酸化ルテニウム(市販品))よりも大きなECSAおよび低い酸素発生過電圧を示し、酸化イリジウムと同様にイオン結晶の焼成による多孔質化により酸素発生触媒能が向上したことが示された。
IrとRuをモル比1:1で含む合金の多孔質酸化物(酸化イリジウム/酸化ルテニウム)(表1「Ir(III)/Ru(III)-PPDA」の多孔質酸化イリジウム/酸化ルテニウム)は、多孔質酸化イリジウム(表1「Ir(III)-PPDA、380℃」の多孔質酸化イリジウム)と多孔質酸化ルテニウムの中間的な酸素発生過電圧を示した。IrとRuのモル比をコントロールすることで、酸素発生触媒能を変化させることができることが示された。
耐久性試験の結果、市販の酸化イリジウムは1.5時間程度で電位が大きく上昇したが、多孔質酸化イリジウムは12時間という長時間の測定でも電位は大きく変化しなかった(図5(A))。また、酸化ルテニウムも、市販品はすぐに電位が大きく上昇したが、多孔質酸化ルテニウムは5時間という長時間の測定で電位は大きく変化しなかった(図5(B))。多孔質化により、酸素発生過電圧だけでなく、触媒の耐久性も向上することが示された。
Example 7 Catalyst Evaluation 1. Preparation of Working Electrode The porous iridium oxide prepared in the previous example was dispersed in a solvent consisting of a 1:2 volumetric mixture of water and 2-propanol, and the dispersion was cast onto a glassy carbon electrode with an electrode area of 0.196 cm² , resulting in 0.128 mg/ cm² of iridium oxide being placed on the electrode. After drying, 5 µL of a 0.25 wt% Nafion ethanol solution was cast onto the electrode, coating it with Nafion. Glassy carbon electrodes carrying porous ruthenium oxide or porous iridium oxide/ruthenium oxide were also prepared using a similar method.
For comparison, electrodes were also prepared in the same manner using commercially available iridium oxide (Aldrich, Product No. 206237) and ruthenium oxide (Aldrich, Product No. 238058).
2. Electrochemical Measurements Electrochemical measurements were carried out using the glassy carbon electrode prepared as described above as the working electrode, a platinum wire as the counter electrode, and a silver-silver chloride electrode as the reference electrode, with a 0.5 mol/L aqueous sulfuric acid solution (saturated with nitrogen gas) as the electrolyte. All potentials are shown converted to the reversible hydrogen electrode (RHE) standard. Commercially available iridium oxide and ruthenium oxide were used as controls.
2-1 Evaluation of Electrochemically Active Surface Area Cyclic voltammetry was performed at a potential range of 1.2 to 1.4 V, with the sweep rate varying from 5 to 80 mV/s. The electrochemically active surface area (ECSA) was calculated from the increase in the electric double layer relative to the sweep rate, assuming that the specific capacity of iridium oxide and ruthenium oxide was 35 μF/ cm² .
2-2 Evaluation of oxygen generating overvoltage Linear sweep voltammetry was performed from a potential of 1.1 V to 1.9 V at a sweep rate of 10 mV/s, and the difference between the potential at which a current density of 10 mA/ cm2 was reached and the theoretical potential for oxygen generation, 1.23 V, was taken as the oxygen generating overvoltage.
2-3 Evaluation of durability The working electrode was rotated at 1600 rpm, the current density was fixed at 10 mA/ cm2 , and the change in potential with time was measured.
2-4. Measurement results The porous iridium oxide produced from ionic crystals consisting of Ir(III) and p-phenylenediamine (PPDA) (Table 1, "Porous iridium oxide Ir(III)-PPDA") had a maximum ECSA of 536 m 2 /g when the calcination temperature was 380°C, and the ECSA decreased when calcined at lower or higher temperatures. Regardless of the calcination temperature, the porous iridium oxide produced from ionic crystals consisting of Ir(III) and PPDA (Table 1, "Porous iridium oxide Ir(III)-PPDA") showed a larger ECSA than commercially available iridium oxide ("Iridium oxide (commercially available)").
Porous iridium oxide produced from ionic crystals consisting of Ir(III) and PPDA (porous iridium oxide "Ir(III)-PPDA" in Table 1) showed the lowest oxygen evolving overvoltage of 270 mV when the calcination temperature was 380°C. The oxygen evolving overvoltage correlates with the magnitude of the ECSA, and the larger the ECSA, the lower the overvoltage tended to be. Regardless of the calcination temperature, porous iridium oxide produced from ionic crystals consisting of Ir(III) and PPDA (porous iridium oxide "Ir(III)-PPDA" in Table 1) showed a lower overvoltage (oxygen evolving overvoltage can be determined from Figure 4) than commercially available iridium oxide ("Iridium oxide (commercially available)" in Table 1), demonstrating its superiority as an oxygen evolving catalyst.
Porous iridium oxides prepared from ionic crystals consisting of various amine compounds and Ir(III) (Table 1, "Ir(III)-BuA,""Ir(III)-Mermamine,""Ir(III)-MXDA," and "Ir(III)-NoA") all exhibited larger ECSA and lower oxygen evolution overpotential than commercially available iridium oxide (Table 1, "Iridium oxide (commercial product)"). This indicates that the performance as an oxygen evolution catalyst is not significantly affected by the type of amine compound.
Porous ruthenium oxide produced from ionic crystals composed of Ru(III) and PPDA (porous ruthenium oxide of "Ru(III)-PPDA" in Table 1) exhibited a lower oxygen evolving overvoltage than porous iridium oxide produced in the same manner (porous iridium oxide of "Ir(III)-PPDA, 380°C" in Table 1). Ru is known to exhibit higher oxygen evolving catalytic activity than Ir, and this result reflects this. Furthermore, porous ruthenium oxide exhibited a larger ECSA and lower oxygen evolving overvoltage than commercially available ruthenium oxide (ruthenium oxide (commercial product) in Table 1), indicating that, like iridium oxide, the oxygen evolving catalytic activity was improved by making the ionic crystals porous through calcination.
The porous oxide (iridium oxide/ruthenium oxide) of an alloy containing Ir and Ru in a molar ratio of 1:1 (Table 1, porous iridium oxide/ruthenium oxide in "Ir(III)/Ru(III)-PPDA") exhibited an oxygen evolution overvoltage intermediate between that of porous iridium oxide (Table 1, porous iridium oxide in "Ir(III)-PPDA, 380°C") and porous ruthenium oxide. This indicates that the oxygen evolution catalytic activity can be changed by controlling the molar ratio of Ir and Ru.
The durability test results showed that the potential of commercially available iridium oxide rose significantly in about 1.5 hours, but the potential of porous iridium oxide did not change significantly even after a long measurement period of 12 hours (Figure 5(A)). Furthermore, the potential of commercially available ruthenium oxide rose significantly immediately, but the potential of porous ruthenium oxide did not change significantly over a long measurement period of 5 hours (Figure 5(B)). This indicates that increasing porosity improves not only the oxygen evolving overpotential but also the durability of the catalyst.

本発明によれば、触媒活性の高い酸素発生触媒を、簡便な方法で製造することが可能となる。この触媒は、水の電気分解の電極として使うことができるので、自然エネルギーで生産した電気を、水の電気分解を利用して、水素として、保存する、一連の流れに関わる業界、特に、水の電気分解装置に関わる業界に有用である。 This invention makes it possible to produce an oxygen generating catalyst with high catalytic activity using a simple method. This catalyst can be used as an electrode for water electrolysis, making it useful in industries involved in the process of converting electricity produced from natural energy into hydrogen through the electrolysis of water and storing it, particularly in industries related to water electrolysis equipment.

Claims (8)

白金族金属の塩化物錯イオンとプロトン化された第一級アミン化合物からなるイオン結晶、が焼成されてなる、多孔質酸化金属。 A porous metal oxide formed by calcining ionic crystals consisting of platinum group metal chloride complex ions and protonated primary amine compounds. 焼成温度が360℃~600℃である請求項1の多孔質酸化金属。 The porous metal oxide of claim 1, wherein the firing temperature is 360°C to 600°C. 白金族金属の塩化物錯イオンが[IrCl3-及び/又は[RuCl3-である、請求項1又は2の多孔質酸化金属。 3. The porous metal oxide of claim 1, wherein the chloride complex ions of platinum group metals are [IrCl 6 ] 3- and/or [RuCl 6 ] 3- . 第一級アミン化合物が、芳香族第一級アミン化合物及び又は脂肪族第一級アミン化合物である、請求項1~3のいずれか1の多孔質酸化金属。 The porous metal oxide of any one of claims 1 to 3, wherein the primary amine compound is an aromatic primary amine compound and/or an aliphatic primary amine compound. 0.5mol/L硫酸溶液中で測定したときの電気化学的活性表面積が90~700m/gである、請求項1~4のいずれか1の多孔質酸化金属。 5. The porous metal oxide according to claim 1, which has an electrochemically active surface area of 90 to 700 m 2 /g when measured in a 0.5 mol/L sulfuric acid solution. 請求項1~5のいずれか1の多孔質酸化金属である、酸素発生触媒。 An oxygen generating catalyst comprising the porous metal oxide of any one of claims 1 to 5. 白金族金属の塩化物錯イオンとプロトン化された第一級アミン化合物、からなるイオン結晶である、酸素発生触媒前駆体。 An oxygen evolution catalyst precursor, an ionic crystal consisting of a platinum group metal chloride complex ion and a protonated primary amine compound. (1)白金族金属を含む塩酸溶液に第一級アミン化合物を混合する工程と、
(2)生じた沈殿を焼成する工程
を含む、多孔質酸化金属の製造方法。


(1) mixing a primary amine compound with a hydrochloric acid solution containing a platinum group metal;
(2) A method for producing porous metal oxide, which includes a step of calcining the resulting precipitate.


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