JP7804280B2 - Oxygen generating electrode and manufacturing method thereof, and oxygen generating electrode and method for electrolyzing seawater - Google Patents
Oxygen generating electrode and manufacturing method thereof, and oxygen generating electrode and method for electrolyzing seawaterInfo
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Description
本発明は、酸素発生電極及びその製造方法、並びに酸素発生電極及び水の電気分解方法に関する。 The present invention relates to an oxygen generating electrode and a method for manufacturing the same, as well as an oxygen generating electrode and a method for electrolyzing water.
水電解(水の電気分解を意味する)は、環境問題及びエネルギー資源問題の解決を目指すなかで、再生可能エネルギーの電力を使用して水から水素を製造する方法として有望である。水電解を利用した水素の製造方法では電力を利用するため、製造コストを低減する必要があり、この観点から種々の水電解技術の開発が進められている。 Water electrolysis (the process of electrolyzing water) is a promising method for producing hydrogen from water using renewable energy electricity, as it aims to solve environmental and energy resource problems. Because hydrogen production methods using water electrolysis require electricity, it is necessary to reduce production costs, and with this in mind, various water electrolysis technologies are being developed.
水の電気分解を行うにあたっては、「純水(いわゆる真水)」が必要になりため、大量に電気分解を行う場合は純水が不足しやすい。また、純粋な水は電気をほとんど通さないことから、水に電流を通しやすくするため(すなわち低い電圧で水に電気を通すため)に劇薬である水酸化ナトリウムや硫酸を溶かし込む必要があることもある。 In order to electrolyze water, "pure water (so-called fresh water)" is required, and pure water can easily become scarce when electrolyzing large amounts. Also, because pure water barely conducts electricity, it is sometimes necessary to dissolve highly toxic substances such as sodium hydroxide or sulfuric acid in the water to make it easier for electricity to pass through it (i.e., to make electricity pass through the water at a low voltage).
この観点から、地球表面の7割以上を覆い、ほとんど無尽蔵ともいえる海水を電気分解に使用する方法が期待されている。一方で、一般的な電極(白金、イリジウム酸化物など)を用いて海水の電気分解を行うと、マイナス極(カソード)からは水素ガスが発生するが、プラス極(アノード)では、塩化物イオンの酸化による塩素発生反応(CIER)が水の酸化による酸素発生反応よりも先に起こる。これが原因で、強い毒性及び腐食性を有する塩素ガスが発生しやすい。このため、海水電気分解の使用に適した電極触媒の開発が盛んに進められている。 From this perspective, there is great promise for using seawater, which covers over 70% of the Earth's surface and is virtually inexhaustible, for electrolysis. However, when seawater is electrolyzed using standard electrodes (platinum, iridium oxide, etc.), hydrogen gas is produced from the negative electrode (cathode), but at the positive electrode (anode), the chlorine evolution reaction (CIER) caused by the oxidation of chloride ions occurs before the oxygen evolution reaction caused by the oxidation of water. This makes it easy for chlorine gas, which is highly toxic and corrosive, to be produced. For this reason, active development is underway to develop electrode catalysts suitable for use in seawater electrolysis.
例えば、非特許文献1には、ニッケル-鉄を有する複水酸化物(NiFe-LDH)を構成要素とした触媒材料が提案されている。 For example, Non-Patent Document 1 proposes a catalyst material whose constituent elements are nickel-iron double hydroxides (NiFe-LDH).
しかしながら、非特許文献1に開示のニッケル-鉄を有する複水酸化物で構成される電極触媒は、海水のような塩素含有溶液中では不安定であるため、海水での電気分解において過電圧の上昇を引き起こしやすく、OER(酸素発生反応)の性能の低下を招くという問題を有していた。 However, the electrode catalyst composed of the nickel-iron double hydroxide disclosed in Non-Patent Document 1 is unstable in chlorine-containing solutions such as seawater, and is prone to causing an increase in overvoltage during electrolysis in seawater, resulting in a decrease in performance of the OER (oxygen evolution reaction).
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、海水での電気分解において、高電流密度であっても過電圧は小さく、長期間安定に運転することを可能とする酸素発生電極及びその製造方法、並びに酸素発生電極及び水の電気分解方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in light of the above, and aims to provide an oxygen generating electrode that exhibits small overvoltage even at high current densities and enables stable operation over long periods of time during seawater electrolysis, a method for manufacturing the same, and a method for using the oxygen generating electrode and electrolysis of water.
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、特定の複合金属酸化物と複水酸化物とを複合化した材料を触媒と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 extensive research into achieving the above objective, the inventors discovered that the above objective could be achieved by using a material that combines a specific complex metal oxide and a double hydroxide as a catalyst, leading to the completion of 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
海水分解に用いられる酸素発生電極であって、
電極基材上に触媒を備え、
前記触媒は、少なくとも2種の遷移金属を含む複合金属酸化物と、少なくとも2種の金属を含む複水酸化物を含有し、
前記複合金属酸化物に含まれる前記遷移金属は少なくともMnであり、
前記複水酸化物に含まれる前記金属は少なくとも2価の金属及び3価の金属の両方を含有する、海水分解用酸素発生電極触媒。
項2
前記複水酸化物に含まれる前記金属は少なくとも2価のNi及び3価のFeである、項1に記載の海水分解用酸素発生電極触媒。
項3
前記触媒は、前記複合金属酸化物の表面を前記複水酸化物が被覆した構造を有する、項1又は2に記載の海水分解用酸素発生電極触媒。
項4
前記触媒は、前記電極基材上にシート状に形成されている、請求項1~3のいずれか1に記載の海水分解用酸素発生電極触媒。
項5
項1~4のいずれか1項に記載の電極触媒を備える、酸素発生電極。
項6
項5に記載の酸素発生電極を使用して水の電解処理を行う工程を含む、水の電気分解方法。
項7
項1~4のいずれか1項に記載の電極触媒を製造する方法であって、
電極基材上を少なくともMnを含む第1の遷移金属源の溶液中で加熱処理をすることで、電極基材上に前駆体を形成する工程1、
前記前駆体が形成された電極基材を焼成して複合酸化物が形成された電極基材を得る工程2、及び、
前記複合酸化物が形成された電極基材を、第2の金属源の溶液中で加熱処理して電極触媒を得る工程3、
を備える、電極触媒の製造方法。
That is, the present invention includes, for example, the subject matter described in the following sections.
Item 1
An oxygen generating electrode used for seawater decomposition,
A catalyst is provided on an electrode substrate,
The catalyst contains a composite metal oxide containing at least two transition metals and a double hydroxide containing at least two metals,
the transition metal contained in the composite metal oxide is at least Mn;
The oxygen generating electrode catalyst for seawater splitting, wherein the metal contained in the double hydroxide contains at least both a divalent metal and a trivalent metal.
Section 2
Item 2. The oxygen generating electrode catalyst for seawater splitting according to Item 1, wherein the metal contained in the double hydroxide is at least divalent Ni and trivalent Fe.
Section 3
Item 3. The oxygen generating electrode catalyst for seawater splitting according to Item 1 or 2, wherein the catalyst has a structure in which the surface of the composite metal oxide is coated with the double hydroxide.
Section 4
4. The oxygen generating electrode catalyst for seawater splitting according to claim 1, wherein the catalyst is formed in a sheet shape on the electrode substrate.
Item 5
Item 5. An oxygen generating electrode comprising the electrode catalyst according to any one of items 1 to 4.
Item 6
Item 6. A method for electrolyzing water, comprising a step of electrolyzing water using the oxygen generating electrode according to Item 5.
Section 7
Item 5. A method for producing the electrode catalyst according to any one of Items 1 to 4,
Step 1: forming a precursor on an electrode substrate by heat treating the electrode substrate in a solution of a first transition metal source containing at least Mn;
Step 2: calcining the electrode base material on which the precursor is formed to obtain an electrode base material on which a composite oxide is formed; and
Step 3: heat-treating the electrode substrate on which the composite oxide is formed in a solution of a second metal source to obtain an electrode catalyst;
A method for producing an electrode catalyst comprising:
本発明の海水分解用酸素発生電極触媒は、海水の電気分解の電極として使用した場合に、高電流密度であっても過電圧は小さく、長期間安定に運転することを可能とする。 When used as an electrode for electrolyzing seawater, the oxygen-generating electrode catalyst for seawater splitting of the present invention exhibits small overvoltage even at high current densities, enabling stable operation over long periods of time.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書中において、「含有」及び「含む」なる表現については、「含有」、「含む」、「実質的にからなる」及び「のみからなる」という概念を含む。 Embodiments of the present invention are described in detail below. Note that, in this specification, the expressions "contain" and "comprise" include the concepts of "contain," "comprise," "consist essentially of," and "consist only of."
1.電極触媒
本発明の海水分解用酸素発生電極触媒(以下、単に「本発明の電極触媒」と表記する)は、海水分解に用いられる酸素発生電極であって、電極基材上に触媒を備えてなるものである。斯かる触媒は、少なくとも2種の遷移金属を含む複合金属酸化物と、少なくとも2種の金属を含む複水酸化物を含有し、前記複合金属酸化物に含まれる前記遷移金属は少なくともMnであり、前記複水酸化物に含まれる前記金属は少なくとも2価の金属及び3価の金属の両方を含有する。
The oxygen generating electrode catalyst for seawater splitting of the present invention (hereinafter simply referred to as "the electrode catalyst of the present invention") is an oxygen generating electrode used for seawater splitting, comprising a catalyst on an electrode substrate. This catalyst contains a composite metal oxide containing at least two transition metals and a double hydroxide containing at least two metals, the transition metal contained in the composite metal oxide is at least Mn, and the metal contained in the double hydroxide contains at least both a divalent metal and a trivalent metal.
本発明の海水分解用酸素発生電極触媒は、海水の電気分解の電極として使用した場合に、高電流密度であっても過電圧は小さく、長期間安定に運転することを可能とする。 When used as an electrode for electrolyzing seawater, the oxygen-generating electrode catalyst for seawater splitting of the present invention exhibits small overvoltage even at high current densities, enabling stable operation over long periods of time.
電極基材の種類は特に限定されず、例えば、公知の導電性の基材を広く採用することができる。電極基材としては、例えば、水の電気分解用の電極として使用されている基材を挙げることができ、具体例として、金属基材、炭素基材、ガラス基材等を挙げることができる。 The type of electrode substrate is not particularly limited, and a wide variety of known conductive substrates can be used. Examples of electrode substrates include substrates used as electrodes for water electrolysis, such as metal substrates, carbon substrates, and glass substrates.
金属基材としては、ニッケル、チタン、鉄、銅等の金属単体の基材、あるいは、ニッケル-リン合金、ニッケル-タングステン合金、ステンレス合金等の基材又は各種金属フォーム(例えば、ニッケルフォーム、銅フォーム)等が例示される。中でも金属基材としては、ニッケルフォームであることが好ましい。この場合、基材由来のニッケルよって触媒を形成することができる。 Examples of metal substrates include substrates of simple metals such as nickel, titanium, iron, and copper, as well as substrates such as nickel-phosphorus alloys, nickel-tungsten alloys, and stainless steel alloys, and various metal foams (e.g., nickel foam and copper foam). Among these, nickel foam is preferred as the metal substrate. In this case, the catalyst can be formed from the nickel derived from the substrate.
炭素基材としては、カーボンペーパー、カーボンファイバーペーパー、炭素棒等が例示される。ガラス基材としては、導電ガラス等が例示される。電極基材は、例えば、フォーム等の多孔質体であってもよい。 Examples of carbon substrates include carbon paper, carbon fiber paper, and carbon rods. Examples of glass substrates include conductive glass. Electrode substrates may also be porous materials such as foam.
電極基材は、金属基材であることがより好ましく、ニッケル基材であることがより好ましく、ニッケルフォームであることが特に好ましい。 The electrode substrate is preferably a metal substrate, more preferably a nickel substrate, and particularly preferably nickel foam.
電極基材は、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、電極基材の形状は、フォーム状、シート状、板状、棒状、メッシュ状等とすることができ、フォーム状であることが好ましい。 The electrode substrate can be obtained, for example, by a known manufacturing method, or can be obtained from a commercially available product. The shape and size of the electrode substrate are not particularly limited and can be selected appropriately depending on the intended use and required performance. For example, the shape of the electrode substrate can be foam, sheet, plate, rod, mesh, etc., with foam being preferred.
本発明の電極触媒において、前記触媒は前述のように、電極基材上に形成されてなるものである。斯かる触媒は、少なくとも2種の遷移金属を含む複合金属酸化物と、少なくとも2種の遷移金属を含む複水酸化物を含有する。 In the electrode catalyst of the present invention, the catalyst is formed on an electrode substrate as described above. Such a catalyst contains a composite metal oxide containing at least two transition metals and a double hydroxide containing at least two transition metals.
複合金属酸化物は、少なくとも2種の遷移金属を含むものであり、とりわけMnを少なくとも含む複合金属酸化物である。すなわち、複合金属酸化物は、Mnと、Mn以外の遷移金属を含む複合金属酸化物である。 The composite metal oxide contains at least two transition metals, and in particular, contains at least Mn. In other words, the composite metal oxide contains Mn and a transition metal other than Mn.
複合金属酸化物は、Mnを含めて2種以上の遷移金属を含むことができ、複合金属酸化物に含まれる遷移金属は2種のみであってもよい。 The composite metal oxide may contain two or more transition metals, including Mn, or may contain only two transition metals.
Mn以外の遷移金属の種類は特に限定されず、例えば、Co、Fe、Cr、Ni、Mo、W、Cu、Zn等を挙げることができる。中でも、高電流密度であっても過電圧は小さく、長期間安定に運転することを可能とする電極を形成しやすい点で、Mn以外の遷移金属はCoであることが好ましい。 The type of transition metal other than Mn is not particularly limited, and examples include Co, Fe, Cr, Ni, Mo, W, Cu, and Zn. Among these, Co is preferred as the transition metal other than Mn, as it has a small overvoltage even at high current densities and is easy to form an electrode that enables stable operation for a long period of time.
すなわち、複合金属酸化物は、Mn及びCoの複合酸化物であることが好ましい。Mn及びCoの複合酸化物は、MnCo2O4が例示される。 That is, the composite metal oxide is preferably a composite oxide of Mn and Co. An example of the composite oxide of Mn and Co is MnCo2O4 .
前記複水酸化物は、少なくとも2価の金属及び3価の金属の両方を含有する複水酸化物である。前記複水酸化物は、2種以上の金属を含むことができる。あるいは、前記複水酸化物に含まれる金属は2種のみであってもよく、この場合、前記複水酸化物は、2価の金属及び3価の金属のみを含む。 The double hydroxide is a double hydroxide containing at least both a divalent metal and a trivalent metal. The double hydroxide can contain two or more types of metals. Alternatively, the double hydroxide may contain only two types of metals, in which case the double hydroxide contains only a divalent metal and a trivalent metal.
前記複水酸化物において、2価の金属(M2+)としては、Ni、Fe、Co、Zn及びMg等を挙げることができる。3価の金属(M3+)としては、Fe、Mn、Co及びAl等を挙げることができる。 In the double hydroxide, examples of the divalent metal (M 2+ ) include Ni, Fe, Co, Zn, and Mg. Examples of the trivalent metal (M 3+ ) include Fe, Mn, Co, and Al.
中でも、過電圧の上昇を引き起こしにくく、高電流密度であっても長期間安定に運転することを可能とする電極を形成しやすい点で、前記複水酸化物に含まれる前記金属は少なくとも2価のNi(Ni2+)及び3価のFe(Fe3+)であることが好ましい。 In particular, it is preferable that the metals contained in the double hydroxide are at least divalent Ni (Ni 2+ ) and trivalent Fe (Fe 3+ ), since this makes it easier to form an electrode that is less likely to cause an increase in overvoltage and allows for stable operation for a long period of time even at high current densities .
複水酸化物において、Fe及びNiの含有割合は特に限定されず、例えば、Fe:Ni質量比を1:10~10:1とすることができる。特に後記するように、電極基材としてニッケル基材を使用した場合は、Fe及びNiの含有割合は上記範囲になりやすい。 The Fe and Ni content ratios in the double hydroxide are not particularly limited, and can be, for example, an Fe:Ni mass ratio of 1:10 to 10:1. As described below, when a nickel substrate is used as the electrode substrate, the Fe and Ni content ratios tend to fall within the above range.
ここで、複水酸化物(Layered Double Hydroxide;LDH)は、金属水酸化物の層間に交換可能な陰イオンを有し、例えば層状に形成された化合物である。具体的に複水酸化物は、一般式[M2+ 1-xM3+ x(OH)2](An-)x/n・mH2Oで表すことができる水酸化物である。 Here, a layered double hydroxide (LDH) is a compound that has exchangeable anions between layers of a metal hydroxide, and is formed, for example, in a layered structure. Specifically, a double hydroxide is a hydroxide that can be expressed by the general formula [M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 ](A n- ) x/n mH 2 O.
本発明の電極触媒において、前記複水酸化物のアニオン(すなわち、An-)の種類は特に限定されず、例えば、CO3 2-、OH-、Cl-、NO3 -等を挙げることができる。 In the electrode catalyst of the present invention, the type of anion (that is, A n− ) of the double hydroxide is not particularly limited, and examples thereof include CO 3 2− , OH − , Cl − , and NO 3 − .
前記触媒は、前記複合金属酸化物及び前記複水酸化物を含む限りは他の成分を含有することもできる。前記触媒は、前記複合金属酸化物及び前記複水酸化物を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。前記触媒は、前記複合金属酸化物及び前記複水酸化物のみからなるものであってもよい。 The catalyst may contain other components as long as it contains the complex metal oxide and the double hydroxide. The catalyst preferably contains 80% by mass or more of the complex metal oxide and the double hydroxide, more preferably 90% by mass or more, and even more preferably 95% by mass or more. The catalyst may consist solely of the complex metal oxide and the double hydroxide.
前記触媒における前記複合金属酸化物及び前記複水酸化物の含有比率は特に限定されない。例えば、前記複合金属酸化物及び前記複水酸化物の総質量に対し、複合金属酸化物を10~90質量%含有すること場合は、高電流密度であっても過電圧は小さく、長期間安定に運転することを可能とする電極を形成することができる。 The content ratio of the composite metal oxide and the double hydroxide in the catalyst is not particularly limited. For example, if the composite metal oxide is contained in an amount of 10 to 90 mass% relative to the total mass of the composite metal oxide and the double hydroxide, an electrode can be formed that exhibits small overvoltage even at high current densities and enables stable operation for long periods of time.
前記触媒において、前記複合金属酸化物及び前記複水酸化物の存在形態は特に限定されない。過電圧の上昇をより引き起こしにくく、高電流密度であってもより長期間安定に運転することを可能とする電極を形成しやすい点で、前記触媒は、前記複合金属酸化物の表面を前記複水酸化物が被覆した構造を有することが好ましい。 In the catalyst, the form in which the composite metal oxide and double hydroxide are present is not particularly limited. The catalyst preferably has a structure in which the surface of the composite metal oxide is coated with the double hydroxide, as this makes it easier to form an electrode that is less likely to cause an increase in overvoltage and allows for stable operation for a longer period of time even at high current densities.
この一例として、前記複合金属酸化物をコア層、前記複水酸化物をシェル層とするコアシェル構造を有する触媒を挙げることができる。より具体的には、ナノワイヤ状の複合金属酸化物をコア層とし、このコア層を前記複水酸化物が覆ってシェル層を形成した構造を挙げることができる。 One example of this is a catalyst having a core-shell structure in which the composite metal oxide forms a core layer and the double hydroxide forms a shell layer. More specifically, a structure in which a nanowire-shaped composite metal oxide forms a core layer, and the double hydroxide covers this core layer to form a shell layer can be mentioned.
前記触媒の形状は特に限定されず、例えば、前記電極基材上に触媒がシート状に形成されていることが好ましい。これにより、触媒が前記電極基材上に強固に密着し、高い触媒効果を発揮することができる。 The shape of the catalyst is not particularly limited, but for example, it is preferable that the catalyst be formed in a sheet shape on the electrode substrate. This allows the catalyst to adhere firmly to the electrode substrate, thereby achieving a high catalytic effect.
前記触媒がシート状である場合、斯かる触媒はナノシート状であることが好ましい。触媒がナノシート状に形成されている場合、その厚みは、例えば、200~500nmである。触媒がシート状に形成されている場合、斯かるシートは多孔質構造を有することもできる。また、シートは単層のみならず積層構造を有することもできる。 When the catalyst is in sheet form, it is preferably in nanosheet form. When the catalyst is formed in nanosheet form, its thickness is, for example, 200 to 500 nm. When the catalyst is formed in sheet form, the sheet may have a porous structure. Furthermore, the sheet may have not only a single layer but also a laminated structure.
前記触媒は、電極基材の一部又は全部を被覆することができる。また、触媒は電極触媒において最外層に配置していることが好ましい。 The catalyst can cover part or all of the electrode substrate. It is also preferable that the catalyst be positioned as the outermost layer of the electrode catalyst.
本発明の電極触媒は、前記電極基材及び前記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、電極基材上に直接(他の層等を介さずに)触媒が形成され得る。 The electrode catalyst of the present invention may be formed solely from the electrode substrate and the catalyst, or may be combined with other materials as long as the effects of the present invention are not impaired. For example, the electrode catalyst may be formed directly on the electrode substrate (without any other layers interposed therebetween).
本発明の電極触媒は、海水中で電気分解をするための電極として、特に酸素発生電極として好適に使用することができる。特に、本発明の電極触媒は、海水分解用の酸素発生電極として使用した場合に、高電流密度であっても海水電解時の過電圧の上昇が起こりにくく、ターフェル勾配も低くすることができ、長期間安定に運転することができる。 The electrode catalyst of the present invention can be suitably used as an electrode for electrolysis in seawater, particularly as an oxygen-generating electrode. In particular, when used as an oxygen-generating electrode for seawater splitting, the electrode catalyst of the present invention is less likely to cause an increase in overvoltage during seawater electrolysis even at high current densities, and the Tafel slope can be reduced, allowing for stable operation over long periods of time.
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、海水の電気分解用の電極として使用した場合、優れた酸素発生効率をもたらすことができることから、酸素発生用の電極(酸素発生電極)として適している。海水は天然の海水であっても良いし、あるいは、模倣海水(例えば、1MのKOH及び0.5MNaClを含む水溶液)であってもよい。 The electrode catalyst of the present invention is therefore suitable for use in electrodes for various electrolysis applications, and is particularly suitable as an electrode for oxygen generation (oxygen generating electrode) when used as an electrode for the electrolysis of seawater, as it can provide excellent oxygen generation efficiency. The seawater may be natural seawater or imitation seawater (e.g., an aqueous solution containing 1 M KOH and 0.5 M NaCl).
特に本発明の電極触媒は、高電流密度であっても過電圧を低くすることができるので、高いOER選択性があり、次亜塩素酸塩も形成されにくい。これは、複合酸化物の高活性を複水酸化物が保護していることで、塩化物イオンの発生が防がれるためと推察される。また、複水酸化物は、表面活性及び電荷移動を効果的に増加させることができるものと推察される。 In particular, the electrode catalyst of the present invention can reduce overpotential even at high current densities, resulting in high OER selectivity and reduced hypochlorite formation. This is thought to be because the high activity of the composite oxide is protected by the double hydroxide, preventing the generation of chloride ions. It is also thought that the double hydroxide can effectively increase surface activity and charge transfer.
2.電極触媒の製造方法
本発明の電極触媒は種々の方法で製造することができ、特に限定されない。例えば、下記の工程1、工程2及び工程3を少なくとも備えることができる。
工程1;電極基材上を少なくともMnを含む第1の遷移金属源の溶液中で加熱処理をすることで、電極基材上に前駆体を形成する工程。
工程2;前記前駆体が形成された電極基材を焼成して複合酸化物が形成された電極基材を得る工程。
工程3;前記複合酸化物が形成された電極基材を、第2の金属源の溶液中で加熱処理して電極触媒を得る工程。
2. Method for Producing Electrode Catalyst The electrode catalyst of the present invention can be produced by various methods, and is not particularly limited. For example, the method can include at least the following steps 1, 2, and 3.
Step 1: A step of forming a precursor on an electrode substrate by heat treating the electrode substrate in a solution of a first transition metal source containing at least Mn.
Step 2: A step of calcining the electrode base material on which the precursor is formed to obtain an electrode base material on which a composite oxide is formed.
Step 3: A step of heat treating the electrode substrate on which the composite oxide has been formed in a solution of a second metal source to obtain an electrode catalyst.
(工程1)
工程1では、電極基材上を少なくともMnを含む第1の遷移金属源の溶液中で加熱処理を行う。これにより、電極基材上に前駆体が形成される。
(Step 1)
In step 1, the electrode substrate is subjected to a heat treatment in a solution of a first transition metal source containing at least Mn, thereby forming a precursor on the electrode substrate.
工程1で使用する電極基材の種類は特に限定されず、前述の電極触媒で使用する電極基材と同様である。従って、工程1で使用する電極基材としては、例えば、金属基材、炭素基材、ガラス基材等を挙げることができ、好ましくは金属基材であり、より好ましくはニッケル基材であり、中でもニッケルフォームであることが特に好ましい。 The type of electrode substrate used in Step 1 is not particularly limited and is the same as the electrode substrate used in the electrode catalyst described above. Therefore, examples of the electrode substrate used in Step 1 include metal substrates, carbon substrates, and glass substrates. Metal substrates are preferred, nickel substrates are more preferred, and nickel foam is particularly preferred.
工程1では、少なくともMnを含む第1の遷移金属源の溶液を原料として使用する。Mnを含む第1の遷移金属源は、遷移金属としてMn及びMn以外の遷移金属元素を含む。Mn以外の遷移金属、例えば、Co、Fe、Cr、Ni、Mo、W、Cu、Zn等を挙げることができ、Coであることが好ましい。 In step 1, a solution of a first transition metal source containing at least Mn is used as a raw material. The first transition metal source containing Mn contains Mn as a transition metal and a transition metal element other than Mn. Examples of transition metals other than Mn include Co, Fe, Cr, Ni, Mo, W, Cu, and Zn, with Co being preferred.
第1の遷移金属源は、遷移金属単体であってもよいし、遷移金属を含有する化合物であってもよい。第1の遷移金属源が遷移金属を含有する化合物である場合、第1の遷移金属源は、Mnを有する化合物と、Mn以外の遷移金属を有する化合物を含むことができる。Mnを有する化合物は、Mnの無機酸塩、Mnの有機酸塩、Mnの水酸化物及びMnのハロゲン化物等を広く使用することができる。同様に、Mn以外の遷移金属を有する化合物は、Mn以外の遷移金属の無機酸塩、Mn以外の遷移金属の有機酸塩、Mn以外の遷移金属の水酸化物及びMn以外の遷移金属のハロゲン化物等を広く使用することができる。 The first transition metal source may be a transition metal element or a compound containing a transition metal. When the first transition metal source is a compound containing a transition metal, the first transition metal source may include a compound containing Mn and a compound containing a transition metal other than Mn. Compounds containing Mn may widely include inorganic acid salts of Mn, organic acid salts of Mn, hydroxides of Mn, and halides of Mn. Similarly, compounds containing a transition metal other than Mn may widely include inorganic acid salts of transition metals other than Mn, organic acid salts of transition metals other than Mn, hydroxides of transition metals other than Mn, and halides of transition metals other than Mn.
前記無機酸塩としては、例えば、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。有機酸塩としては、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。MnあるいはMn以外の遷移金属を含む化合物は、公知の製造方法で得ることができ、あるいは、市販品を使用することもできる。 The inorganic acid salt can be, for example, one or more selected from the group consisting of nitrates, hydrochlorides, sulfates, carbonates, hydrogencarbonates, phosphates, and hydrogenphosphates. The organic acid salt can be, for example, one or more selected from the group consisting of acetates, oxalates, formates, and succinates. Compounds containing Mn or transition metals other than Mn can be obtained by known production methods, or commercially available products can be used.
第1の遷移金属源としては、硝酸塩であることが好ましい。従って、第1の遷移金属源は、Mnの硝酸塩及びCoの硝酸塩を含むことが好ましい。 The first transition metal source is preferably a nitrate. Therefore, the first transition metal source preferably includes a nitrate of Mn and a nitrate of Co.
第1の遷移金属源の溶液において、溶媒は、例えば、水であり、その他、低級アルコール化合物を含むことができる。溶媒は水のみであってもよい。第1の遷移金属源の溶液において、第1の遷移金属源の濃度は特に限定されず、溶媒100mLあたり、遷移金属の総濃度が1~200mmolであることが好ましく、5~150mmolであることがより好ましく、10~100mmolであることがさらに好ましい。 In the solution of the first transition metal source, the solvent is, for example, water, and may also contain a lower alcohol compound. The solvent may be water alone. In the solution of the first transition metal source, the concentration of the first transition metal source is not particularly limited, and the total concentration of the transition metal per 100 mL of solvent is preferably 1 to 200 mmol, more preferably 5 to 150 mmol, and even more preferably 10 to 100 mmol.
第1の遷移金属源の溶液は、その他の添加剤を含むことができる。他の添加剤としては、例えば、pH調整剤を挙げることができる。pH調整剤としては、尿素(CO(NH2)2)、NH4F、水酸化アンモニウム等を挙げることができる。pH調整剤は1種のみ又は2種以上を組み合わせて使用することができる。 The solution of the first transition metal source may contain other additives. Examples of the other additives include a pH adjuster. Examples of the pH adjuster include urea (CO(NH 2 ) 2 ), NH 4 F, and ammonium hydroxide. The pH adjusters may be used alone or in combination of two or more.
第1の遷移金属源の溶液がpH調整剤を含む場合、水系溶媒100mLあたり、各pH調整剤が10~50mmol溶解していることが好ましい。この場合、第1の遷移金属源の溶液がアルカリ領域のpHを有しやすく、これにより第1工程で形成される遷移金属の複合酸化物が所望の形状に形成されやすくなる。 When the solution of the first transition metal source contains a pH adjuster, it is preferable that 10 to 50 mmol of each pH adjuster be dissolved per 100 mL of aqueous solvent. In this case, the solution of the first transition metal source is likely to have a pH in the alkaline range, which makes it easier for the composite oxide of transition metals formed in the first step to be formed in the desired shape.
第1の遷移金属源の溶液は、遷移金属を含む化合物、pH調整剤及び水系溶媒のみからなるものであってもよい。 The first transition metal source solution may consist only of a transition metal-containing compound, a pH adjuster, and an aqueous solvent.
工程1において、第1の遷移金属源の溶液に電極基材を浸漬する方法は特に限定されず、通常は、電極基材の全体が第1の遷移金属源の溶液に浸されるように行うことができる。電極基材の浸漬は、例えば、後記する水熱合成が可能な容器内で行うことができる。このような容器として、耐圧式のオートクレーブを挙げることができる。オートクレーブの内面は、例えば、テフロン(登録商標)等のフッ素樹脂でコーティングすることができる。 In step 1, the method for immersing the electrode substrate in the solution of the first transition metal source is not particularly limited, and can typically be carried out so that the entire electrode substrate is immersed in the solution of the first transition metal source. The electrode substrate can be immersed, for example, in a container capable of hydrothermal synthesis, as described below. An example of such a container is a pressure-resistant autoclave. The inner surface of the autoclave can be coated with a fluororesin such as Teflon (registered trademark).
工程1では、電極基材を第1の原料に浸漬した状態で加熱処理を行う。工程1の加熱処理としては、水熱合成法を挙げることができる。ここでいう水熱合成法は、電極基材を第1の遷移金属源に浸漬した状態で容器を密閉し、該容器内を加熱する方法である。 In step 1, the electrode substrate is immersed in the first raw material and subjected to a heat treatment. The heat treatment in step 1 can be performed using a hydrothermal synthesis method. The hydrothermal synthesis method referred to here is a method in which the electrode substrate is immersed in a first transition metal source, the container is sealed, and the inside of the container is heated.
水熱合成における容器内の温度は、遷移金属Mの水酸化物が形成される条件である限りは特に制限されず、例えば、110~200℃とすることができる。この温度にて容器を保持する時間も特に限定されず、例えば、2~24時間とすることができる。水熱合成における容器内の圧力も適宜設定することができる。 The temperature inside the vessel during hydrothermal synthesis is not particularly limited as long as it satisfies the conditions for forming the hydroxide of the transition metal M, and can be, for example, 110 to 200°C. The time for which the vessel is maintained at this temperature is also not particularly limited, and can be, for example, 2 to 24 hours. The pressure inside the vessel during hydrothermal synthesis can also be set appropriately.
工程1の加熱処理(水熱合成)により、電極基材上に前駆体が形成される。斯かる前駆体は、遷移金属の水酸化物である。 The heating treatment (hydrothermal synthesis) in step 1 forms a precursor on the electrode substrate. This precursor is a hydroxide of a transition metal.
(工程2)
工程2は、工程1にて前駆体が形成された電極基材を焼成するため工程である。これにより、前駆体が参加して複合酸化物が形成された電極基材を得ることができる。
(Step 2)
Step 2 is a step for firing the electrode base material on which the precursor has been formed in step 1. This allows for the production of an electrode base material on which the precursor has been oxidized to form a composite oxide.
工程2において、焼成の方法は特に限定されず、例えば、公知の焼成方法を広く採用することができる。焼成温度は、例えば、300~400℃とすることができ、340~380℃とすることが好ましい。焼成時間は、焼成温度によって適宜選択すればよく、例えば、1.5~5時間とすることができる。焼成を行う際の昇温速度も特に限定されず、所望の酸化物が形成される程度に適宜設定することができる。 In step 2, the calcination method is not particularly limited, and a wide variety of known calcination methods can be used. The calcination temperature can be, for example, 300 to 400°C, and preferably 340 to 380°C. The calcination time can be selected appropriately depending on the calcination temperature, and can be, for example, 1.5 to 5 hours. The rate of temperature rise during calcination is also not particularly limited, and can be set appropriately to a level that results in the formation of the desired oxide.
焼成は、空気中及び不活性ガス雰囲気中のいずれで行ってもよい。好ましくは、空気中で焼成を行うことである。焼成は、例えば、市販の加熱炉等の公知の加熱装置を使用することができる。 Firing may be carried out in air or in an inert gas atmosphere. Firing is preferably carried out in air. Firing can be carried out using a known heating device, such as a commercially available heating furnace.
上記焼成によって、電極基材上の前駆体(水酸化物)が酸化物へと変化し、Mnを含む複合酸化物で修飾された電極基材を得ることができる。 By performing the above calcination, the precursor (hydroxide) on the electrode substrate is converted to an oxide, resulting in an electrode substrate modified with a composite oxide containing Mn.
(工程3)
工程3は、工程2において複合酸化物が形成された電極基材を、第2の金属源の溶液中で加熱処理する工程である。斯かる工程3で目的の電極触媒を得ることができる。
(Step 3)
Step 3 is a step of heat treating the electrode substrate on which the composite oxide has been formed in Step 2 in a solution of the second metal source. In Step 3, the target electrode catalyst can be obtained.
工程3では、第2の金属源の溶液を原料として使用する。第2の金属源は、2価の金属及び3価の金属を含むことが好ましい。ただし、工程1で使用する電極基材がニッケル基材である場合、当該基材のNiが金属源(Ni源)となるので、この場合は、例えば、第2の金属源は、3価の金属のみを含むものであっても良い。もちろん、電極基材がニッケル基材である場合も第2の金属源は、2価の金属及び3価の金属を含むことが好ましい。 In step 3, a solution of the second metal source is used as a raw material. The second metal source preferably contains a divalent metal and a trivalent metal. However, if the electrode substrate used in step 1 is a nickel substrate, the Ni in the substrate serves as the metal source (Ni source). In this case, for example, the second metal source may contain only a trivalent metal. Of course, even when the electrode substrate is a nickel substrate, it is preferable that the second metal source contain a divalent metal and a trivalent metal.
本発明の製造方法では、電極基材がニッケル基材であって、工程3で使用する第2の金属源の溶液が3価の金属を含むことが好ましい。3価の金属は、Fe、Mn、Co及びAl等を挙げることができ、中でもFeが好ましい。 In the manufacturing method of the present invention, it is preferable that the electrode substrate is a nickel substrate, and the second metal source solution used in step 3 contains a trivalent metal. Examples of trivalent metals include Fe, Mn, Co, and Al, with Fe being preferred.
第2の金属源は、金属単体であってもよいし、金属を含有する化合物であってもよい。例えば、第2の金属源は、Feの無機酸塩、Feの有機酸塩、Feの水酸化物及びFeのハロゲン化物等を広く使用することができる。 The second metal source may be a metal element or a compound containing the metal. For example, a wide range of second metal sources can be used, including inorganic acid salts of Fe, organic acid salts of Fe, hydroxides of Fe, and halides of Fe.
Feの無機酸塩としては、例えば、Fe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。Feの有機酸塩としては、Fe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。Fe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、市販品を使用することもできる。 Examples of inorganic acid salts of Fe include one or more selected from the group consisting of Fe nitrate, hydrochloride, sulfate, carbonate, bicarbonate, phosphate, and hydrogen phosphate. Examples of organic acid salts of Fe include one or more selected from the group consisting of Fe acetate, oxalate, formate, and succinate. Compounds containing Fe can be obtained by known production methods, or commercially available products can be used.
第2の金属源は、Feのハロゲン化物であることが好ましい。 The second metal source is preferably an Fe halide.
第2の金属源の溶液において、溶媒は、例えば、水であり、その他、低級アルコール化合物を含むことができる。溶媒は水のみであってもよい。第2の金属源の溶液において、第2の金属源の濃度は特に限定されず、溶媒100mLあたり、遷移金属の総濃度が1~200mmolであることが好ましく、3~150mmolであることがより好ましく、5~100mmolであることがさらに好ましい。 In the solution of the second metal source, the solvent is, for example, water, and may also contain a lower alcohol compound. The solvent may be water alone. In the solution of the second metal source, the concentration of the second metal source is not particularly limited, and the total concentration of the transition metals per 100 mL of solvent is preferably 1 to 200 mmol, more preferably 3 to 150 mmol, and even more preferably 5 to 100 mmol.
第2の金属源の溶液は、その他の添加剤を含むことができる。他の添加剤としては、例えば、pH調整剤を挙げることができる。pH調整剤としてはNaNO3を挙げることができる。原料液がpH調整剤を含む場合、例えば、第二鉄が加水分解するときのpH値を下げることができ、また、ニッケルフォーム等のニッケル基材を電極基材として使用する場合はNi2+イオンを生成するためのエッチング剤として機能し得る。 The second metal source solution may contain other additives. Examples of such additives include a pH adjuster, such as NaNO3 . When the source solution contains a pH adjuster, the pH value at which ferric iron is hydrolyzed can be lowered. Furthermore, when a nickel substrate such as nickel foam is used as the electrode substrate, the pH adjuster can function as an etching agent to generate Ni2 + ions.
第2の金属源の溶液がpH調整剤を含む場合、水系溶媒100mLあたり、各pH調整剤が10~50mmol溶解していることが好ましい。別の観点で、第2の金属源の溶液がpH調整剤を含む場合、例えば、FeとNaNO3とがモル比で1:0.1~1:10であることが好ましく、1:0.5~1・2であることがより好ましい。 When the solution of the second metal source contains a pH adjuster, it is preferable that 10 to 50 mmol of each pH adjuster is dissolved per 100 mL of the aqueous solvent. From another perspective, when the solution of the second metal source contains a pH adjuster, for example, the molar ratio of Fe to NaNO3 is preferably 1:0.1 to 1:10, and more preferably 1:0.5 to 1:2.
第2の金属源の溶液は、遷移金属を含む化合物、pH調整剤及び水系溶媒のみからなるものであってもよい。 The second metal source solution may consist only of a transition metal-containing compound, a pH adjuster, and an aqueous solvent.
工程3で行う加熱処理の方法としては、例えば、容器内にて電極基材を第2の金属源の溶液に浸漬した状態で容器を密閉し、該容器内を加熱する、いわゆる水熱合成法を挙げることができる。この水熱合成法により、電極基材上に形成されている複合酸化物の表面に水熱反応物が形成される。斯かる水熱反応物は複水酸化物である。電極基材としてニッケル基材を使用し、第2の金属源がFeである場合、水熱合成により、ニッケル基材のニッケルが反応に関与し、ニッケル基材由来のNiと原料液に含まれるFe源由来のFeとの複水酸化物が生成する。 The heat treatment method used in step 3 can be, for example, a hydrothermal synthesis method in which the electrode substrate is immersed in a solution of the second metal source in a container, the container is sealed, and the container is heated. This hydrothermal synthesis method forms a hydrothermal reaction product on the surface of the composite oxide formed on the electrode substrate. This hydrothermal reaction product is a double hydroxide. When a nickel substrate is used as the electrode substrate and the second metal source is Fe, the nickel in the nickel substrate participates in the reaction during hydrothermal synthesis, producing a double hydroxide of Ni derived from the nickel substrate and Fe derived from the Fe source contained in the raw material solution.
工程3では、耐圧式のオートクレーブを使用することができ、オートクレーブの内面は、例えば、テフロン(登録商標)等のフッ素樹脂でコーティングすることができる。 In step 3, a pressure-resistant autoclave can be used, and the inside of the autoclave can be coated with a fluororesin such as Teflon (registered trademark).
工程3において、加熱処理時の容器内の温度は特に制限されず、例えば、50~250℃とすることができ、70~200℃であることが好ましく、80~180℃であることがより好ましく、90~150℃であることがさらに好ましい。加熱時間も特に限定されず、加熱温度に応じて適宜決定することができ、例えば、30分~5時間とすることができる。加熱処理時の容器内の圧力も適宜設定することができる。 In step 3, the temperature inside the container during the heating treatment is not particularly limited and can be, for example, 50 to 250°C, preferably 70 to 200°C, more preferably 80 to 180°C, and even more preferably 90 to 150°C. The heating time is also not particularly limited and can be determined appropriately depending on the heating temperature, for example, 30 minutes to 5 hours. The pressure inside the container during the heating treatment can also be set appropriately.
工程3の加熱処理(水熱合成)によって、電極基材上に触媒が形成される。斯かる触媒は、例えば、複合金属酸化物の表面を複水酸化物が被覆した構造を有する。形成される触媒は、前記電極基材上にシート状に形成され得る。 A catalyst is formed on the electrode substrate by the heat treatment (hydrothermal synthesis) in step 3. Such a catalyst has a structure in which the surface of a composite metal oxide is coated with a double hydroxide. The catalyst formed can be formed in the form of a sheet on the electrode substrate.
3.酸素発生電極
本発明の電極触媒は酸素発生電極として適している。酸素発生電極は、例えば、本発明の電極触媒のみで構成されていても良いし、必要に応じて、本発明の電極触媒と他の部材とを組み合わせて形成することができる。
3. Oxygen Evolving Electrode The electrode catalyst of the present invention is suitable as an oxygen evolving electrode. The oxygen evolving electrode may be composed of, for example, only the electrode catalyst of the present invention, or may be formed by combining the electrode catalyst of the present invention with other components as necessary.
酸素発生電極は、本発明の電極触媒を備えるので、水電解時の過電圧の上昇を抑制することができ、安定して海水の電解を行うことができ、酸素を効率よく発生させることができる。また、酸素発生電極は、本発明の電極触媒を備えるので、長時間にわたって安定的に海水の電解を行うこともできる。 Because the oxygen generating electrode is equipped with the electrode catalyst of the present invention, it is possible to suppress an increase in overvoltage during water electrolysis, enabling stable seawater electrolysis and efficient oxygen generation. Furthermore, because the oxygen generating electrode is equipped with the electrode catalyst of the present invention, it is also possible to stably electrolyze seawater over long periods of time.
4.海水の電気分解方法
本発明の海水の電気分解方法は、例えば、前記酸素発生電極を使用して海水の電解処理を行う工程を含むことができる。斯かる電気分解方法により、酸素を製造することができ、あるいは、水素を製造することができる。本発明海水の電気分解方法では、前記酸素発生電極は、アノードとして使用される。
4. Seawater Electrolysis Method The seawater electrolysis method of the present invention can include, for example, a step of electrolyzing seawater using the oxygen generating electrode. By such an electrolysis method, oxygen or hydrogen can be produced. In the seawater electrolysis method of the present invention, the oxygen generating electrode is used as an anode.
一方、本発明の電気分解方法において、カソードとしては、一般に水の電気分解においてカソ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、カーボンロッドや、白金ワイヤーを使用することができ、また、本発明の電極触媒をカソードとして使用することも可能である。 On the other hand, in the electrolysis method of the present invention, an electrode generally used as a cathode in water electrolysis can be used as the cathode. For example, a carbon rod or platinum wire can be used, and the electrode catalyst of the present invention can also be used as the cathode.
本発明の電気分解方法において、海水は天然の海水であっても良いし、あるいは、模倣海水(例えば、1MのKOH及び0.5MNaClを含む水溶液)を海水として用いることもできる。 In the electrolysis method of the present invention, the seawater may be natural seawater, or imitation seawater (e.g., an aqueous solution containing 1 M KOH and 0.5 M NaCl) may be used as seawater.
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 explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
図1に示すスキームに従って、MnCo2O4がNiFe複水酸化物で覆われた触媒をニッケルフォーム上に形成させた。まず、大きさが2×2cm2である発泡ニッケル(ニッケルフォーム)を1M塩酸、エタノール及び脱イオン水の順に超音波条件下で1時間処理した後、60℃の真空オーブンで1時間乾燥させて、電極基材の前処理を行った。このニッケルフォームを、1mmolのMn(NO3)2・4H2O、2mmolのCo(NO3)2・6H2O、6mmolのNH4F、12mmolの尿素を含む30mlの蒸留水に浸した。次に、テフロン(登録商標)で裏打ちされたオートクレーブに移し、120℃で4時間加熱した後、自然冷却させてから、電極基材を取り出し、エタノールと脱イオン水で洗浄し、60℃の真空オーブンで12時間乾燥させた(工程1)。次に、工程1で得た電極基材を350℃で2時間空気中にて焼成した(工程2)。焼成後の電極基材を2mmolのFeCl3・6H2O、2mmolのNaNO3及び30mlの脱イオン水を含むオートクレーブ内に密封し、120℃で2時間加熱処理した(工程3)。この加熱処理後の電極基材をエタノールと脱イオン水で数回洗浄し、電極触媒を得た。斯かる電極触媒を「NiFe-LDH@MnCo2O4/NF」と命名した。
Example 1
According to the scheme shown in Figure 1, a catalyst consisting of MnCo2O4 coated with NiFe double hydroxide was formed on nickel foam. First, a 2 x 2 cm2 nickel foam was pretreated with 1 M hydrochloric acid, ethanol, and deionized water, successively, under ultrasonic conditions for 1 hour, and then dried in a vacuum oven at 60°C for 1 hour to prepare the electrode substrate. The nickel foam was then immersed in 30 ml of distilled water containing 1 mmol of Mn( NO3 ) 2.4H2O , 2 mmol of Co( NO3 ) 2.6H2O , 6 mmol of NH4F , and 12 mmol of urea. It was then transferred to a Teflon-lined autoclave and heated at 120°C for 4 hours. After allowing to cool, the electrode substrate was removed, washed with ethanol and deionized water, and dried in a vacuum oven at 60°C for 12 hours (Step 1). Next, the electrode substrate obtained in step 1 was calcined in air at 350°C for 2 hours (step 2). The calcined electrode substrate was sealed in an autoclave containing 2 mmol of FeCl3.6H2O , 2 mmol of NaNO3 , and 30 ml of deionized water, and heat-treated at 120°C for 2 hours (step 3). After this heat treatment, the electrode substrate was washed several times with ethanol and deionized water to obtain an electrode catalyst. This electrode catalyst was named "NiFe-LDH@ MnCo2O4 / NF ."
(比較例1)
大きさが2×2cm2である発泡ニッケル(ニッケルフォーム)を1M塩酸、エタノール及び脱イオン水の順に超音波条件下で1時間処理した後、60℃の真空オーブンで1時間乾燥させて、電極基材の前処理を行った。このニッケルフォームを、1mmolのMn(NO3)2・4H2O、2mmolのCo(NO3)2・6H2O、6mmolのNH4F、12mmolの尿素を含む30mlの蒸留水に浸した。次に、テフロン(登録商標)で裏打ちされたオートクレーブに移し、120℃で4時間加熱した後、自然冷却させてから、電極基材を取り出し、エタノールと脱イオン水で洗浄し、60℃の真空オーブンで12時間乾燥させた(工程1)。次に、工程1で得た電極基材を350℃で2時間空気中にて焼成した(工程2)。この焼成後の電極基材をエタノールと脱イオン水で数回洗浄し、電極触媒を得た。斯かる電極触媒を「MnCo2O4/NF」と命名した。
(Comparative Example 1)
A 2 x 2 cm2 nickel foam (nickel foam) was treated with 1 M hydrochloric acid, ethanol, and deionized water, successively, under ultrasonic conditions for 1 hour, and then dried in a vacuum oven at 60 °C for 1 hour to pretreat the electrode substrate. This nickel foam was immersed in 30 ml of distilled water containing 1 mmol of Mn(NO 3 ) 2 ·4H 2 O, 2 mmol of Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O, 6 mmol of NH 4 F, and 12 mmol of urea. Next, it was transferred to a Teflon-lined autoclave and heated at 120 °C for 4 hours. After natural cooling, the electrode substrate was removed, washed with ethanol and deionized water, and dried in a vacuum oven at 60 °C for 12 hours (Step 1). Next, the electrode substrate obtained in Step 1 was calcined in air at 350 °C for 2 hours (Step 2). The calcined electrode substrate was washed several times with ethanol and deionized water to obtain an electrode catalyst. Such an electrocatalyst was named "MnCo 2 O 4 /NF."
(比較例2)
大きさが2×2cm2である発泡ニッケル(ニッケルフォーム)を1M塩酸、エタノール及び脱イオン水の順に超音波条件下で1時間処理した後、60℃の真空オーブンで1時間乾燥させて、電極基材の前処理を行った。このニッケルフォームを、2mmolのFeCl3・6H2O、2mmolのNaNO3及び30mlの脱イオン水を含むオートクレーブ内に密封し、120℃で2時間加熱処理した。この加熱処理後の電極基材をエタノールと脱イオン水で数回洗浄し、電極触媒を得た。斯かる電極触媒を「NiFe-LDH/NF」と命名した。
(Comparative Example 2)
A 2 x 2 cm2 nickel foam was treated with 1 M hydrochloric acid, ethanol, and deionized water, successively, under ultrasonic conditions for 1 hour, and then dried in a vacuum oven at 60°C for 1 hour to pretreat the electrode substrate. This nickel foam was sealed in an autoclave containing 2 mmol of FeCl3.6H2O, 2 mmol of NaNO3 , and 30 ml of deionized water, and heat-treated at 120°C for 2 hours. After this heat treatment, the electrode substrate was washed several times with ethanol and deionized water to obtain an electrode catalyst. This electrode catalyst was named "NiFe-LDH/NF."
図2は、実施例及び比較例で得られた触媒のX線回折測定(XRD)結果である。X線回折測定には、Rigaku社製の「SmartLab」を使用し、2θ=10~100°の範囲でCu-Kα(λ=1.540Å)放射線源を使用して測定を行った。 Figure 2 shows the results of X-ray diffraction measurements (XRD) of the catalysts obtained in the examples and comparative examples. X-ray diffraction measurements were performed using a Rigaku Corporation "SmartLab" with a Cu-Kα (λ = 1.540 Å) radiation source in the 2θ range of 10 to 100°.
図2のXRDパターンから、実施例1で形成された触媒は、MnCo2O4(JCPDS番号23-1237)とNiFe-LDH(JCPDS番号38-0715)を有していることを確認した。この結果、実施例1の触媒は、MnCo2O4及びNiFe複水酸化物を含むことがわかった。MnCo2O4ナノワイヤの表面にNiFe-LDH層が堆積されているものと推察される。図2のピーク強度から、FeはMnCo2O4よりも結晶化度が低い可能性が示唆された。 The XRD pattern in Figure 2 confirmed that the catalyst formed in Example 1 contained MnCo2O4 (JCPDS No. 23-1237) and NiFe-LDH (JCPDS No. 38-0715). As a result, it was found that the catalyst of Example 1 contained MnCo2O4 and NiFe double hydroxide. It is presumed that a NiFe-LDH layer is deposited on the surface of the MnCo2O4 nanowires . The peak intensities in Figure 2 suggest that Fe may have a lower degree of crystallinity than MnCo2O4 .
図3には、実施例及び比較例で得られた電極触媒表面のSEM画像及びEDX元素マッピングの画像を示している。具体的に、図3中の(a)は比較例1で得た前駆体、(b)は比較例2で得た電極触媒、(c)は実施例1で得た電極触媒のSEM画像である。図1(d)~(i)は実施例1で得られた電極触媒のEDX元素マッピングの画像でを示す。 Figure 3 shows SEM images and EDX elemental mapping images of the electrode catalyst surfaces obtained in the examples and comparative examples. Specifically, (a) in Figure 3 is an SEM image of the precursor obtained in Comparative Example 1, (b) is an SEM image of the electrode catalyst obtained in Comparative Example 2, and (c) is an SEM image of the electrode catalyst obtained in Example 1. Figures 1(d) to (i) show EDX elemental mapping images of the electrode catalyst obtained in Example 1.
図3のSEM画像から、実施例1で得られた電極触媒はコアシェル構造を形成しており、ナノシート状であることもわかり、電極基材上に均一に触媒が形成されていることがわかった。また、マッピング画像から、各元素(Mn、Co、Fe、Ni、O)が触媒全体に均一に存在していることが認められたので、電極基材に形成された触媒は、MnCo2O4及びNiFe複水酸化物を含むことがわかった。 The SEM image in Figure 3 shows that the electrode catalyst obtained in Example 1 has a core-shell structure and is in the form of a nanosheet, indicating that the catalyst is uniformly formed on the electrode substrate. Furthermore, the mapping image shows that each element (Mn, Co, Fe , Ni , and O) is uniformly present throughout the catalyst, indicating that the catalyst formed on the electrode substrate contains MnCo2O4 and NiFe double hydroxide.
図4(a)は、実施例1及び各比較例で得られ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を示す。この測定では、陰極として実施例1及び各比較例で準備した電極触媒を、陽極としてカーボン棒を、参照電極としてAg/AgCl電極を使用し、酸素発生(OER)試験を行った。また、電解液は、1MのKOH及び0.5MNaClを含む水溶液(模倣海水)を用いた。スキャン速度は2mV/sとした。本実施例においてリニアスイープボルタンメトリー曲線等の電気特性の評価においては、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 4(a) shows the results of linear sweep voltammetry measurements using the electrode catalysts obtained in Example 1 and each comparative example. In this measurement, an oxygen evolution (OER) test was conducted using the electrode catalysts prepared in Example 1 and each comparative example as the cathode, a carbon rod as the anode, and an Ag/AgCl electrode as the reference electrode. The electrolyte used was an aqueous solution containing 1 M KOH and 0.5 M NaCl (imitated seawater). The scan rate was 2 mV/s. In this example, a standard three-electrode cell and a VersaSTAT 4 potentiostat galvanostat electrochemical workstation (USA) were used to evaluate electrical characteristics such as linear sweep voltammetry curves.
図4(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している。図4(c)は、実施例1及び各比較例で得られた電極触媒それぞれの電気化学インピーダンス(EIS)測定結果を示している。この測定は、三電極電気化学測定装置を使用した電気化学インピーダンス分光法(Electrochemical impedance spectroscopy(EIS)により、前記模倣海水中で行った。ここで、測定の周波数範囲は0.01Hz~0.1MHzとし、測定電圧は-0.35V vs Ag/AgClとした。この図2(c)からは、電極/電解質の界面抵抗を判断することができる。 Figure 4(b) shows the Tafel slope calculated from the linear sweep voltammetry curve shown in (a). Figure 4(c) shows the electrochemical impedance (EIS) measurement results for the electrode catalysts obtained in Example 1 and each comparative example. This measurement was performed in the simulated seawater by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) using a three-electrode electrochemical measurement device. The measurement frequency range was 0.01 Hz to 0.1 MHz, and the measurement voltage was -0.35 V vs. Ag/AgCl. The electrode/electrolyte interfacial resistance can be determined from Figure 4(c).
表1は、図4(a)、(b)及び(c)の結果に基づいて導き出した各電極触媒の10mAcm-2、100mAcm-2及び500mAcm-2における過電圧、ターフェル勾配及び電荷移動抵抗(Rct)の結果を示している。 Table 1 shows the overpotential, Tafel slope and charge transfer resistance (R ct ) of each electrode catalyst at 10 mAcm −2 , 100 mAcm −2 and 500 mAcm −2 , derived based on the results in FIGS. 4(a), (b) and (c).
以上の結果から、実施例1で得られた電極触媒は、高電流密度(500mAcm-2)であっても過電圧が低く、ターフェル勾配も最高の性能を示し、また、電荷移動抵抗も最小であった。従って、実施例1で得られた電極触媒は、海水中であっても良好な触媒反応速度を示すものであって、電子伝導性の向上にも有利であるといえる。 From the above results, the electrode catalyst obtained in Example 1 exhibited low overpotential even at a high current density (500 mAcm -2 ), the best Tafel slope, and the lowest charge transfer resistance. Therefore, the electrode catalyst obtained in Example 1 exhibits a good catalytic reaction rate even in seawater, and is also advantageous in improving electronic conductivity.
図5(a)は、実施例1で得られた電極触媒を陽極に用いた場合の多電流ステップクロノポテンシオメトリ曲線であって、電流密度が100mA/cm2~1000mA/cm2までの範囲で600秒毎に100mA/cm2間隔で測定(電解液は前記模倣海水を使用)し、最後に100mA/cm2に戻して得られた電位-時間グラフである。図5(b)はは100mA/cm2及び1000mA/cm2の電流密度で50時間にわたって電解を続けたときの結果を示している。測定条件はそれぞれリニアスイープボルタンメトリー曲線を得るための試験と同様の条件とし、測定装置は、2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て測定を行った。 Figure 5(a) shows a multi-current step chronopotentiometry curve when the electrode catalyst obtained in Example 1 was used as the anode. The current density was measured every 600 seconds at 100 mA/cm² intervals over a range from 100 mA/ cm² to 1000 mA/ cm² (using the imitation seawater as the electrolyte), and the potential-time graph was obtained by returning the current density to 100 mA/ cm² . Figure 5(b) shows the results when electrolysis was continued for 50 hours at current densities of 100 mA/ cm² and 1000 mA/ cm² . The measurement conditions were the same as those used in the tests to obtain the linear sweep voltammetry curves. The measurement was performed using a two-electrode cell and a VersaSTAT4 potentiostat galvanostat electrochemical workstation (USA).
図5の結果から、実施例で得られた電極触媒は、触媒溶解(ピールオフ)なしで100時間にわたって卓越した安定性を示し、高電流密度(1000mA/cm2)で電位に明らかな変化がなかった。また、高電流密度で腐食することなく、50時間にわたって模倣海水で優れた安定性を示した。従って、実施例1で得られた電極触媒は、高電流密度であっても長期間安定に運転することができ、効率的な海水の電気分解を実施できる酸素発生電極に適していることが示された。 5, the electrode catalyst obtained in Example 1 exhibited excellent stability for 100 hours without catalyst dissolution (peel-off), and there was no significant change in potential at a high current density (1000 mA/ cm2 ). It also exhibited excellent stability in simulated seawater for 50 hours without corrosion at high current densities. Therefore, it was demonstrated that the electrode catalyst obtained in Example 1 can operate stably for a long period of time even at high current densities, and is suitable for an oxygen generating electrode capable of efficient seawater electrolysis.
特に過電圧が低いため、ClERよりも高いOER選択性があり、次亜塩素酸塩も形成されないといえる。これは、MnCo2O4ナノワイヤーの高活性をNiFe-LDH保護していることで、塩化物イオンの発生が防がれためと推察される。また、NiFe-LDHは、表面活性及び電荷移動を効果的に増加させることができるものと推察される。 In particular, the low overpotential allows for higher OER selectivity than ClER, and hypochlorite is not formed. This is presumably because the high activity of the MnCo2O4 nanowires is protected by NiFe-LDH, preventing the generation of chloride ions. It is also presumed that NiFe-LDH can effectively increase surface activity and charge transfer.
Claims (6)
電極基材上に触媒を備え、
前記触媒は、MnCo2O4と、2価のNi及び3価のFeを含む複水酸化物を含有する、海水分解用酸素発生電極触媒。 An oxygen generating electrode used for seawater splitting and for suppressing the formation of hypochlorite,
A catalyst is provided on an electrode substrate,
The catalyst is an oxygen generating electrode catalyst for seawater decomposition, containing MnCo2O4 and a double hydroxide containing divalent Ni and trivalent Fe.
ニッケル基材上を少なくともMnを含むCo源の溶液中で加熱処理をすることで、ニッケル基材上に前駆体を形成する工程1、
前記前駆体が形成されたニッケル基材を焼成して複合酸化物が形成されたニッケル基材を得る工程2、及び、
前記複合酸化物が形成されたニッケル基材を、Fe源の溶液中で加熱処理して電極触媒を得る工程3、
を備える、電極触媒の製造方法。 A method for producing the electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3, comprising:
Step 1: forming a precursor on a nickel substrate by heat treating the nickel substrate in a solution of a Co source containing at least Mn;
Step 2: calcining the nickel base material on which the precursor is formed to obtain a nickel base material on which a composite oxide is formed; and
Step 3: heat-treating the nickel base material on which the composite oxide has been formed in a solution of an Fe source to obtain an electrode catalyst;
A method for producing an electrode catalyst comprising:
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| SHI, Huafeng et al,Hierarchical MnCo2O4 nanowire@NiFe layered double hydroxide nanosheet heterostructures on Ni foam for overall water splitting,CrystEngComm,2021年,23,p.7141-7150 |
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