JP2002525258A - Method for preparing reticulated copper sulfide or nickel sulfide - Google Patents

Method for preparing reticulated copper sulfide or nickel sulfide

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JP2002525258A
JP2002525258A JP2000570854A JP2000570854A JP2002525258A JP 2002525258 A JP2002525258 A JP 2002525258A JP 2000570854 A JP2000570854 A JP 2000570854A JP 2000570854 A JP2000570854 A JP 2000570854A JP 2002525258 A JP2002525258 A JP 2002525258A
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electrode
salt
copper sulfide
nickel sulfide
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ウェイン・ロバート・イアン・クランストーン
グラハム・エドワード・クーリー
スチュアート・アーネスト・メイル
ジョナサン・デイヴィッド・コックス
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インターナショナル・パワー・ピーエルシー
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Abstract

(57)【要約】 網状の、硫化銅及び/又は硫化ニッケルを調製するための方法であって、以下の工程:i)硫化銅及び/又は硫化ニッケルの粉末及び塩を含む混合物を、高温及び高圧の熱間静水圧圧縮成形による焼結にかける工程であって、当該塩は、当該熱間静水圧圧縮成形条件下で物理的に及び化学的に安定であり;そしてii)当該焼結体を、当該塩が可溶性である溶媒で処理することにより、当該焼結体から当該塩を溶出させる工程を含むことを特徴とする方法。   (57) [Summary] A process for preparing a reticulated copper sulfide and / or nickel sulfide, comprising the steps of: i) mixing a mixture comprising copper sulfide and / or nickel sulfide powder and salt at a hot and high pressure of hot isostatic pressure. Sintering by compression molding, wherein the salt is physically and chemically stable under the conditions of the hot isostatic pressing; and ii) the sintered body is soluble in the salt. A step of eluting said salt from said sintered body by treating with said solvent.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

本発明は、網状の硫化銅又は硫化ニッケルを調製する方法、及び電気触媒材料
として使用するための網状の硫化銅又は硫化ニッケルに関する。特に本発明は、
熱間静水圧圧縮成形工程を含む、網状の硫化銅又は硫化ニッケル調製する方法に
関する。
The present invention relates to a method for preparing reticulated copper sulfide or nickel sulfide, and reticulated copper sulfide or nickel sulfide for use as an electrocatalytic material. In particular, the present invention
The present invention relates to a method for preparing reticulated copper sulfide or nickel sulfide, including a hot isostatic pressing step.

【0002】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

活性物質として、一以上の遷移金属、銅、又は鉛の、硫化物、セレン化物、若
しくはテルル化物、又はこれらの混合物を含む、電気化学的システムにおいて使
用される電極が知られている。このタイプの電極は、GB-A-2042250において記載
されている。好ましい活性物質は、CoS、Cu2S、PbS2、RuS2、MoS2、NiTe、及びC
u2Seであり、これらは酸化還元システム、例えばS/S2-、Se/Se2-、及びTe/Te2-
用の電極として有用であるといわれている。
Electrodes for use in electrochemical systems are known which contain as active substance one or more transition metal, copper or lead sulfides, selenides or tellurides or mixtures thereof. An electrode of this type is described in GB-A-2042250. Preferred actives are CoS, Cu 2 S, PbS 2 , RuS 2 , MoS 2 , NiTe, and C
u 2 Se, which are redox systems such as S / S 2− , Se / Se 2− , and Te / Te 2−
It is said that it is useful as an electrode for use.

【0003】 しかしながら、GB-A-2042250に記載さる電気触媒材料は、多様な電極を使用し
た電気メッキ技術により、又はその他の表面被覆技術により生産されるため、電
気触媒が薄層で析出し、したがって3次元構造を有しない。故に、この電気触媒
材料は、表面積が小さく、そしてフロースルー電極の製造には適していない。更
に、より厚い層を電極にメッキすると、機械的により不安定になってしまう。
However, the electrocatalyst material described in GB-A-2042250 is produced by an electroplating technique using various electrodes or by other surface coating techniques, so that the electrocatalyst is deposited in a thin layer, Therefore, it does not have a three-dimensional structure. Therefore, this electrocatalyst material has a small surface area and is not suitable for producing a flow-through electrode. Furthermore, plating a thicker layer on the electrode results in mechanical instability.

【0004】 US-A-3847674は、少なくとも40%の空隙率を有し、そして0.5オーム.cm未満の
抵抗性を有する、溶出した硫化第二銅の多孔性カソードの使用を開示している。
これらの電極は、微細に分割した銅及び硫黄の粉末混合物を、硫黄の融点以下の
温度で機械的圧力にかけて密着体にまで圧縮し、次いで当該密着体を、ほぼ大気
圧で加熱して微細に分割された銅及び硫黄が溶出した硫化第二銅カソード構造を
形成する反応を起こさせることにより形成される。
[0004] US-A-3847674 discloses the use of eluted cupric sulfide porous cathodes having a porosity of at least 40% and a resistance of less than 0.5 ohm.cm.
These electrodes compress a finely divided powder mixture of copper and sulfur to a close contact by applying mechanical pressure at a temperature below the melting point of sulfur, and then heat the close contact at approximately atmospheric pressure to produce a fine It is formed by causing a reaction to form a cupric sulfide cathode structure in which the split copper and sulfur have eluted.

【0005】 しかしながら、US-A-3847674の教示事項により生産される電極には、数多くの
欠点がある。まず、この方法では材料の空隙率の制御ができない。孔の空隙率は
、40%乃至80%で変動し、孔の75%は、4ミクロンより大きいサイズである。これは
、孔の大部分をマクロサイズとしてしまい、一方、電気触媒の場合にはメソ孔が
望ましいが、それはこのほうが表面積がより大きいからである。次に、この方法
は発熱性であって、制御が困難であり、そして不定比性材料の生産や、非反応性
(unreacted)材料の生産でさえも可能である。非反応性の銅又は硫黄が存在す
るかもしれないことにより、化学的な、そして結果として機械的な、安定性の問
題が生じる。不定性材料が存在するかもしれないことにより、当該物質の全体の
電気触媒効率が低下する。
[0005] However, the electrodes produced according to the teachings of US-A-3847674 have a number of disadvantages. First, the porosity of the material cannot be controlled by this method. The porosity of the pores varies from 40% to 80%, with 75% of the pores being larger than 4 microns. This leaves most of the pores macro-sized, whereas mesopores are desirable in the case of electrocatalysts because they have a larger surface area. Secondly, the method is exothermic, difficult to control, and is capable of producing non-stoichiometric and even unreacted materials. The potential for non-reactive copper or sulfur presents chemical, and consequently mechanical, stability problems. The presence of non-constant materials may reduce the overall electrocatalytic efficiency of the material.

【0006】 本出願人は、網状の形態を有し機械的に安定な、硫化銅及び/又は硫化ニッケ
ルをベースとした電気触媒材料の調製についての改善された方法を生み出してい
る。
[0006] Applicants have created an improved method for the preparation of copper sulfide and / or nickel sulfide based electrocatalytic materials that have a reticulated morphology and are mechanically stable.

【0007】 したがって本発明は、網状の硫化銅及び/又は硫化ニッケルを調製するための
方法を提供するが、この方法は、以下の工程を含む: (i)高温及び高圧での熱間静水圧圧縮形成により、硫化銅及び/又は硫化ニッ
ケルの粉末、及び塩を含む混合物を焼結にかける工程、ここで当該塩は、熱間静
水圧圧縮成形の条件下では物理的に及び化学的に安定である;そして (ii)当該焼結体を、当該塩が可溶性である溶媒で処理することにより、当該塩
を焼結体から溶出する工程。
Accordingly, the present invention provides a method for preparing reticulated copper sulfide and / or nickel sulfide, the method comprising the steps of: (i) hot isostatic pressure at elevated temperature and pressure Sintering a mixture comprising copper sulfide and / or nickel sulfide powder and a salt by compression forming, wherein the salt is physically and chemically stable under the conditions of hot isostatic pressing And (ii) treating the sintered body with a solvent in which the salt is soluble to elute the salt from the sintered body.

【0008】 好ましくは、本発明を実施する方法においては、前記工程(i)で処理された
当該混合物は、30乃至70重量部、好ましくは60乃至70重量部の硫化銅又は硫化ニ
ッケルを含み、そして70乃至30重量部、好ましくは40乃至30重量部の前記塩を含
む。60乃至70重量部の硫化銅又は硫化ニッケルを含む混合物は、機械的によい安
定な生成物を提供する。
Preferably, in a method of practicing the present invention, the mixture treated in the step (i) contains 30 to 70 parts by weight, preferably 60 to 70 parts by weight of copper sulfide or nickel sulfide, And it contains 70 to 30 parts by weight, preferably 40 to 30 parts by weight of the salt. Mixtures containing 60 to 70 parts by weight of copper sulfide or nickel sulfide provide mechanically stable products.

【0009】 一般に、硫化銅又は硫化ニッケルは、40乃至200マイクロメートルの範囲、好
ましくは60乃至100マイクロメートル、そしてより好ましくは約80マイクロメー
トルの平均粒子サイズを有し、そして当該塩は、30乃至500マイクロメートルの
範囲、好ましくは38乃至420マイクロメートルの平均粒子サイズを有する。38マ
イクロメートル未満では、生成物は粉末へと分解される。420マイクロメートル
を越えると、生成物は、弱く、そしてもろい。最も好ましくは、硫化銅及び塩粒
子の粒子サイズは同等であるが、それはこれが最終的生成物中における最善の機
械的性質を付与するからである。
Generally, the copper sulfide or nickel sulfide has an average particle size in the range of 40 to 200 micrometers, preferably 60 to 100 micrometers, and more preferably about 80 micrometers, and the salt It has an average particle size in the range of ~ 500 micrometers, preferably 38-420 micrometers. Below 38 micrometers, the product breaks down into a powder. Above 420 micrometers, the product is weak and brittle. Most preferably, the particle sizes of the copper sulfide and salt particles are comparable, since this gives the best mechanical properties in the final product.

【0010】 本発明において使用される硫化銅の好ましい形態は、硫化第二銅である。好ま
しい硫化ニッケルの形態は、Ni3S2である。本発明の方法で使用される塩は、当
該方法の工程(ii)で使用される溶媒に可溶性である。故に、もし当該塩が水溶
性であるならば、工程(ii)における当該溶媒は水、又は希酸若しくは希アルカリ
性の溶液とすることができる。本発明の方法においては、非常に広範囲の水溶性
塩を使用することが可能であることを評価できるであろう。このような水溶性の
塩で使用できるものの例としては、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、塩化カリ
ウム、臭化カリウム、塩化バリウム、及び炭酸カリウムがある。
[0010] A preferred form of copper sulfide used in the present invention is cupric sulfide. Preferred form of nickel sulfide is Ni 3 S 2. The salt used in the method of the present invention is soluble in the solvent used in step (ii) of the method. Thus, if the salt is water-soluble, the solvent in step (ii) can be water or a dilute acid or dilute alkaline solution. It will be appreciated that a very wide range of water-soluble salts can be used in the method of the present invention. Examples of such water-soluble salts that can be used include sodium chloride, sodium bromide, potassium chloride, potassium bromide, barium chloride, and potassium carbonate.

【0011】 好ましい態様においては、本発明の方法は、全体で5つの工程を含んでいる。
最初の3工程は、本発明の方法の前に行う前処理工程である。第一の工程は、金
属硫化物と塩との緻密な混合物の生産を保証する混合工程である。当該混合工程
は、例えば二つの技術のうちの一方を使用して行うことができる。材料は、機械
的メノウ乳鉢及び乳棒を使用して1時間、共粉砕するか、あるいは当該材料は、
単純にそれらを一緒に、攪拌器上に配置された、スクリューキャップ付き容器中
でタンブル(tumbling)してもよい。第二の工程は、引き続く操作及びカプセル
化に最も適した粉末圧縮物(powder compact)を生産する圧縮工程である。圧縮
工程は、例えば、14乃至21Mpaで約1分間の圧力で、適切な直径を有するダイを
使用した減圧ダイ-圧縮により行うことができる。第三の工程は、圧縮されたペ
レットを、個々の軟鋼製の缶内にカプセル化することである。それぞれの缶の上
部は、溶接されていて、そして当該缶は脱気されていて密封され、減圧を維持し
ている。脱気方法により、さもなくば高密度化を妨げる、粉末粒子間にトラップ
されたガスが除去される。好ましくは、窒化ホウ素の潤滑剤を圧縮化ペレットと
鋼製の缶との間に使用して、当該二つの材料の間の反応量を制限することができ
る。第四の工程は、熱間静水圧圧縮工程である。静水圧圧縮は、当該技術分野、
特にセラミック分野で周知の技術であるが、これは、フレキシブルな膜を使用し
て、圧縮液からの水圧を、形成される混合物へ適用することによって、高圧を均
一に適用し、これによって当該ボディーに渡って高密度化することを保証する技
術である。一般には、最大圧縮は、この技術を使用して達成することができる。
静水圧圧縮法を高温で実施することにより、形成される混合物中の粒子は、嵩の
有る物質へと凝集化する。熱間静水圧圧縮処理工程における条件は、圧力及び温
度が、高密度化を引き起こすのに十分高く、一方、金属硫化物の分解、及び金属
硫化物と、軟鋼製缶との間の過剰反応が回避されるように選択される。本発明の
方法を実施するに際し、熱間静水圧圧縮成形は好ましくは、300℃乃至600℃、よ
り好ましくは300℃乃至350℃の範囲の温度、100乃至300MPa、より好ましくは100
乃至200MPaの範囲の圧力、そして60乃至300分間、より好ましくは100乃至240分
間の期間で行われる。最終的工程は、高密度化物からの可溶性の塩を除去して、
多孔性の金属硫化物の構造を残すための浸出工程である。この工程は、ビーカ中
に高密度化物を配置し、そしてそれを溶媒中において溶出に十分な時間、浸漬す
ることを含む。浸出工程は、当該溶媒を加熱して、当該溶媒を撹拌することによ
り促進することができる。浸出する工程は数日間かかり、そして溶媒は、周期的
に新鮮な溶媒と、必要時に置換することができる。
In a preferred embodiment, the method of the present invention comprises a total of five steps.
The first three steps are pretreatment steps performed before the method of the present invention. The first step is a mixing step that guarantees the production of a dense mixture of metal sulfide and salt. The mixing step can be performed, for example, using one of two techniques. The material is co-ground for 1 hour using a mechanical agate mortar and pestle, or the material is
Simply they may be tumbled together in a screw-capped container placed on a stirrer. The second step is a compression step that produces a powder compact that is most suitable for subsequent operations and encapsulation. The compression step can be performed, for example, by vacuum die-compression using a die having a suitable diameter at a pressure of 14-21 Mpa for about 1 minute. The third step is to encapsulate the compressed pellets in individual mild steel cans. The top of each can is welded and the cans are evacuated and sealed to maintain a reduced pressure. The degassing method removes gases trapped between the powder particles that would otherwise prevent densification. Preferably, a boron nitride lubricant can be used between the compressed pellets and the steel can to limit the amount of reaction between the two materials. The fourth step is a hot isostatic pressing step. Hydrostatic compression is used in the art,
Particularly well-known in the ceramic art is the technique of applying a high pressure evenly by applying the water pressure from the compressed liquid to the mixture formed, using a flexible membrane. This is a technology that guarantees high density over a wide range. In general, maximum compression can be achieved using this technique.
By performing the isostatic pressing at elevated temperatures, the particles in the resulting mixture agglomerate into a bulky material. The conditions in the hot isostatic pressing process are such that the pressure and temperature are high enough to cause densification, while the decomposition of the metal sulfide and the excess reaction between the metal sulfide and the mild steel can are Selected to be avoided. In practicing the method of the present invention, hot isostatic pressing is preferably performed at a temperature in the range of 300 ° C to 600 ° C, more preferably 300 ° C to 350 ° C, 100 to 300 MPa, more preferably 100 ° C.
It is carried out at a pressure in the range of from to 200 MPa and for a period of from 60 to 300 minutes, more preferably from 100 to 240 minutes. The final step is to remove soluble salts from the densified,
This is a leaching step to leave a porous metal sulfide structure. This step involves placing the densified material in a beaker and immersing it in a solvent for a time sufficient for elution. The leaching step can be facilitated by heating the solvent and stirring the solvent. The leaching step takes several days, and the solvent can be periodically replaced with fresh solvent as needed.

【0012】 本発明はまたその範囲において、本発明の方法により産生され、メソ/マクロ
多孔性(即ち、メソ及び/又はマクロ細孔による多孔性)が35乃至55%、好ましく
は45乃至50%の、網状の硫化銅又は硫化ニッケルを含む。マクロ細孔は、直径が
50nmを越える細孔サイズを有するものであり、メソ細孔は、直径が2nm以下の細
孔サイズを有するものである。本発明の方法により生産された網状の硫化銅又は
硫化ニッケルの多孔性を測定するのに使用される水銀空隙率測定法(porosimetr
y)では、メソ及びマクロ細孔による空隙率が検出されるだけである。
The present invention also includes within its scope the meso / macroporosity (ie, porosity due to meso and / or macropores) produced by the method of the present invention is 35-55%, preferably 45-50%. Containing reticulated copper sulfide or nickel sulfide. Macropores have a diameter
The pores have a pore size exceeding 50 nm, and the mesopores have a pore size of 2 nm or less in diameter. A mercury porosity measurement method (porosimetr) used to measure the porosity of reticulated copper or nickel sulfide produced by the method of the present invention.
In y), only porosity due to meso and macropores is detected.

【0013】 当該技術分野の熟練した技術者ならば、本発明により生産される材料の全空隙
率へのかなりの寄与は、構造内のミクロな細孔からも生じることは明らかである
。したがって本発明はまた、その範囲内に、本発明の方法によ生産され、全空隙
率(即ち、ミクロ、及び、メソ、及び/又はマクロ細孔による空隙率)が35乃至
80%、好ましくは45乃至50%である、網状の硫化銅又は硫化ニッケルを含む。
[0013] It is clear to a skilled person in the art that a significant contribution to the total porosity of the material produced according to the invention also results from micropores in the structure. Thus, the present invention also includes within its scope, produced by the method of the present invention, a total porosity (ie, porosity due to micro and meso and / or macro pores) of 35 to 35.
80%, preferably 45-50%, of reticulated copper or nickel sulfide.

【0014】 本発明の方法で産生される、網状の、硫化銅又は硫化ニッケルは、数多くの理
由により、特に電気触媒材料として使用される。まず、細孔サイズは、可溶性塩
の粒子のサイズを変更することにより、水性システム中における使用のために仕
立てることができる。このような細孔サイズの最適化により、構造内における良
好な質量輸送、そして結果として改善された電気触媒性能を有する材料が提供さ
れる。次に、当該材料の機械的安定性は、非常に良好であり、これは高い流速を
有するフロースルー電池において使用される場合に有益であるが、それは分解が
問題とならないからである。
The reticulated copper or nickel sulfide produced by the process of the invention is used for a number of reasons, in particular as an electrocatalytic material. First, the pore size can be tailored for use in aqueous systems by varying the size of the soluble salt particles. Such pore size optimization provides a material with good mass transport within the structure, and consequently improved electrocatalytic performance. Secondly, the mechanical stability of the material is very good, which is beneficial when used in flow-through batteries with high flow rates, since decomposition is not a problem.

【0015】 したがって本発明はその範囲において、電極コア、及び当該電極コアと接触し
、本発明の方法により産生された網状の硫化銅又は硫化ニッケルからなる電気触
媒材料を含む構造を有する電極が含まれる。
Accordingly, the present invention includes within its scope an electrode having an electrode core and a structure in contact with the electrode core and comprising a reticulated copper sulfide or nickel sulfide electrocatalyst material produced by the method of the present invention. It is.

【0016】 当該電極コアは、電導性のカーボンポリマー複合体、例えば合成グラファイト
粉末及びカーボンブラックで混ぜ合わせた高密度ポリエチレンとすることができ
る。
The electrode core may be a conductive carbon polymer composite, for example, high density polyethylene mixed with synthetic graphite powder and carbon black.

【0017】 電気触媒材料は好ましくは、当該電極の表面を形成し、そして電極コアに直接
的に取り付けられた電気触媒材料の、単一のシート、又はシートのモザイクを形
成することができる。好ましくは、当該シートは1乃至7mm、より好ましくは2乃
至4mmの厚さを有する。厚さが1mm未満である場合、当該シートの機械的安定性は
、低すぎるものとなる。厚さが7mmより大きい場合、得られる電池は、当該電気
触媒材料の幅にわたって、大きな電位低下を有することとなる。
The electrocatalyst material preferably forms the surface of the electrode and can form a single sheet or a mosaic of sheets of electrocatalyst material attached directly to the electrode core. Preferably, the sheet has a thickness of 1 to 7 mm, more preferably 2 to 4 mm. If the thickness is less than 1 mm, the mechanical stability of the sheet will be too low. If the thickness is greater than 7 mm, the resulting battery will have a large potential drop across the width of the electrocatalytic material.

【0018】 本発明はまたその範囲において、単一の電池、又は電池の配列を含む電気化学
的装置を含むが、それぞれの電池は、正極及び電解質を含む陽性チャンバー、並
びに負極及び電解質を含む陰性チャンバーを有し、当該陽性及び陰性チャンバー
は、互いに陽イオン交換膜により分離され、そして当該負極は、上に定義した電
極である。
The present invention also includes within its scope an electrochemical device comprising a single battery, or an array of batteries, wherein each battery has a positive chamber containing a positive electrode and an electrolyte and a negative chamber containing a negative electrode and an electrolyte. Having a chamber, the positive and negative chambers are separated from each other by a cation exchange membrane, and the negative electrode is an electrode as defined above.

【0019】 当該電気化学的装置は好ましくは、エネルギー貯蔵及び/又は送電用の装置で
ある。当該電気化学的装置の陰性チャンバー中の電解質は好ましくは、硫化物を
含み、一方、当該電気化学的装置の陽性チャンバー中の電解質は好ましくは、臭
素、鉄、空気、又は酸素を含む。
The electrochemical device is preferably a device for energy storage and / or power transmission. The electrolyte in the negative chamber of the electrochemical device preferably contains sulfide, while the electrolyte in the positive chamber of the electrochemical device preferably contains bromine, iron, air, or oxygen.

【0020】 これらの3つのシステムにおいて関与する化学反応は、以下の通りである。The chemical reactions involved in these three systems are as follows:

【0021】 (1)Br2+S2- = 2Br-+S 上記の反応は、実際に別個に生じるが、依存性の臭素反応及びイオウ反応であり
、臭素反応は、当該膜の陽性側の部分で生じ、そしてイオウ反応は、当該膜の陰
性側で生じる。
(1) Br 2 + S 2− = 2Br + S Although the above reactions actually occur separately, they are dependent bromine reactions and sulfur reactions, and the bromine reaction is based on the positive side of the membrane. Partial and sulfur reactions occur on the negative side of the membrane.

【0022】 (2)2Fe3++S2-=2F2++S 再び、この反応は実際に別々に生じるが、依存性の鉄反応及びイオウ反応であり
、鉄反応は、当該膜の陽性側の部分で生じ、硫黄反応は、当該膜の陰性側で生じ
る。
(2) 2Fe 3+ + S 2- = 2F 2+ + S Again, this reaction actually occurs separately, but is a dependent iron and sulfur reaction, and the iron reaction is positive for the membrane. The sulfur reaction occurs on the negative side of the membrane.

【0023】 (3)4H2O+4S2-+2O2=8OH-+4S この反応もまた、実際に別個に生じるが、依存性の、酸素反応及び硫黄反応であ
り、酸素反応は当該膜の陽極側で生じ、そしてイオウ反応は当該膜の陰性側で生
じる。
(3) 4H 2 O + 4S 2− + 2O 2 = 8OH + 4S This reaction, also actually occurring separately, is a dependent oxygen and sulfur reaction, and the oxygen reaction is And the sulfur reaction occurs on the negative side of the membrane.

【0024】 上記の電池配列において使用される電極は好ましくは、二極式の電極であり、
その陰極表面は、上記の電極である。
The electrodes used in the above battery arrangement are preferably bipolar electrodes,
The cathode surface is the electrode described above.

【0025】 本発明はまたその範囲において、硫黄含有種の電気化学的な還元又は酸化を含
む方法において定義される電極の使用を含む。具体的には、当該方法が、硫化物
/ポリ硫化物の酸化還元反応を含む、電気化学的エネルギーの貯蔵である使用で
ある。
The present invention also includes within its scope the use of an electrode as defined in a method involving the electrochemical reduction or oxidation of a sulfur-containing species. Specifically, when the method is a sulfide
Uses that are storage of electrochemical energy, including redox reactions of polysulfides.

【0026】 本発明を、以下の実施例を参照することにより更に詳細に説明する。The present invention will be described in further detail with reference to the following examples.

【0027】[0027]

【実施例】【Example】

(実施例1) 網状のCuSのペレットを、以下の手順により調製した。20gの硫化銅(II)の粉末
(Aldrich Chemical Co.,社製、99%+、100メッシュ)を、30gの塩化ナトリウム(Al
drich Chemical Co社製、99%+、500μm)と混合した。混合重量比は、40:60とし
た。混合物は50gのバッチを3000psiで、室温で1分間圧縮して、直径が4cm及び
厚さが1.2cmのペレットにした。ペレットを、窒化ホウ素(BN)が並んだ軟鋼製の
缶内に配置して、鉄が混合物へ拡散するのを停止した。この缶を脱気・密封し、
そして当該混合物は、以下の条件下で熱間静水圧圧縮成形して、焼結させた: 温度:300℃ 圧力:200Mpa 時間:4時間。
(Example 1) Reticulated CuS pellets were prepared by the following procedure. 20 g of copper (II) sulfide powder
(Aldrich Chemical Co., 99% +, 100 mesh) with 30 g of sodium chloride (Al
drich Chemical Co., 99% +, 500 μm). The mixing weight ratio was 40:60. The mixture was compressed from a 50 g batch at 3000 psi for 1 minute at room temperature into pellets 4 cm in diameter and 1.2 cm in thickness. The pellets were placed in a mild steel can lined with boron nitride (BN) to stop the iron from diffusing into the mixture. Degas and seal this can,
The mixture was then hot isostatically pressed and sintered under the following conditions: Temperature: 300 ° C. Pressure: 200 Mpa Time: 4 hours.

【0028】 熱間静水圧圧縮成形後、ペレットを当該缶より除去し、そして当該ペレットを
水中で50℃で数日間、撹拌しながら浸漬することにより、当該構造から塩化ナ
トリウム塩を溶出した。処置済みのペレットは、肉眼に可視であり、電子顕微鏡
で更に確認される網状の構造を有していた。浸出前のX線回折分析(図l上)のみ
が、硫化銅及び塩化ナトリウムによるピークを明らかにした。浸出後のX線回折
分析(図l下)のみが、硫化銅によるピークをを明らかにした。
After hot isostatic pressing, the pellets were removed from the can and the sodium chloride salts were eluted from the structure by immersing the pellets in water at 50 ° C. with stirring for several days. The treated pellet was visible to the naked eye and had a reticulated structure further confirmed by electron microscopy. Only X-ray diffraction analysis before leach (FIG. 1, top) revealed peaks due to copper sulfide and sodium chloride. Only the X-ray diffraction analysis after leaching (bottom Figure 1) revealed a peak due to copper sulfide.

【0029】 (実施例2) 25gの硫化第二銅(II)、及び25gの塩化ナトリウムを使用して、実施例1の手
順を反復したが、即ち、50:50の混合重量比とした。
Example 2 The procedure of Example 1 was repeated using 25 g of cupric (II) sulfide and 25 g of sodium chloride, ie, with a 50:50 mixture weight ratio.

【0030】 (実施例3) 30gの硫化第二銅(II)、及び20gの塩化ナトリウムを使用して、実施例1の手順
を反復したが、即ち、60:40の混合重量比とした。浸出前のX線回折分析浸出(図
2上)のみが、硫化銅塩化ナトリウムのピークを明らかにした。浸出後のX線回折
分析(図2下)のみが、硫化銅のピークを明らかにした。
Example 3 The procedure of Example 1 was repeated using 30 g of cupric (II) sulfide and 20 g of sodium chloride, ie, with a mixing weight ratio of 60:40. X-ray diffraction analysis before leaching
Only 2) revealed the peak of copper sulfide sodium chloride. Only X-ray diffraction analysis after leaching (FIG. 2, bottom) revealed a peak for copper sulfide.

【0031】 (実施例4及び5) 定義されたサイズのNaCl粒子を使用し、以下の操作条件を使用して、実施例1
を反復した。
Examples 4 and 5 Example 1 using NaCl particles of defined size and using the following operating conditions:
Was repeated.

【0032】[0032]

【表1】 [Table 1]

【0033】 これらの実施例中において産生される網状の硫化銅構造を、水銀空隙率測定法
で分析して、以下の結果を得た。水銀空隙率測定法では、メソ細孔(即ち、2乃至
50nmの直径のもの)、及びマクロ細孔(即ち、50nmよりも大きい直径のもの)、そ
して非ミクロ細孔(即ち、2nm未満の直径のもの)による細孔しか検出されないこ
とに注意すべきである。
The reticulated copper sulfide structure produced in these examples was analyzed by mercury porosity measurement and the following results were obtained. In the mercury porosity measurement method, mesopores (that is, 2 to
Note that only pores with macropores (i.e., diameters greater than 50 nm) and non-micropores (i.e., diameters less than 2 nm) are detected. is there.

【0034】[0034]

【表2】 [Table 2]

【0035】 (実施例6、7、及び8) 多様なサイズのNaCl粒子を使用し、そして以下の操作条件を使用して、実施例
1の方法を反復した。
Examples 6, 7, and 8 The method of Example 1 was repeated using NaCl particles of various sizes and using the following operating conditions.

【0036】[0036]

【表3】 [Table 3]

【0037】 実施例6、及び7(実施例8は浸出後に分解した)を、水銀空隙率試験法で分
析して、以下の結果を得た。
Examples 6 and 7 (Example 8 decomposed after leaching) were analyzed by the mercury porosity test method, and the following results were obtained.

【0038】[0038]

【表4】 [Table 4]

【0039】 (実施例9) 70%CuS及び30%NaClを含む3kgの混合物は、2.1kgのCuS及び0.9kgのNaClを秤量
し、そしてこの混合物をプラスティック容器内でタンブルして調製した。この混
合物を3つの部分に分け、そしてそれぞれを3000psi、室温で圧縮して、25x25x2
30mmの大きさの棒にした。この棒を隣り合わせて配置し、軟鋼中にカプセル化し
てから、400℃、140Mpa、240分間の、ASEA 1ユニット内での熱間静水圧圧縮成型
法にかけた。帯鋸を使用して鋼製の缶を、熱間静水圧圧縮されたスラブより取り
除いた。このスラブを大型の、循環温水のビーカーに配置し、塩を浸出させ、当
該水を必要に応じて淡水と交換した。浸出が完了したら、当該スラブを100℃の
オーブン中で乾燥させた。
Example 9 A 3 kg mixture containing 70% CuS and 30% NaCl was prepared by weighing 2.1 kg CuS and 0.9 kg NaCl and tumbling the mixture in a plastic container. The mixture was divided into three portions and each was compressed at 3000 psi at room temperature to 25x25x2
The rod was 30 mm in size. The rods were placed side by side, encapsulated in mild steel, and then subjected to hot isostatic pressing at 400 ° C., 140 MPa, 240 minutes in one ASEA unit. The steel can was removed from the hot isostatically pressed slab using a band saw. The slab was placed in a large, beaker of circulating hot water to leach the salt, and the water was replaced with fresh water as needed. Upon completion of the leaching, the slab was dried in an oven at 100 ° C.

【0040】 (実施例10) 実施例9で製造したスラブをたくさんのブロックにわけて、それぞれのブロッ
クが、おおよそ2乃至3mmの厚さ、約25mmの幅、そしておおよそ30mmの長さとな
るようにした。これらのブロックを、コロイド状炭素電導性ノリを使用して、真
鍮で裏打ちしたポリビニリデン:グラファイト(50:50)電極にモザイク様に貼り付
けた。この電極を単極の電池にその負極として導入した。正極は、真鍮で裏打ち
されたポリビニリデン:グラファイト(50:50)電極であって、網状の硫化銅のモザ
イク構造を有しないものである。この電極は、陽イオン交換膜で分離されている
。この電池の陰性コンパートメントの電解質は、1MのNa2S4であり、そしてこの
電池の陽性コンパートメント中の電解質は、1Mの臭素(5M NaBar中)である。
40mA/cm2の電流密度で操作する場合、過電圧は、電池充電時には100mVであり、
そして電池放電時には30mVであることが判明した。網状の硫化銅のモザイク構造
を有しない負極を使用した同様の電池を、40mA/cm2の電流密度で使用すると、イ
オウ還元の過電圧は、電池の充電時には400-600mVであり、電池の放電時には300
mVであることが判明した。網状の硫化銅で被覆された電極を含む電池について観
察された過電圧の減少は、当該電極の分解をいっさい起こすことなく数百サイク
ル維持された。
Example 10 Divide the slab produced in Example 9 into a number of blocks such that each block is approximately 2-3 mm thick, approximately 25 mm wide, and approximately 30 mm long. did. The blocks were mosaic-attached to a brass-backed polyvinylidene: graphite (50:50) electrode using colloidal carbon conductive glue. This electrode was introduced as a negative electrode into a monopolar battery. The positive electrode is a polyvinylidene: graphite (50:50) electrode lined with brass and does not have a reticulated copper sulfide mosaic structure. The electrodes are separated by a cation exchange membrane. The electrolyte in the negative compartment of the battery is 1M Na 2 S 4 and the electrolyte in the positive compartment of the battery is 1M bromine (in 5M NaBar).
When operating at a current density of 40 mA / cm 2, the overvoltage is 100mV during battery charging,
At the time of battery discharge, it was found that the voltage was 30 mV. Similar battery using a negative electrode having no mosaic structure of copper sulfide of net, using a current density of 40 mA / cm 2, the overvoltage of sulfur reduction, during charging of the battery is 400-600MV, at the time of discharge of the battery 300
mV. The reduction in overpotential observed for cells containing reticulated copper sulfide coated electrodes was maintained for hundreds of cycles without any degradation of the electrodes.

【0041】 (実施例11) 硫化銅の代わりに硫化ニッケル(INCOより、主にNi3S2で供給)を使用し、そし
て以下の条件を使用して、実施例1の手順を反復した。
Example 11 The procedure of Example 1 was repeated using nickel sulfide instead of copper sulfide (supplied primarily by INCO with Ni 3 S 2 ) and using the following conditions:

【0042】[0042]

【表5】 [Table 5]

【0043】 機械的に安定な網状の硫化ニッケルの成形体が得られた。浸出前のX線回折分
析(図3上)のみが、硫化ニッケル及び塩化ナトリウムによるピークを明らかにし
た。浸出後のX線回折分析(図3下)のみが、硫化ニッケルによるピークを明らか
にした。
A mechanically stable reticulated nickel sulfide compact was obtained. Only X-ray diffraction analysis before leaching (FIG. 3, top) revealed peaks due to nickel sulfide and sodium chloride. Only X-ray diffraction analysis after leaching (FIG. 3, bottom) revealed a peak due to nickel sulfide.

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedural Amendment] Submission of translation of Article 34 Amendment of the Patent Cooperation Treaty

【提出日】平成12年9月29日(2000.9.29)[Submission date] September 29, 2000 (2000.9.29)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CR, CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI,G B,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL ,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ, LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,M G,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT ,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL, TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,V N,YU,ZA,ZW (72)発明者 グラハム・エドワード・クーリー イギリス・SN7・7PE・オックスフォ ードシャー・ニア・ファーリンドン・ファ ーナム・チャペル・レーン(番地なし)・ フォージ・ハウス (72)発明者 スチュアート・アーネスト・メイル イギリス・RH19・3QG・ウェスト・サ セックス・イースト・グリンステッド・フ ァーム・クロース・68 (72)発明者 ジョナサン・デイヴィッド・コックス イギリス・OX14・3UW・オックスフォ ードシャー・アビンドン・カーティス・ア ヴェニュ・74 Fターム(参考) 4G030 AA55 AA67 BA03 BA34 CA09 GA11 GA29 GA32 4G048 AA07 AB01 AB05 AC08 AD04 AE05 5H029 AJ14 AK05 AM01 CJ02 CJ03 EJ03 HJ00 HJ01 HJ04 HJ05 HJ09 HJ14 5H050 AA19 BA15 CA11 DA09 EA11 GA02 GA03 HA01 HA04 HA09 HA10 HA20 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR , BY, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL , IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Graham Edward Cooley UK SN7 / 7PE Oxfordshire near Farringdon Farnham Chapel Lane (no address) Forge House (72) Inventor Stuart Ernest Mail UK RH19.3QG West Sa Sex East Grinstead Farm Close 68 (72) Inventor Jonathan David Cox UK OX14.3UW Oxfu Deutscher Abingdon Curtis Avenue 74 F-term (Reference) 4G030 AA55 AA67 BA03 BA34 CA09 GA11 GA29 GA32 4G048 AA07 AB01 AB05 AC08 AD04 AE05 5H029 AJ14 AK05 AM01 CJ02 CJ03 EJ03 HJ00 HJ01 HJ04 HJ05 HJ04 HJ15 H05 GA02 GA03 HA01 HA04 HA09 HA10 HA20

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 網状の、硫化銅及び/又は硫化ニッケルを調製するための方
法であって、以下の工程: i)硫化銅及び/又は硫化ニッケルの粉末及び塩を含む混合物を、高温及び高圧
の熱間静水圧圧縮成形による焼結にかける工程であって、当該塩は、当該熱間静
水圧圧縮成形条件下で物理的に及び化学的に安定であり;そして ii)当該焼結体を、当該塩が可溶性である溶媒で処理することにより、当該焼
結体から当該塩を溶出させる工程 を含むことを特徴とする方法。
1. A process for preparing reticulated copper sulfide and / or nickel sulfide, comprising the steps of: i) mixing a mixture comprising copper sulfide and / or nickel sulfide powder and a salt at elevated temperature and pressure. Subjecting to sintering by hot isostatic pressing, wherein the salt is physically and chemically stable under the conditions of hot isostatic pressing; and ii) And eluting the salt from the sintered body by treating with a solvent in which the salt is soluble.
【請求項2】 前記の混合物が、30乃至70重量部の前記硫化銅及び/又は硫
化ニッケル、並びに70乃至30重量部の前記塩を含む請求項1に記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the mixture comprises 30 to 70 parts by weight of the copper sulfide and / or nickel sulfide and 70 to 30 parts by weight of the salt.
【請求項3】 前記の硫化銅及び/又は硫化ニッケルの粉末が、40乃至200
マイクロメートルの範囲の平均粒径を有する、請求項1又は請求項2に記載の方法
3. The powder of copper sulfide and / or nickel sulfide is 40 to 200
3. A method according to claim 1 or claim 2 having an average particle size in the range of micrometers.
【請求項4】 前記の塩が、30乃至500マイクロメートルの範囲の平均粒径
を有する、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の方法。
4. The method according to claim 1, wherein said salt has an average particle size in the range of 30 to 500 micrometers.
【請求項5】 前記の硫化銅が硫化銅(II)である、請求項1乃至4のいずれ
か一項に記載の方法。
5. The method according to claim 1, wherein said copper sulfide is copper (II) sulfide.
【請求項6】 前記の硫化ニッケルがNi3S2である、請求項1乃至5のいずれ
か一項に記載の方法。
6. The method according to claim 1, wherein the nickel sulfide is Ni 3 S 2 .
【請求項7】 前記の塩が水溶性であることを特徴とする請求項1乃至6の
いずれか一項に記載の方法。
7. The method according to claim 1, wherein the salt is water-soluble.
【請求項8】 前記の水溶性の塩が、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、塩
化カリウム、臭化カリウム、塩化バリウム、及びそして炭酸カリウムより選択さ
れる、請求項7に記載の方法。
8. The method of claim 7, wherein said water-soluble salt is selected from sodium chloride, sodium bromide, potassium chloride, potassium bromide, barium chloride, and potassium carbonate.
【請求項9】 前記の熱間静水圧圧縮成形が、300℃乃至600℃の範囲の温度
、100乃至300MPaの範囲の圧力で、60乃至300分間で実施される、請求項1乃至8
のいずれか一項に記載の方法。
9. The method according to claim 1, wherein the hot isostatic pressing is performed at a temperature in the range of 300 ° C. to 600 ° C. and a pressure in the range of 100 to 300 MPa for 60 to 300 minutes.
The method according to any one of the preceding claims.
【請求項10】 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の方法により作製さ
れる、網状の、硫化銅及び/又は硫化ニッケル。
10. A reticulated copper sulfide and / or nickel sulfide produced by the method according to claim 1. Description:
【請求項11】 35乃至80%の範囲の全空隙率を有する、請求項10に記載
の、網状の、硫化銅及び/又は硫化ニッケル。
11. Reticulated copper sulfide and / or nickel sulfide according to claim 10, having a total porosity in the range from 35 to 80%.
【請求項12】 35乃至55%の範囲のメソ/マクロ空隙率を有する、請求項1
0又は11に記載の、網状の、硫化銅及び/又は硫化ニッケル。
12. The composition of claim 1, having a meso / macro porosity in the range of 35 to 55%.
12. A reticulated copper sulfide and / or nickel sulfide according to 0 or 11.
【請求項13】 請求項10乃至12のいずれか一項に記載の網状の、硫化
銅及び/又は硫化ニッケルを含む、電気触媒材料。
13. An electrocatalyst material comprising the reticulated copper sulfide and / or nickel sulfide according to any one of claims 10 to 12.
【請求項14】 電極コア、及びこれと電気的に接触した、請求項13に記
載の電気触媒材料を含む電極。
14. An electrode comprising the electrode core and the electrocatalyst material of claim 13 in electrical contact therewith.
【請求項15】 前記の電気触媒材料が、当該電極の表面を形成する、請求
項14に記載の電極。
15. The electrode according to claim 14, wherein said electrocatalytic material forms a surface of said electrode.
【請求項16】 前記の電気触媒材料が、前記電極コアに直接的に付着した
一以上のシートの形態にある、請求項15に記載の電極。
16. The electrode according to claim 15, wherein said electrocatalytic material is in the form of one or more sheets directly attached to said electrode core.
【請求項17】 前記のシートが、1乃至7mmの厚さを有する、請求項16に
記載の電極。
17. The electrode according to claim 16, wherein said sheet has a thickness of 1 to 7 mm.
【請求項18】 単一の電池又は電池配列を含む電気化学的装置であって、
それぞれの電池は、正極及び電解質を含む陽性チャンバー、並びに負極及び電解
質を含む陰性チャンバーを有し、当該陽性及び陰性チャンバーは互いに、陽イオ
ン交換膜により分離されてていて、そして当該負極は、請求項14乃至17のい
ずれか一項に記載の電極である、装置。
18. An electrochemical device comprising a single battery or a battery array, comprising:
Each battery has a positive chamber containing a positive electrode and an electrolyte, and a negative chamber containing a negative electrode and an electrolyte, wherein the positive and negative chambers are separated from each other by a cation exchange membrane, and the negative electrode comprises Item 18. The device according to any one of items 14 to 17, wherein the electrode is an electrode.
【請求項19】 エネルギー貯蔵及び/又は送電用の装置である、請求項1
8に記載の電気化学的装置。
19. The device according to claim 1, which is a device for energy storage and / or power transmission.
9. The electrochemical device according to 8.
【請求項20】 硫黄の電気化学的な酸化又は還元を含む方法における、請
求項14乃至17のいずれか一項に記載の電極の使用。
20. Use of an electrode according to any one of claims 14 to 17 in a method comprising the electrochemical oxidation or reduction of sulfur.
【請求項21】 前記の方法が、硫化物/ポリスルフィド酸化還元反応を含
む電気化学的なエネルギー貯蔵方法である、請求項20に記載の使用。
21. The use according to claim 20, wherein said method is an electrochemical energy storage method comprising a sulfide / polysulfide redox reaction.
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