JP2004315347A - Ruthenic acid nano-sheet and method for manufacturing the same - Google Patents

Ruthenic acid nano-sheet and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a layered ruthenic acid compound whose active area is expanded. <P>SOLUTION: The ruthenate nano-sheet is manufactured by obtaining a colloid containing a ruthenic acid nano-sheet having a thickness of not more than 1 nm from a layered ruthenic acid compound, via a proton type layered ruthenic acid hydrate and an alkyl ammonium-layered ruthenic acid intercalation compound. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、新規な構造を有するルテニウム酸化合物、その製造方法、および前記ルテニウム酸化合物を用いた電気化学素子用電極に関する。   The present invention relates to a ruthenate compound having a novel structure, a method for producing the same, and an electrode for an electrochemical device using the ruthenate compound.

従来、蓄電機能を有する電気化学素子の代表的なものとしては、電気二重層キャパシタ、疑似二重層キャパシタ、二次電池および電気量記憶素子などがあり、これらはそれぞれの特徴を生かした応用機器で実用化されている。電気二重層キャパシタは、二次電池に比べて高出力密度を有し寿命が長いことから、高信頼性が要求されるバックアップ電源などに使用されている。一方、二次電池は、電気二重層キャパシタに比べて高エネルギー密度を有し、最も代表的な歴史的な蓄電デバイスである。
しかし、二次電池は、その寿命が電気二重層キャパシタに比べて短く、一定期間使用後は交換する必要がある。また、電気量記憶素子は、繰り返し使用可能なタイマーとして実用化されているが、10〜15年のような長時間タイマーの開発が課題であった。
Conventionally, typical electrochemical elements having a storage function include electric double-layer capacitors, pseudo-double-layer capacitors, secondary batteries, and electric quantity storage elements, which are applied devices that make use of their respective characteristics. Has been put to practical use. An electric double layer capacitor has a higher output density and a longer life than a secondary battery, and is therefore used for a backup power supply or the like that requires high reliability. On the other hand, a secondary battery has a higher energy density than an electric double layer capacitor and is the most typical historical power storage device.
However, a secondary battery has a shorter service life than an electric double layer capacitor and needs to be replaced after a certain period of use. In addition, although the electric quantity storage element has been put to practical use as a timer that can be used repeatedly, the development of a long-time timer for 10 to 15 years has been a problem.

これら蓄電デバイスの主な特徴の相違は、その電気エネルギーの蓄電メカニズムによるものである。疑似二重層キャパシタは、RuO2、IrO2およびCo34などの金属酸化物の表面と電解液との界面で、電気化学吸着現象により発現する容量をもっている。この容量は擬似容量と呼ばれ、活性炭電極表面と電解液との界面で生じる電気二重層容量と区別される。
電気二重層キャパシタでは、電極と電解液との界面で電気化学反応は起こらず、充放電時には、電解液中に含有するイオンが移動するだけである。このため二次電池と比較して劣化が起こり難く、イオンの移動速度が速いため、長寿命であり、高出力密度である。
The main characteristic difference between these power storage devices is due to the power storage mechanism of the electric energy. The quasi-double-layer capacitor has a capacity that is developed by an electrochemical adsorption phenomenon at an interface between a surface of a metal oxide such as RuO 2 , IrO 2 and Co 3 O 4 and an electrolyte. This capacitance is called a pseudo capacitance and is distinguished from an electric double layer capacitance generated at the interface between the activated carbon electrode surface and the electrolyte.
In an electric double layer capacitor, an electrochemical reaction does not occur at an interface between an electrode and an electrolytic solution, and only ions contained in the electrolytic solution move during charging and discharging. For this reason, deterioration is less likely to occur as compared with the secondary battery, and the ion movement speed is high, so that the battery has a long life and a high output density.

一方、二次電池は、電極と電解液との間の電気化学反応を利用するため、充放電により劣化する。化学反応速度は相対的に遅く、寿命が短く、出力密度は比較的小さい。しかし、電極材料自体が化学エネルギーの形でエネルギーを蓄えるため、電極と電解液との界面でしかエネルギーを蓄えることのできない電気二重層キャパシタに比べ、高エネルギー密度を有するという特徴を有する。
これら従来の蓄電デバイスに対し、電気二重層キャパシタの特徴である高出力密度および長寿命と、二次電池の特徴である高エネルギー密度とを併せ持つ疑似二重層キャパシタが提案されている。この疑似二重層キャパシタに用いられる電極材料として代表的なものは、ルテニウム、イリジウムおよびコバルトである。これらの材料はいずれも高価であり、その低コスト化および高性能化が課題である。
On the other hand, a secondary battery uses an electrochemical reaction between an electrode and an electrolytic solution, and thus deteriorates due to charge and discharge. The chemical reaction rate is relatively slow, the service life is short, and the power density is relatively small. However, since the electrode material itself stores energy in the form of chemical energy, it has a feature that it has a higher energy density than an electric double layer capacitor which can store energy only at the interface between the electrode and the electrolyte.
With respect to these conventional power storage devices, a quasi-double-layer capacitor has been proposed that has both high output density and long life, which are the characteristics of an electric double-layer capacitor, and high energy density, which is a characteristic of a secondary battery. Typical examples of the electrode material used in the pseudo double layer capacitor are ruthenium, iridium and cobalt. All of these materials are expensive, and there is an issue of reducing cost and improving performance.

かかる課題の解決策として、電極内にルチル型のルテニウム酸化物を分散して担持させたり、ルテニウム化合物とバナジウム化合物とを活性炭に吸着させた電極材料が提案されたり(特許文献1参照)、ルテニウム化合物とバナジウム化合物とを含む固溶体を電極に含有させる方法などがある。
また、これに関連して、非特許文献1には、疑似二重層スーパーキャパシタの材料として、層状ルテニウム酸化合物が提案されている。
特開平11−354389号公報 Y.Takasuら、Electrochim, Acta 2000, 45, 4135
As a solution to such a problem, there has been proposed an electrode material in which a rutile-type ruthenium oxide is dispersed and supported in an electrode, or an electrode material in which a ruthenium compound and a vanadium compound are adsorbed on activated carbon (see Patent Document 1). There is a method in which a solid solution containing a compound and a vanadium compound is contained in an electrode.
In this connection, Non-Patent Document 1 proposes a layered ruthenate compound as a material for a pseudo double layer supercapacitor.
JP-A-11-354389 Y. Takasu et al., Electrochim, Acta 2000, 45, 4135.

高価なルテニウム化合物を活性炭のようなホスト材料の表面に微粒子状に分散して担持させると、ルテニウム化合物の結晶がルチル型または無定型となる。したがって、初期性能は期待されるが、長期に充放電を繰り返すとホスト材料からルテニウム化合物が脱落する現象が生じる。
また、バナジウムのような化合物を混入させると、ホスト材料との結合強度が劣化し、長期間の充放電で、ルテニウム化合物の脱落が生じ、長期の寿命に課題を有する。
When an expensive ruthenium compound is dispersed and supported on the surface of a host material such as activated carbon in the form of fine particles, the ruthenium compound crystal becomes rutile or amorphous. Therefore, although the initial performance is expected, a phenomenon in which the ruthenium compound falls off from the host material occurs when charge and discharge are repeated for a long time.
Further, when a compound such as vanadium is mixed, the bond strength with the host material is deteriorated, and the ruthenium compound is dropped off by long-term charge / discharge, which has a problem in long-term life.

一般に、黒鉛のような層状化合物は、電極材料としてこれまで注目されてきた。しかし、層状化合物は、易黒鉛材料、TiS2、MoS2、CoO2およびV613などであり、ルテニウムの層状化合物の合成は困難であつた。
また、非特許文献1も層状ルテニウム酸化合物が開示されているが、ここでは主としてルテニウム酸化合物を金属チタン製の集電体に塗り付けることによって電極を作製する方法が用いられている。この方法で得られる電極は、充分な強度を有さず、電極としては不充分であった。
In general, layered compounds such as graphite have been attracting attention as electrode materials. However, the layered compound is an easily graphite material, TiS 2 , MoS 2 , CoO 2, V 6 O 13 and the like, and it has been difficult to synthesize a layered compound of ruthenium.
Non-Patent Document 1 also discloses a layered ruthenate compound, but here, a method of producing an electrode by applying a ruthenate compound to a current collector made of titanium metal is mainly used. The electrode obtained by this method did not have sufficient strength and was insufficient as an electrode.

そこで、本発明は、増大した活性面積を有し、さらに大幅に増大した電荷貯蓄能を有する新規な層状ルテニウム酸化合物を提供することを目的とする。
また、本発明は、層状ルテニウム酸化合物を用いた、高出力および大容量の電気化学キャパシタを与える電極、およびこれを用いた電気化学素子を提供することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel layered ruthenate compound having an increased active area and further having a significantly increased charge storage ability.
Another object of the present invention is to provide an electrode that provides a high-output and large-capacity electrochemical capacitor using a layered ruthenate compound, and an electrochemical device using the same.

本発明は、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートに関し、このルテニウム酸ナノシートは、好ましくは、
式(1):[RuO2+0.5xx- (1)
で表される。
The present invention relates to a ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less, wherein the ruthenate nanosheet is preferably
Formula (1): [RuO 2 + 0.5x ] x- (1)
Is represented by

また、本発明は、上記ルテニウム酸ナノシートが積層した構造を有する層状ルテニウム酸化合物にも関する。この層状ルテニウム酸化合物は、X線回折図形において(00L)の各面(ただし0≦θ(CuKα)≦90°の範囲においてL=1〜nであり、nは基本面間隔によって決まり5≦n≦35を満たす。)に回折ピークを有するのが好ましい。
さらに、本発明は、上記ルテニウム酸ナノシートおよび/または上記層状ルテニウム酸化合物と、溶媒とを含むコロイド状ルテニウム酸化合物にも関する。
The present invention also relates to a layered ruthenate compound having a structure in which the ruthenate nanosheets are stacked. This layered ruthenate compound has an X-ray diffraction pattern of (00L) on each plane (where L = 1 to n in the range of 0 ≦ θ (CuKα) ≦ 90 °, where n is determined by the basic plane distance and 5 ≦ n ≤ 35).
Furthermore, the present invention also relates to a colloidal ruthenate compound comprising the ruthenate nanosheet and / or the layered ruthenate compound and a solvent.

また、本発明は、上記層状ルテニウム酸化合物のアルカリ金属塩(アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物)、前記アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物のアルカリ金属の少なくとも一部がプロトンで置換されたプロトン型層状ルテニウム酸化合物、ならびにこれらの層間にH2O分子を含む水和物にも関する。
なかでも、プロトン型層状ルテニウム酸水和物は、
式(2):Mx-yy-zzRuO2+0.5x・nH2O (2)
[式中、Mは例えばLi、Na、K、RbまたはCsなどのアルカリ金属イオン、Bは(R)mNH4-mまたは(R)m-p(R’)pNH4-m(式中、RおよびR’はCH3(CH2)q、m=0〜4、p=0〜3、q=0〜18)で表されるアルキルアンモニウムであり、0<x<1、0≦y<x、0≦z<y、0≦n≦10]で表される。
The present invention also provides an alkali metal salt of the above-mentioned layered ruthenate compound (alkali metal-type layered ruthenate compound), and a proton-type layered ruthenium in which at least a part of the alkali metal of the alkali metal-type layered ruthenate compound is substituted with a proton. acid compounds, as well as hydrates, including of H 2 O molecules between the layers concerns.
Above all, proton-type layered ruthenic acid hydrate is
Equation (2): M xy H yz B z RuO 2 + 0.5x · nH 2 O (2)
Wherein M is an alkali metal ion such as Li, Na, K, Rb or Cs, and B is (R) m NH 4-m or (R) mp (R ′) p NH 4-m (wherein R and R ′ are alkylammoniums represented by CH 3 (CH 2 ) q , m = 0 to 4, p = 0 to 3, q = 0 to 18), and 0 <x <1, 0 ≦ y < x, 0 ≦ z <y, 0 ≦ n ≦ 10].

さらに、本発明は、
(a)酸化ルテニウムとアルカリ金属化合物とを混合し、得られた混合物を焼成または溶融することによって、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸を得る工程、
(b)前記アルカリ金属型層状ルテニウム酸を酸性溶液中で処理し、アルカリ金属の少なくとも一部をプロトンで交換してプロトン型層状ルテニウム酸水和物を得る工程、
(c)前記プロトン型層状ルテニウム酸水和物にアルキルアンモニウムまたはアルキルアミンを反応させてアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得る工程、ならびに
(d)前記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を溶媒と混合し、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートを含むコロイドを得る工程を含むルテニウム酸ナノシートの製造方法を提供する。
Further, the present invention provides
(A) mixing ruthenium oxide and an alkali metal compound, and calcining or melting the obtained mixture to obtain an alkali metal-type layered ruthenic acid containing a ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less;
(B) treating the alkali metal-type layered ruthenic acid in an acidic solution, and exchanging at least a part of the alkali metal with a proton to obtain a proton-type layered ruthenic acid hydrate;
(C) reacting the proton-type layered ruthenic acid hydrate with alkylammonium or alkylamine to obtain an alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound; and (d) using the alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound as a solvent. Provided is a method for producing a ruthenate nanosheet, comprising a step of mixing to obtain a colloid containing a ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less.

前記工程(a)においては、酸化ルテニウムとアルカリ金属塩とを混合し、得られた混合物を700〜900℃で焼成するのが好ましい。
また、前記工程(a)においては、酸化ルテニウムとアルカリ金属水酸化物とを混合し、得られた混合物を500〜700℃で溶融させてもよい。
In the step (a), it is preferable that ruthenium oxide and an alkali metal salt are mixed, and the obtained mixture is fired at 700 to 900 ° C.
In the step (a), ruthenium oxide and an alkali metal hydroxide may be mixed, and the resulting mixture may be melted at 500 to 700 ° C.

前記工程(c)においては、プロトン型層状ルテニウム酸水和物に(R)mNH4-mまたは(R)m-p(R’)pNH4-m(式中、RおよびR’はCH3(CH2)q、m=0〜4、p=0〜3、q=0〜18)で表されるアルキルアンモニウムを反応させるのが好ましい。
また、前記工程(c)においては、プロトン型層状ルテニウム酸水和物に(R)mNH3-mまたは(R)m-p(R’)pNH3-m(式中、RおよびR’はCH3(CH2)q、m=0〜3、p=0〜2、q=0〜18)で表されるアルキルアミンを反応させてもよい。
In the step (c), (R) m NH 4-m or (R) mp (R ′) p NH 4-m (where R and R ′ are CH 3 (CH 2) q, m = 0~4, p = 0~3, preferably reacted alkylammonium represented by q = 0 to 18).
In the step (c), (R) m NH 3-m or (R) mp (R ′) p NH 3-m (where R and R ′ are CH 3 (CH 2) q, m = 0~3, p = 0~2, may be reacted with an alkyl amine represented by q = 0 to 18).

前記工程(d)においては、アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を、水、アルコール、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびプロピレンカーボネートよりなる群から選択される少なくとも1種の溶媒と混合してコロイドを得るのが好ましい。   In the step (d), the alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound is mixed with at least one solvent selected from the group consisting of water, alcohol, acetonitrile, dimethylsulfoxide, dimethylformamide and propylene carbonate to form a colloid. Is preferred.

本発明における1nm以下の厚みのルテニウム酸ナノシートを積層した構造を有する層状ルテニウム酸化合物は、従来の酸化ルテニウムに比べて大きい電荷貯蓄能を有し、電気化学素子の電極として有用である。この層状ルテニウム酸化合物においては、電気化学的に安定な電子伝導層であるルテニウム酸ナノシートが積層されており、この電子伝導層の層間に水または水和プロトンからなるプロトン伝導層が分子レベルで存在する。そのため、大幅に増大された電荷貯蓄能を発揮し、高出力・大容量スーパーキャパシタとして有用である。   The layered ruthenate compound having a structure in which ruthenate nanosheets having a thickness of 1 nm or less according to the present invention are laminated has a larger charge storage ability than conventional ruthenium oxide, and is useful as an electrode of an electrochemical element. In this layered ruthenate compound, a ruthenate nanosheet, which is an electrochemically stable electron conductive layer, is laminated, and a proton conductive layer composed of water or hydrated protons exists at a molecular level between the electron conductive layers. I do. Therefore, it exhibits a greatly increased charge storage ability and is useful as a high-output, large-capacity supercapacitor.

そして、上記層状ルテニウム酸化合物から得られる本発明に係る1nm以下の厚みのルテニウム酸ナノシートは、電荷貯蓄能が従来のルテニウム酸化物に比べて大きく、電気化学素子の電極材料として有用である。   Further, the ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less according to the present invention obtained from the above-mentioned layered ruthenate compound has a larger charge storage ability than a conventional ruthenium oxide, and is useful as an electrode material of an electrochemical element.

本発明者らは、ルテニウム化合物にカリウム塩を添加することにより、1nm以下の厚みを有する層が積み重なって形成された層状構造を有する化合物(層状ルテニウム酸化合物)を合成できることを見出し、さらに当該層状ルテニウム酸化合物の微粒子化(大面積化)に成功した。この微粒子化によって、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートが得られた。ここで、ルテニウム酸ナノシートとは、厚みがnmオーダーで、縦および横がそれぞれμmオーダーのシート状の結晶性ルテニウム酸化合物のことをいう。前記ルテニウム酸ナノシートは疑似二重層キャパシタに用いることができ、プロトン導電性を付与することなどにより、当該疑似二重層キャパシタの容量を従来の10倍程度に改善できることが判明した。   The present inventors have found that by adding a potassium salt to a ruthenium compound, it is possible to synthesize a compound having a layered structure formed by stacking layers having a thickness of 1 nm or less (layered ruthenate compound). We succeeded in making the ruthenate compound finer (larger area). This micronization resulted in a ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less. Here, the ruthenate nanosheet refers to a sheet-like crystalline ruthenate compound having a thickness on the order of nm and a length and width on the order of μm. It has been found that the ruthenate nanosheet can be used for a pseudo-double-layer capacitor, and the capacity of the pseudo-double-layer capacitor can be improved to about 10 times that of a conventional one by imparting proton conductivity.

本発明は、ルテニウム酸化合物の結晶構造において、ナノレベルで結晶の層と水の層とが別々の層として積層した状態にすることによって、層状ルテニウム酸化合物を合成し、当該層状ルテニウム酸化合物の固体バルク内部での容易なプロトン移動を可能にすることを検討した結果に基づく。上述のように、本発明における層状ルテニウム酸化合物は、電気化学的に安定なナノレベルのシート状酸化ルテニウム結晶からなる電子伝導層と、水または水和プロトンからなるプロトン伝導層とで構成される。このような電子伝導層とプロトン伝導層との分子レベルでの積層構造のために、大幅に増大した電荷貯蓄能を発揮することが可能になる。すなわち、前記層状ルテニウム酸化合物は、高出力・大容量スーパーキャパシタに有用な材料である。   The present invention, in the crystal structure of the ruthenate compound, by synthesizing a layered ruthenate compound by forming a state in which a crystal layer and a water layer are stacked as separate layers at the nano level, It is based on the result of studying enabling easy proton transfer inside the solid bulk. As described above, the layered ruthenate compound in the present invention is composed of an electron conductive layer composed of an electrochemically stable nano-level sheet-like ruthenium oxide crystal and a proton conductive layer composed of water or hydrated protons. . Due to such a laminated structure of the electron conductive layer and the proton conductive layer at the molecular level, it is possible to exhibit a significantly increased charge storage ability. That is, the layered ruthenate compound is a material useful for a high-output, large-capacity supercapacitor.

本発明における層状ルテニウム酸化合物は、X線回折図形において(00L)の各面(ただし0≦θ(CuKα)≦90°の範囲においてL=1〜nであり、nは基本面間隔によって決まり5≦n≦35を満たす。)に回折線を有し、特に(001)面および(002)面の回折強度が、その他の面の回折強度よりも強いことに特徴づけられる、また、この層状ルテニウム酸化合物においては、各ルテニウム酸化合物の層(ナノシート)の厚みが1nm以下である。また、この厚みは0.1nm以上であるのが好ましい。   In the X-ray diffraction pattern, the layered ruthenate compound according to the present invention has (00L) planes (where L = 1 to n in the range of 0 ≦ θ (CuKα) ≦ 90 °, and n is determined by the basic plane distance. ≤ n ≤ 35). In particular, the layered ruthenium is characterized in that the diffraction intensity of the (001) plane and the (002) plane is stronger than that of the other planes. In the acid compound, the thickness of each ruthenium acid compound layer (nanosheet) is 1 nm or less. Preferably, the thickness is 0.1 nm or more.

本発明に係るルテニウム酸ナノシートは、
(a)酸化ルテニウムとアルカリ金属化合物とを混合し、得られた混合物を加熱または溶融することによって、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を得る工程、
(b)前記アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を酸性溶液中で処理し、アルカリ金属の少なくとも一部をプロトンで交換してプロトン型層状ルテニウム酸水和物を得る工程、
(c)前記プロトン型層状ルテニウム酸水和物にアルキルアンモニウムまたはアルキルアミンを反応させてアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得る工程、ならびに
(d)前記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を溶媒と混合し、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートを含むコロイドを得る工程によって得ることができる。
Ruthenate nanosheet according to the present invention,
(A) mixing ruthenium oxide and an alkali metal compound, and heating or melting the resulting mixture to obtain an alkali metal-type layered ruthenate compound containing a ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less;
(B) a step of treating the alkali metal-type layered ruthenate compound in an acidic solution and exchanging at least a part of the alkali metal with protons to obtain a proton-type layered ruthenate hydrate;
(C) reacting the proton-type layered ruthenic acid hydrate with alkylammonium or alkylamine to obtain an alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound; and (d) using the alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound as a solvent. It can be obtained by mixing and obtaining a colloid containing ruthenate nanosheets having a thickness of 1 nm or less.

工程(a):
まず、酸化ルテニウムとアルカリ金属化合物とを混合し、得られた混合物を加熱または溶融することによって、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を得る。
ここで得られる層状ルテニウム酸化合物の具体例は、
式(3):MxRuO2+0.5x・nH2O (3)
(式中、Mは例えばLi、Na、K、RbまたはCsなどのアルカリ金属イオン、0<x<1、0≦n≦10)で表されるアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物である。
Step (a):
First, ruthenium oxide and an alkali metal compound are mixed, and the resulting mixture is heated or melted to obtain an alkali metal-type layered ruthenate compound containing a ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less.
Specific examples of the layered ruthenate compound obtained here are:
Formula (3): M x RuO 2 + 0.5x · nH 2 O (3)
(Where M is an alkali metal ion such as Li, Na, K, Rb or Cs, for example, 0 <x <1, 0 ≦ n ≦ 10) and is an alkali metal-type layered ruthenate compound.

このアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を合成する第1の方法は、アルカリ金属炭酸塩またはアルカリ金属硝酸塩と、酸化ルテニウムとを混合し、得られた混合物を好ましくは不活性雰囲気中において、700〜900℃の温度で加熱処理する方法(固相反応法)である。
第2の合成方法は、アルカリ金属水酸化物と酸化ルテニウムとを混合し、得られた混合物を500〜700℃で溶融処理する方法(溶融法)である。
A first method for synthesizing this alkali metal-type layered ruthenate compound is to mix an alkali metal carbonate or an alkali metal nitrate with ruthenium oxide, and to obtain the resulting mixture, preferably in an inert atmosphere at 700 to 900 This is a method of performing a heat treatment at a temperature of ° C. (solid-phase reaction method).
The second synthesis method is a method (melting method) in which an alkali metal hydroxide and ruthenium oxide are mixed, and the resulting mixture is melted at 500 to 700 ° C.

また、前記式(3)で表されるアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物は、第3の合成方法として、層状ルテニウム酸化合物とアルカリ金属硝酸塩とを混合し、得られた混合物を好ましくは不活性雰囲気中において、アルカリ金属硝酸塩の融点以上の温度で溶融処理する方法(溶融イオン交換法)によっても得ることができる。
さらに、第4の合成方法として、後述のプロトン型層状ルテニウム酸水和物をアルカリ金属の水酸化物または塩化物(例えば水酸化カリウムまたは塩化カリウム)の水溶液に分散し、攪拌することによっても得ることができる。
Further, the alkali metal-type layered ruthenate compound represented by the formula (3) is obtained by mixing the layered ruthenate compound and the alkali metal nitrate as a third synthesis method, and subjecting the resulting mixture to an inert atmosphere. Inside, it can also be obtained by a method of performing a melting treatment at a temperature higher than the melting point of the alkali metal nitrate (molten ion exchange method).
Furthermore, as a fourth synthesis method, a proton-type layered ruthenic acid hydrate described below is also obtained by dispersing in an aqueous solution of an alkali metal hydroxide or chloride (for example, potassium hydroxide or potassium chloride) and stirring. be able to.

工程(b):
つぎに、前記アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を酸性溶液中で処理し、アルカリ金属の少なくとも一部をプロトンで交換してプロトン型層状ルテニウム酸水和物を得る。
工程(b)によって得られるプロトン型層状ルテニウム酸水和物は、
式(4):Mx-yyRuO2+0.5x・nH2O (4)
(式中、Mは例えばLi、Na、K、RbまたはCsなどのアルカリ金属イオン、0<x<1、0≦y<x、0≦n≦10)で表される。
このプロトン型層状ルテニウム酸水和物は、アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を出発材料として用い、酸性水溶液中でプロトン交換反応させることにより合成することができる(プロトン交換法)。
Step (b):
Next, the alkali metal-type layered ruthenate compound is treated in an acidic solution, and at least a part of the alkali metal is exchanged with protons to obtain a proton-type layered ruthenate hydrate.
The proton-type layered ruthenic acid hydrate obtained by the step (b) is
Equation (4): M xy H y RuO 2 + 0.5x · nH 2 O (4)
(In the formula, M is represented by, for example, an alkali metal ion such as Li, Na, K, Rb or Cs, 0 <x <1, 0 ≦ y <x, 0 ≦ n ≦ 10).
This proton-type layered ruthenic acid hydrate can be synthesized by performing a proton exchange reaction in an acidic aqueous solution using an alkali metal-type layered ruthenate compound as a starting material (proton exchange method).

また、プロトン型層状ルテニウム酸水和物は、
式(5):Hx-yyRuO2+0.5x・nH2O (5)
(式中、Mは例えばMg、Ca、Sr、Baなどの2価金属イオンまたはY、Lnなどの3価金属イオン、0<x<1、0≦y<x、0≦n≦10)で表される層状ルテニウム酸塩であってもよい。
この層状ルテニウム酸塩は、上記式(4)で表されるプロトン型層状ルテニウム酸水和物を、式(5)中のM金属イオンを含む水溶液と反応させる方法(溶液イオン交換法)で合成することができる。
Further, the proton-type layered ruthenic acid hydrate,
Equation (5): H xy M y RuO 2 + 0.5x · nH 2 O (5)
(Wherein, M is a divalent metal ion such as Mg, Ca, Sr, Ba or a trivalent metal ion such as Y or Ln, 0 <x <1, 0 ≦ y <x, 0 ≦ n ≦ 10). The layered ruthenate represented may be.
This layered ruthenate is synthesized by a method of reacting a proton-type layered ruthenate hydrate represented by the above formula (4) with an aqueous solution containing M metal ions in the formula (5) (solution ion exchange method). can do.

工程(c):
工程(c)では、前記プロトン型層状ルテニウム酸水和物にアルキルアンモニウムまたはアルキルアミンを反応させてアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得る。
ここで得られるアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物は、層状ルテニウム酸化合物にアルキルアンモニウムがインターカレートした構造を有する化合物であり、
式(2):Mx-yy-zzRuO2+0.5x・nH2O (2)
[式中、Mは例えばLi、Na、K、RbまたはCsなどのアルカリ金属イオン、Bは(R)mNH4-mまたは(R)m-p(R’)pNH4-m(RおよびR’はCH3(CH2)q、m=0〜4、p=0〜3、q=0〜18)で表されるアルキルアンモニウムであり、0<x<1、0≦y<x、0≦z<y、0≦n≦10]で表される。
Step (c):
In the step (c), an alkyl ammonium or an alkyl amine is reacted with the proton-type layered ruthenic acid hydrate to obtain an alkyl ammonium-layered ruthenic acid intercalation compound.
The alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound obtained here is a compound having a structure in which alkylammonium is intercalated into the layered ruthenate compound,
Equation (2): M xy H yz B z RuO 2 + 0.5x · nH 2 O (2)
Wherein M is an alkali metal ion such as Li, Na, K, Rb or Cs, B is (R) m NH 4-m or (R) mp (R ′) p NH 4-m (R and R 'Is an alkyl ammonium represented by CH 3 (CH 2 ) q , m = 0 to 4, p = 0 to 3, q = 0 to 18), and 0 <x <1, 0 ≦ y <x, 0 ≦ z <y, 0 ≦ n ≦ 10].

工程(c)においては、第1の方法として、上記プロトン型層状ルテニウム酸水和物を、アルキルアンモニウム塩を含む溶液と混合し、両者を反応させることによって上記層間化合物を得ることができる(イオン交換法)。
さらに第2の方法として、上記プロトン型層状ルテニウム酸水和物を、アルキルアミンを含む溶液と混合し、両者を反応させることによって上記層間化合物を得ることができる(酸塩基反応法)。
また、上記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得た後、これをさらに第2のアルキルアンモニウム塩を含む溶液と混合して両者を反応させてもよい(ゲスト交換反応法)。
In the step (c), as a first method, the above-mentioned intercalation compound can be obtained by mixing the above-mentioned proton-type layered ruthenic acid hydrate with a solution containing an alkylammonium salt and reacting both. Exchange method).
Furthermore, as a second method, the above-mentioned intercalation compound can be obtained by mixing the above-mentioned proton-type layered ruthenic acid hydrate with a solution containing an alkylamine and reacting both (acid-base reaction method).
Alternatively, after the above-mentioned alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound is obtained, it may be further mixed with a solution containing a second alkylammonium salt to allow them to react (guest exchange reaction method).

工程(d):
最後に、前記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を溶媒と混合し、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートを含むコロイドを得る。具体的には、上記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を高誘電率溶媒に分散させる。
高誘電率溶媒としては、水、アルコール、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびプロピレンカーボネートよりなる群から選択される少なくとも1種を用いることができる。なかでも、誘電率が高く、粘性率が低く、沸点が低いという理由から、水、アルコールまたはアセトニトリルが好ましい。なかでも、メタノールが特に好ましい。
Step (d):
Finally, the alkylammonium-layered ruthenate interlayer compound is mixed with a solvent to obtain a colloid containing a ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less. Specifically, the alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound is dispersed in a high dielectric constant solvent.
As the high dielectric constant solvent, at least one selected from the group consisting of water, alcohol, acetonitrile, dimethylsulfoxide, dimethylformamide and propylene carbonate can be used. Among them, water, alcohol, or acetonitrile is preferred because of its high dielectric constant, low viscosity, and low boiling point. Among them, methanol is particularly preferred.

前記層間化合物を高誘電体溶媒に分散させると、前記層間化合物が一層単位で孤立分散し、ルテニウム酸ナノシートが分散したコロイドが得られる。もちろん、このコロイドには、ナノシートがいくつか重なった積層体である層状ルテニウム酸化合物が部分的に含まれていてもよい。このコロイドから、ポーラスで、電子およびプロトン伝導性に優れた本発明に係るルテニウム酸ナノシートを回収することができる。
以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
When the intercalation compound is dispersed in a high dielectric solvent, the intercalation compound is isolated and dispersed in a single layer, and a colloid in which ruthenate nanosheets are dispersed is obtained. Of course, this colloid may partially contain a layered ruthenate compound which is a laminate in which several nanosheets are stacked. From this colloid, the ruthenate nanosheet according to the present invention, which is porous and has excellent electron and proton conductivity, can be recovered.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

《工程(a)》
1.カリウム型層状ルテニウム酸の合成
カリウム型層状ルテニウム酸は、以下のように固相法または溶融法によって合成した。
(1)固相法による合成
2CO3とRuO2とをモル比0.625:1で混合し、得られた混合物をArガス流通下で850℃にて12時間加熱焼成した。ついで、得られた焼成物を蒸留水で洗浄し、余剰のカリウムを除去した。最後に、濾過または遠心分離にて、洗浄後の焼成物から固体成分を回収した。
ここで、RuO2に対するK2CO3のモル比は0.2〜1.5が好ましく、さらには0.5〜0.7であるのが好ましかった。また、焼成は、大気中でも可能であったが、Arガスなどの不活性雰囲気中で行うのが好ましかった。また、焼成温度は、700〜900℃が好ましかった。
<< Step (a) >>
1. Synthesis of potassium-type layered ruthenic acid Potassium-type layered ruthenic acid was synthesized by the solid phase method or the melting method as follows.
(1) Synthesis by solid phase method K 2 CO 3 and RuO 2 were mixed at a molar ratio of 0.625: 1, and the resulting mixture was heated and baked at 850 ° C. for 12 hours under a flow of Ar gas. Next, the obtained fired product was washed with distilled water to remove excess potassium. Finally, a solid component was recovered from the fired product after washing by filtration or centrifugation.
Wherein the molar ratio of K 2 CO 3 with respect to RuO 2 is preferably 0.2 to 1.5, more it was preferably in the range of 0.5 to 0.7. In addition, although sintering was possible in the air, it was preferable to perform sintering in an inert atmosphere such as Ar gas. Further, the firing temperature was preferably from 700 to 900C.

(2)溶融法による製法
KOHとRuO2とをモル比3:1で混合し、得られた混合物を空気中において600℃で0.5時間加熱溶融した。得られた溶融物を蒸留水で洗浄し、余剰のカリウムを除去した。ついで、濾過または遠心分離にて、洗浄後の溶融物から固体成分を回収した。最後に、回収した固体成分を風乾することによって水和物が得られ、この水和物を120℃以上の温度で乾燥することにより無水物が得られた。
RuO2に対するKOHのモル比は2〜3が好ましかった。また、溶融温度は500〜700℃が好ましかった。
(2) Production Method by Melting Method KOH and RuO 2 were mixed at a molar ratio of 3: 1 and the resulting mixture was heated and melted in air at 600 ° C. for 0.5 hour. The obtained melt was washed with distilled water to remove excess potassium. Then, solid components were recovered from the washed melt by filtration or centrifugation. Finally, the recovered solid component was air-dried to obtain a hydrate, and the hydrate was dried at a temperature of 120 ° C. or higher to obtain an anhydride.
The molar ratio of KOH with respect to RuO 2 was preferred 2 to 3. Further, the melting temperature was preferably from 500 to 700 ° C.

(3)イオン交換法による製法
別の方法として後述のプロトン型層状ルテニウム酸水和物のイオン交換によってカリウム型層状ルテニウム酸を合成した。
まず、プロトン型層状ルテニウム酸水和物をKOHまたKCl水溶液中に分散させ、60〜80℃で撹拌してカリウム型層状ルテニウム酸水和物を得た。蒸留水で洗浄して、カリウム型層状ルテニウム酸水和物から余剰のカリウムを除去し、濾過または遠心分離にて固体成分を回収した。回収した固体成分を風乾することにより水和物を得、この水和物を120℃以上の温度で乾燥することにより無水和物を得た。
(3) Production Method by Ion Exchange Method As another method, potassium-type layered ruthenic acid was synthesized by ion exchange of a proton-type layered ruthenic acid hydrate described below.
First, the proton-type layered ruthenic acid hydrate was dispersed in an aqueous solution of KOH or KCl and stirred at 60 to 80 ° C. to obtain a potassium-type layered ruthenic acid hydrate. After washing with distilled water, excess potassium was removed from the potassium-type layered ruthenic acid hydrate, and the solid component was recovered by filtration or centrifugation. A hydrate was obtained by air-drying the collected solid component, and the hydrate was dried at a temperature of 120 ° C. or higher to obtain an anhydrate.

2.セシウム型層状ルテニウム酸の合成
Cs2CO3とRuO2とをモル比0.192:1の割合で混合し、得られた混合物をArガス流通下900℃で120時間加熱焼成した。
RuO2に対するCs2CO3のモル比は、0.1〜1.0であるのが好ましく、さらには0.15〜0.30であるのが好ましかった。焼成は大気中でも可能であったが、Arガスなどの不活性雰囲気中で行うのが好ましかった。また、焼成温度は800〜1000℃であるのが好ましく、さらには700〜900℃であるのが好ましかった。
2. Synthesis of Cesium-Type Layered Ruthenic Acid Cs 2 CO 3 and RuO 2 were mixed at a molar ratio of 0.192: 1, and the resulting mixture was heated and baked at 900 ° C. for 120 hours under flowing Ar gas.
The molar ratio of Cs 2 CO 3 with respect to RuO 2 is preferably from 0.1 to 1.0, more it was preferably in the range of 0.15 to 0.30. Although sintering was possible in air, it was preferable to perform sintering in an inert atmosphere such as Ar gas. Further, the firing temperature is preferably from 800 to 1000 ° C, and more preferably from 700 to 900 ° C.

3.カリウム型層状ルテニウム酸の諸物性の評価
(1)組成
上記1において合成したカリウム型層状ルテニウム酸の組成を、誘導結合プラズマ発光分析法、熱重量分析法、蛍光X線分析法およびX線光電子分光法で分析したところ、KxRuO2+0.5x・nH2Oで表されることがわかった。なお、xは焼成温度、焼成時間および原料の混合比などの合成条件によって異なるが、0<x<1を満たす値であった。850℃、12時間、Arガス流通下、およびK2CO3:RuO2=0.625:1(モル比)の場合は、x=0.22であった。含水量nは乾燥条件によって異なり、0≦n≦10を満たす値であった。室温で風乾した場合はn=0.7であり、120℃で乾燥した場合は0≦n≦0.4であった。なお、含水量nは、目的とする電気化学素子によって最適値を決定すればよい。
3. Evaluation of Physical Properties of Potassium-Type Layered Ruthenic Acid (1) Composition The composition of the potassium-type layered ruthenic acid synthesized in 1 above was subjected to inductively coupled plasma emission spectrometry, thermogravimetric analysis, X-ray fluorescence analysis and X-ray photoelectron spectroscopy. Analysis by the method revealed that it was represented by K x RuO 2 + 0.5x · nH 2 O. Note that x varies depending on the synthesis conditions such as the firing temperature, the firing time, and the mixing ratio of the raw materials, but is a value satisfying 0 <x <1. In the case of 850 ° C., 12 hours, under Ar gas flow, and K 2 CO 3 : RuO 2 = 0.625: 1 (molar ratio), x = 0.22. The water content n varied depending on the drying conditions, and was a value satisfying 0 ≦ n ≦ 10. N = 0.7 when air-dried at room temperature, and 0 ≦ n ≦ 0.4 when dried at 120 ° C. In addition, what is necessary is just to determine the optimal value for the water content n according to the target electrochemical element.

(2)外観
上記1において製造したカリウム型層状ルテニウム酸を走査型電子顕微鏡で観察した。得られた走査型電子顕微鏡(SEM)写真(像)を図1および図2に示す。図1および図2からわかるように、長短長軸方向が数百nm、厚み数十nmの板状結晶が得られた。
(2) Appearance The potassium-type layered ruthenic acid produced in 1 above was observed with a scanning electron microscope. The obtained scanning electron microscope (SEM) photograph (image) is shown in FIGS. 1 and 2. As can be seen from FIGS. 1 and 2, a plate-like crystal having several hundred nm in the major and minor axis directions and several tens nm in thickness was obtained.

(3)構造
xRuO2+0.5x・nH2O(x=0.22、n=0.4)の粉末X線回折(XRD)パターンを図3に示す。図3から基本面間隔d001が0.730nmの層状構造が得られていることがわかる。
ここで、基本面間隔とは、層状構造の積層方向(すなわち層の面方向に垂直な方向)における各層の繰り返し間隔であり、酸化ルテニウムの層(ルテニウム酸ナノシート)同士が規則的に配列している場合の層間隔を指す。
(3) Structure K x RuO 2 + 0.5x · nH 2 O (x = 0.22, n = 0.4) in powder X-ray diffraction (XRD) pattern is shown in FIG. FIG. 3 shows that a layered structure having a basic plane distance d 001 of 0.730 nm is obtained.
Here, the basic plane interval is a repetition interval of each layer in the laminating direction of the layered structure (that is, a direction perpendicular to the plane direction of the layer), and the ruthenium oxide layers (ruthenate nanosheets) are regularly arranged. Indicates the space between layers.

この基本面間隔は、後述するように、層状ルテニウム酸化合物の層間に存在する金属イオンまたは有機成分によって変化し得る。それぞれの回折ピークの帰属は表1のとおりである。X線回折パターンには(00L)面以外の回折面はピーク強度が弱く(1/1000程度)、帰属が困難である。
ここで、K0.22RuO2.11・0.4H2Oの電子線回折像(写真)を図4に示し、透過型電子顕微鏡写真(像)を図5に示す。酸化ルテニウム層の厚みは1nm以下であり、かつ規則的な二次元配列が得られていることがわかる。
As will be described later, this basic plane spacing can be changed by metal ions or organic components existing between layers of the layered ruthenate compound. The assignment of each diffraction peak is as shown in Table 1. Diffraction planes other than the (00L) plane have low peak intensities (about 1/1000) in the X-ray diffraction pattern and are difficult to assign.
Here, K 0.22 RuO 2.11 · 0.4H 2 O electron beam diffraction image of the (photographic) shown in FIG. 4 shows a transmission electron micrograph (image) in FIG. It is understood that the thickness of the ruthenium oxide layer is 1 nm or less, and that a regular two-dimensional array is obtained.

4.セシウム型層状ルテニウム酸の諸物性の評価
(1)組成
上記2において製造したセシウム型層状ルテニウム酸の組成を、熱重量分析法および蛍光X線分析法で分析したところ、式:CsxRuO2+0.5x・nH2Oで表されることがわかった。なお、xは焼成温度、焼成時間および原料の混合比などの合成条件によって異なるが、0<x<1を満たす値であった。900℃、12時間、Arガス流通、およびCs2CO3:RuO2=0.192:1(モル比)の場合は、x=0.35であった。含水量nは乾燥条件によって異なり、0≦n≦10を満たす値であった。室温で風乾した場合はn=0.7であり、120℃で乾燥した場合は0≦n≦0.4であった。なお、含水量nは、目的とする電気化学素子によって最適値を決定すればよい。
4. Evaluation of Physical Properties of Cesium-Type Layered Ruthenic Acid (1) Composition The composition of the cesium-type layered ruthenic acid produced in the above item 2 was analyzed by thermogravimetric analysis and X-ray fluorescence spectroscopy. The formula: Cs x RuO 2+ it was found to be expressed in 0.5x · nH 2 O. Note that x varies depending on the synthesis conditions such as the firing temperature, the firing time, and the mixing ratio of the raw materials, but is a value satisfying 0 <x <1. In the case of 900 ° C., 12 hours, Ar gas flow, and Cs 2 CO 3 : RuO 2 = 0.192: 1 (molar ratio), x = 0.35. The water content n varied depending on the drying conditions, and was a value satisfying 0 ≦ n ≦ 10. N = 0.7 when air-dried at room temperature, and 0 ≦ n ≦ 0.4 when dried at 120 ° C. In addition, what is necessary is just to determine the optimal value for the water content n according to the target electrochemical element.

(2)外観
上記2において製造したセシウム型層状ルテニウム酸を走査型電子顕微で観察し、走査型電子顕微鏡写真を撮影した。これによれば、長短長軸方向が数百nm、厚み数十nmの板状結晶が得られた。
(2) Appearance The cesium-type layered ruthenic acid produced in 2 above was observed with a scanning electron microscope, and a scanning electron microscope photograph was taken. According to this, a plate-like crystal having several hundred nm in the major and minor axis directions and a thickness of several tens nm was obtained.

(3)構造
CsxRuO2+0.5x・nH2O(x=0.35、n=0.4)の粉末X線回折(XRD)パターンを図6に示す。図6から基本面間隔d001が0.762nmの層状構造が得られていることがわかる。それぞれの回折線の帰属は表2のとおりである。X線回折パターンには(00L)面以外の回折面はピーク強度が弱く(1/1000程度)、帰属が困難である。
(3) Structure FIG. 6 shows a powder X-ray diffraction (XRD) pattern of Cs x RuO 2 + 0.5x · nH 2 O (x = 0.35, n = 0.4). FIG. 6 shows that a layered structure having a basic plane distance d 001 of 0.762 nm was obtained. Table 2 shows the assignment of each diffraction line. Diffraction planes other than the (00L) plane have low peak intensities (about 1/1000) in the X-ray diffraction pattern and are difficult to assign.

《工程(b)》
1.プロトン型層状ルテニウム酸水和物の製造
プロトン型多層状ルテニウム酸水和物を、上記工程(a)で合成した層状ルテニウム酸化合物を出発物質として用い、プロトン交換反応をさせることにより合成した。
まず、希塩酸中でカリウム型層状ルテニウム酸を60℃にて48時間撹拌した。ついで蒸留水で余剰の塩酸を洗浄し、濾過または遠心分離にて固体成分を回収した。なお、ここで用いることのできる酸は塩酸に限らなかった。硫酸、硝酸、臭化水素などでも同様の結果が得られた。また、撹拌時間および温度も合成する量などにより異なった。室温で合成することも可能であるが、反応時間が長くなった。
<< Step (b) >>
1. Production of proton-type layered ruthenic acid hydrate Proton-type multilayered ruthenic acid hydrate was synthesized by performing a proton exchange reaction using the layered ruthenate compound synthesized in the above step (a) as a starting material.
First, potassium-type layered ruthenic acid was stirred in diluted hydrochloric acid at 60 ° C. for 48 hours. Then, excess hydrochloric acid was washed with distilled water, and a solid component was recovered by filtration or centrifugation. The acid that can be used here is not limited to hydrochloric acid. Similar results were obtained with sulfuric acid, nitric acid, hydrogen bromide and the like. Further, the stirring time and the temperature also varied depending on the amount to be synthesized. Although it is possible to synthesize at room temperature, the reaction time is longer.

2.プロトン型層状ルテニウム酸水和物の諸物性の評価
(1)組成
上記1において合成したプロトン型層状ルテニウム酸水和物の組成を、誘導結合プラズマ発光分析法、熱重量分析法、蛍光X線分析法およびX線光電子分光法で分析したところ、式:Kx-yyRuO2+0.5x・nH2O(ただし、0<x<1、0≦y<x、0≦n≦10を満たす。)で表されることがわかった。
ここでHの量yは、酸処理条件によって異なり、60℃、48時間の酸処理後ではx−y<0.05を満たした。含水量nは120℃乾燥では0.4であり、乾燥条件によりn=0〜10であった。
2. Evaluation of physical properties of proton-type layered ruthenate hydrate (1) Composition The composition of the proton-type layered ruthenate hydrate synthesized in 1 above was analyzed by inductively coupled plasma emission spectrometry, thermogravimetric analysis, and fluorescent X-ray analysis. It was analyzed by law and X-ray photoelectron spectroscopy, the formula: K xy H y RuO 2 + 0.5x · nH 2 O ( where satisfy 0 <x <1,0 ≦ y < x, 0 ≦ n ≦ 10. ).
Here, the amount y of H differs depending on the acid treatment conditions, and satisfies xy <0.05 after the acid treatment at 60 ° C. for 48 hours. The water content n was 0.4 when dried at 120 ° C., and n = 0 to 10 depending on the drying conditions.

(2)外観
上記1において製造したプロトン型層状ルテニウム酸水和物を走査型電子顕微で観察した。得られた走査型電子顕微鏡写真を図7および図8に示す。図7および図8からわかるように、長短長軸方向が数百nm、厚み数十nmの板状結晶が得られた。
(2) Appearance The proton-type layered ruthenic acid hydrate produced in 1 above was observed with a scanning electron microscope. FIGS. 7 and 8 show the obtained scanning electron micrographs. As can be seen from FIGS. 7 and 8, plate crystals having a length of several hundred nm in the major and minor axes and a thickness of several tens of nm were obtained.

(3)構造
0.22RuO2.11・nH2O(n=0.4)の粉末X線回折(XRD)パターンを図9に示す。図9から基本面間隔d001が0.457nmの層状構造が得られていることがわかる。それぞれの回折線の帰属は表3のとおりである。X線回折パターンには(00L)面以外の回折面はピーク強度が弱く(1/1000程度)、帰属が困難である。
(3) Structure FIG. 9 shows a powder X-ray diffraction (XRD) pattern of H 0.22 RuO 2.11 · nH 2 O (n = 0.4). FIG. 9 shows that a layered structure having a basic plane distance d 001 of 0.457 nm was obtained. Table 3 shows the assignment of each diffraction line. Diffraction planes other than the (00L) plane have low peak intensities (about 1/1000) in the X-ray diffraction pattern and are difficult to assign.

ここで、H0.22RuO2.11・0.4H2Oの電子線回折像を図10に示し、透過型電子顕微鏡写真を図11に示す。約0.5nmの間隔で層が繰り返されていることが観察され、酸化ルテニウムの一層(ルテニウム酸ナノシート)の厚みは約0.5nmと見積もることができ、かつ規則的な二次元配列が得られていることがわかる。また、電子線回折像において明瞭な回折スポットが観察され、酸化ルテニウム層の結晶性が良好であることがわかる。 Here, the electron beam diffraction image of H 0.22 RuO 2.11 · 0.4H 2 O shown in FIG. 10 shows a transmission electron micrograph in Figure 11. It is observed that the layers are repeated at intervals of about 0.5 nm, the thickness of one layer of ruthenium oxide (ruthenate nanosheet) can be estimated to be about 0.5 nm, and a regular two-dimensional array is obtained. You can see that it is. In addition, a clear diffraction spot is observed in the electron diffraction image, which indicates that the ruthenium oxide layer has good crystallinity.

総じてプロトン型層状ルテニウム酸の構造においては、約0.5nmの酸化ルテニウム層と水和水とが2次元に規則的に配列しており、酸化ルテニウム層の表面は水酸基で覆われ、かつ明瞭な結晶構造を有する。水和量は特に構造に規定されることなく、プロトン型層状ルテニウム酸は無限膨潤に近い状態まで水を含むことが可能である。既存の非晶質水和酸化物および電解酸化ルテニウム水和物においては、ルテニウム酸化物と構造水とは無秩序に配列し、かつその水分子は構造の隙間に存在するため、水和量はマクロ構造によってある程度規定される。   In general, in the structure of the proton-type layered ruthenic acid, a ruthenium oxide layer having a thickness of about 0.5 nm and water of hydration are regularly arranged two-dimensionally, and the surface of the ruthenium oxide layer is covered with hydroxyl groups. It has a crystal structure. The amount of hydration is not particularly limited by the structure, and the proton-type layered ruthenic acid can contain water up to a state close to infinite swelling. In the existing amorphous hydrated oxide and electrolytic ruthenium oxide hydrate, the amount of hydration is macroscopic because the ruthenium oxide and the structural water are arranged randomly and the water molecules are present in the gaps between the structures. To some extent dictated by the structure.

《工程(c)》
1.アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の合成
アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物は、以下のように、イオン交換反応、ゲスト交換反応または酸塩基反応により得た。
(1)イオン交換反応による合成
上記工程(b)で合成したプロトン型層状ルテニウム酸水和物をアルキルアンモニウム水溶液に分散させ、室温で3日間撹拌した。ついで、蒸留水で余剰の有機物を洗浄し、濾過または遠心分離によって固体成分を回収した。ここで、アルキルアンモニウムは、(R)mNH4-mまたは(R)m-n(R’)nNH4-m(式中、RおよびR’はCH3(CH2)p、m=0〜4、n=0〜3、p=0〜18)であった。
<< Process (c) >>
1. Synthesis of alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound The alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound was obtained by an ion exchange reaction, a guest exchange reaction or an acid-base reaction as follows.
(1) Synthesis by ion exchange reaction The proton-type layered ruthenic acid hydrate synthesized in the above step (b) was dispersed in an aqueous solution of alkylammonium and stirred at room temperature for 3 days. Subsequently, excess organic substances were washed with distilled water, and solid components were recovered by filtration or centrifugation. Here, the alkyl ammonium is represented by (R) m NH 4-m or (R) mn (R ′) n NH 4-m (where R and R ′ are CH 3 (CH 2 ) p, m = 0 to 4, n = 0-3, p = 0-18).

(2)酸塩基反応による合成
上記工程(b)で合成したプロトン型層状ルテニウム酸水和物をアルキルアミン溶液に分散させ、室温で3日間撹拌した。ついで、蒸留水で余剰の有機物を洗浄し、濾過または遠心分離によって固体成分を回収した。ここで、アルキルアミンは、(R)mNH3-mまたは(R)m-n(R’)nNH3-m(式中、RおよびR’はCH3(CH2)p、m=0〜3、n=0〜2、p=0〜18)であった。
(2) Synthesis by acid-base reaction The proton-type layered ruthenic acid hydrate synthesized in the above step (b) was dispersed in an alkylamine solution and stirred at room temperature for 3 days. Subsequently, excess organic substances were washed with distilled water, and solid components were recovered by filtration or centrifugation. Here, the alkylamine is represented by (R) m NH 3-m or (R) mn (R ′) n NH 3-m (where R and R ′ are CH 3 (CH 2 ) p, m = 0 to 3, n = 0-2, p = 0-18).

(3)ゲスト交換反応による合成
アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物をアルキルアンモニウム水溶液に分散させ、室温で3日間撹拌した。ついで、蒸留水で余剰の有機物を洗浄し、超遠心分離によって固体成分を回収した。ここで、アルキルアンモニウムは、上記(1)のイオン交換反応による合成に用いるものと同じであった。
(3) Synthesis by Guest Exchange Reaction The alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound was dispersed in an aqueous solution of alkylammonium and stirred at room temperature for 3 days. Subsequently, excess organic substances were washed with distilled water, and solid components were collected by ultracentrifugation. Here, the alkylammonium was the same as that used for the synthesis by the ion exchange reaction in the above (1).

2.アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の諸物性の評価
(1)組成
上記1において合成したアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物は、熱重量分析法で分析したところ、以下の化学組成を有した。
H:アルキルアンモニウム:Ru=y−z:z:1 (モル比)
ここで、有機含有量zは調製条件やアルキル鎖の種類などによって異なり、y<1を満たした。
2. Evaluation of Physical Properties of Alkyl Ammonium-Layered Ruthenic Acid Intercalation Compound (1) Composition The alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound synthesized in the above 1 was analyzed by thermogravimetric analysis and found to have the following chemical composition.
H: alkyl ammonium: Ru = yz: z: 1 (molar ratio)
Here, the organic content z differs depending on the preparation conditions and the type of the alkyl chain, and satisfies y <1.

(2)外観
上記1において合成した層間化合物のうち、セチルトリメチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物([CH3(CH2)15N(CH3)30.2RuO2.1)の走査型電子顕微鏡写真を図12に示す。約2.8nm間隔で層が繰り返されおり、縞状の模様が確認される。
(2) Appearance Among the intercalation compounds synthesized in 1 above, a scanning electron micrograph of a cetyltrimethylammonium-layered ruthenate intercalation compound ([CH 3 (CH 2 ) 15 N (CH 3 ) 3 ] 0.2 RuO 2.1 ) is shown. As shown in FIG. The layers are repeated at intervals of about 2.8 nm, and a striped pattern is observed.

(3)構造
上記1において合成した層間化合物のうち、エチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物、テトラブチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物、およびセチルトリメチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の粉末X線回折パターンを、それぞれ図13、図14および図15に示す。それぞれ基本面間隔がd001=0.816、1.68、および2.76nmの層状構造を有することがわかる。それぞれの回折線の帰属は表4、表5および表6のとおりである。
(3) Structure Among the intercalation compounds synthesized in the above 1, powder X-ray diffraction patterns of ethylammonium-layered ruthenate intercalation compound, tetrabutylammonium-layered ruthenate intercalation compound, and cetyltrimethylammonium-layered ruthenate intercalation compound are shown. 13, 14 and 15 respectively. It can be seen that each has a layered structure in which the basic plane distances are d 001 = 0.816, 1.68, and 2.76 nm. The assignment of each diffraction line is as shown in Tables 4, 5 and 6.

《工程(d)》
1.ルテニウム酸ナノシートを含むコロイドの製造
コロイド状ルテニウム酸ナノシート(ナノシートを含むコロイド)は、テトラブチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を溶媒に分散させることによって得た。
具体的には、まず工程(c)で合成したテトラブチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を高誘電率溶媒に分散させ、超音波処理して撹拌した。ついで、遠心分離(2000rpm)によってコロイド成分(上澄み)を回収した。ここでは、高誘電率溶媒としてメタノールを用いた。
<< Process (d) >>
1. Production of Colloids Containing Ruthenate Nanosheets Colloidal ruthenate nanosheets (colloids containing nanosheets) were obtained by dispersing tetrabutylammonium-layered ruthenate intercalation compound in a solvent.
Specifically, first, the tetrabutylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound synthesized in the step (c) was dispersed in a solvent having a high dielectric constant, ultrasonically treated, and stirred. Next, the colloid component (supernatant) was collected by centrifugation (2000 rpm). Here, methanol was used as the high dielectric constant solvent.

2.コロイド状ルテニウム酸ナノシートの諸物性の評価
(1)組成
コロイド状ルテニウム酸ナノシートは、高誘電率溶媒とテトラブチルアンモニウムとルテニウム酸ナノシートとを、高誘電率溶媒:テトラブチルアンモニウム:ルテニウム酸ナノシート=(100−x):0.075x:x (モル比)で含んでいた。ここで、xはテトラブチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の濃度であり、約2〜100μg/Lであった。
2. Evaluation of Physical Properties of Colloidal Ruthenate Nanosheet (1) Composition The colloidal ruthenate nanosheet is composed of a high dielectric constant solvent, tetrabutylammonium and ruthenate nanosheet, and a high dielectric constant solvent: tetrabutylammonium: ruthenate nanosheet = ( 100-x): 0.075x: x (molar ratio). Here, x is the concentration of the tetrabutylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound, and was about 2 to 100 μg / L.

(2)外観
上記工程(d)で得たコロイドに含まれるルテニウム酸化合物ナノシートの走査型電子顕微鏡写真を図16に示す。この際、コロイド状ルテニウム酸ナノシートは、支持体である炭素材料に担持させて観察した。図16から、長短長軸方向が数百nm、ナノメーターオーダーの厚みの孤立した結晶状ナノシートが得られたことがわかる。
(2) Appearance FIG. 16 shows a scanning electron micrograph of the ruthenate compound nanosheet contained in the colloid obtained in the above step (d). At this time, the colloidal ruthenate nanosheet was supported on a carbon material as a support and observed. From FIG. 16, it can be seen that an isolated crystalline nanosheet having a thickness of several hundred nm in the long and short major axis directions and a nanometer order was obtained.

(3)構造
上記工程(d)で得たルテニウム酸ナノシートを含む分散液(コロイド)をガラス基板上にキャストした。これにより、ルテニウム酸ナノシートが再積層し、テトラブチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物で構成される配向薄膜が得られた。この配向薄膜の粉末X線回折パターンを図17に示す。図17から、前記配向薄膜が基本面間隔d001=1.68nmの層状構造を有し、極めて良いc軸配向性を有することがわかる。それぞれの回折線の帰属は表7のとおりである。
(3) Structure The dispersion (colloid) containing the ruthenate nanosheet obtained in the above step (d) was cast on a glass substrate. As a result, the ruthenate nanosheets were re-laminated, and an oriented thin film composed of tetrabutylammonium-layered ruthenate interlayer compound was obtained. FIG. 17 shows a powder X-ray diffraction pattern of the oriented thin film. From FIG. 17, it can be seen that the alignment thin film has a layered structure with a basic plane distance d 001 = 1.68 nm and has an extremely good c-axis alignment. Table 7 shows the assignment of each diffraction line.

本実施例においては、上記工程(b)で得たプロトン型層状ルテニウム酸水和物(HRO=H0.22RuO2.11・nH2O、n>0)を用いて電気化学スーパーキャパシタ用電極を作製し、電気化学スーパーキャパシタの容量を調べた。
プロトン型層状ルテニウム酸水和物を水またはジメチルホルムアミドなどの溶媒中に分散させ(約40μg/L)、得られた分散液をグラッシー・カーボンロッドの切断面(直径5mm)に滴下し、さらに固定化剤としてデュポン社よりNafionの名で販売されているパーフルオロカルボン酸イオノマーをさらに滴下し、乾燥してプロトン型層状ルテニウム酸水和物を担持したグラッシーカーボン(以下、HRO/GCという。)電極を作製した。
In this example, an electrode for an electrochemical supercapacitor was manufactured using the proton-type layered ruthenic acid hydrate (HRO = H 0.22 RuO 2.11 · nH 2 O, n> 0) obtained in the above step (b). The capacity of the electrochemical supercapacitor was examined.
Proton-type layered ruthenic acid hydrate is dispersed in water or a solvent such as dimethylformamide (about 40 μg / L), and the obtained dispersion is dropped on a cut surface (diameter 5 mm) of a glassy carbon rod and further fixed. A perfluorocarboxylic acid ionomer sold by DuPont under the name of Nafion is further dripped as an agent and dried to produce a glassy carbon (hereinafter referred to as HRO / GC) electrode supporting a proton-type layered ruthenic acid hydrate. Was prepared.

HRO/GC電極、白金メッシュ製の対極、およびAg/AgClの参照極を0.5M硫酸電解液中において用い、500〜2mV/sで走査してサイクリックボルタモグラム(CV)を得た。図18〜23は、それぞれ走査速度が500mV/s、200mV/s、50mV/s、20mV/s、5mV/sおよび2mV/sの場合のCVである。   Using an HRO / GC electrode, a platinum mesh counter electrode, and a Ag / AgCl reference electrode in a 0.5 M sulfuric acid electrolyte, scanning was performed at 500 to 2 mV / s to obtain a cyclic voltammogram (CV). 18 to 23 show CVs when the scanning speed is 500 mV / s, 200 mV / s, 50 mV / s, 20 mV / s, 5 mV / s and 2 mV / s, respectively.

高速走査時においては、擬似二重層キャパシタ特有の正方形状のCVが得られ、低速走査時においては、擬似二重層キャパシタ的な容量に加えて、酸化還元に起因する酸化還元容量が得られる。擬似二重層キャパシタ的な容量は、走査速度にほとんど依存せず、酸化還元容量は、走査速度の低下とともに増加する。   At the time of high-speed scanning, a square CV peculiar to the pseudo-double-layer capacitor is obtained, and at the time of low-speed scanning, an oxidation-reduction capacity due to oxidation-reduction is obtained in addition to the capacity of the pseudo-double-layer capacitor. The capacity like a pseudo double layer capacitor hardly depends on the scanning speed, and the oxidation-reduction capacity increases as the scanning speed decreases.

表8に各々の走査速度で得られたCVから求めたHRO/GC電極のキャパシタンスを示した。走査速度の減少にともないキャパシタンスはわずかに増加する。これは先に述べた酸化還元容量の増加分に起因する。得られたキャパシタンスは電解酸化により合成した水和酸化ルテニウムと同程度であり、ルチル型構造の結晶性酸化ルテニウムより一桁大きい。   Table 8 shows the capacitance of the HRO / GC electrode obtained from the CV obtained at each scanning speed. The capacitance increases slightly with decreasing scanning speed. This is due to the increase in the oxidation-reduction capacity described above. The obtained capacitance is comparable to that of hydrated ruthenium oxide synthesized by electrolytic oxidation, and is one order of magnitude higher than that of crystalline ruthenium oxide having a rutile structure.

酸化ルテニウムの擬似二重層容量(酸化還元反応が関与しない物理現象)として、一般的な値である約80μF/cm2(実表面積当たりのマイクロファラッド)を用い、50mV/sでのキャパシタンス(389F/g)から活性表面積を計算すると、486m2/gであった。従来のルチル型RuO2の表面積は、粒径10nmの微粒子でも50〜60m2/g(窒素吸脱着測定によるBET法で求めた比表面積)である。 As a pseudo double layer capacity (physical phenomenon not involving the redox reaction) of ruthenium oxide, a general value of about 80 μF / cm 2 (microfarad per actual surface area) is used, and the capacitance (389 F / g) at 50 mV / s is used. ) Was 486 m 2 / g. The surface area of conventional rutile RuO 2 is 50 to 60 m 2 / g (specific surface area determined by the BET method based on nitrogen adsorption / desorption measurement) even for fine particles having a particle diameter of 10 nm.

プロトン型層状ルテニウム酸水和物は、既存の非晶質酸化ルテニウム水和物やルチル型酸化ルテニウムとは異なる特徴を有する。以下にその特徴を挙げる。
(i)電気化学的に活性な表面積が極めて大きい。プロトン型層状ルテニウム酸の各層は1nm以下の厚みを有し、層間にはプロトンおよび水和プロトンが自由に移動可能である。電気化学活性比表面積は508m2/g−RuO2にまで達する。
Proton-type layered ruthenic acid hydrate has characteristics different from existing amorphous ruthenium oxide hydrate and rutile-type ruthenium oxide. The features are listed below.
(i) The electrochemically active surface area is extremely large. Each layer of the proton-type layered ruthenic acid has a thickness of 1 nm or less, and protons and hydrated protons can freely move between the layers. The electrochemically active specific surface area reaches up to 508 m 2 / g-RuO 2 .

(ii)HRO/GCにおいては、遅い充放電(低速走査または小電流充放電)時に明瞭なレドックス対が現れる。これは結晶性を有する構造に依存するため、非晶質水和酸化ルテニウムでは得られない成分である。このレドックスに起因する容量は活性表面積に依存する。結晶性のルチル型酸化ルテニウムでは、このレドックス容量が粒子表面でしか得られず、その寄与は極めて小さい。結晶性のルチル型酸化ルテニウムの活性表面積は50m2/gであり、プロトン型層状ルテニウム酸の活性表面積はその10倍近い508m2/g−RuO2である。プロトン型層状ルテニウム酸の場合、層間そのものが電気化学に活性であるため、結晶性のルチル型酸化ルテニウムでは達成し得ないレドックス容量が得られる。 (ii) In HRO / GC, a clear redox pair appears during slow charge / discharge (slow scan or small current charge / discharge). This is a component that cannot be obtained with amorphous hydrated ruthenium oxide because it depends on the crystalline structure. The capacity due to this redox depends on the active surface area. In crystalline rutile-type ruthenium oxide, this redox capacity can be obtained only at the particle surface, and its contribution is extremely small. The active surface area of crystalline rutile-type ruthenium oxide is 50 m 2 / g, and the active surface area of proton-type layered ruthenic acid is 508 m 2 / g-RuO 2, which is almost ten times as large. In the case of the proton-type layered ruthenic acid, the interlayer itself is electrochemically active, so that a redox capacity that cannot be achieved with crystalline rutile-type ruthenium oxide is obtained.

(iii)HRO/GCにおいては、極めて早い充放電(高速走査または大電流充放電)時でも一定の容量が得られる。この容量は、非ファラディックな電気二重層容量成分とファラディックなレドックス容量成分とからなる。これらの容量成分は電気化学活性表面積に依存する。結晶性のルチル型酸化ルテニウムでは、これらの容量成分は粒子表面でしか得られないためその寄与は極めて小さい。結晶性のルチル型酸化ルテニウムの活性表面積は50m2/gであり、プロトン型層状ルテニウム酸はその10倍の508m2/g−RuO2である。プロトン型層状ルテニウム酸の場合、層間そのものが電気化学的に活性であるため、結晶性のルチル型酸化ルテニウムでは達成し得ない擬似容量が得られる。 (Iii) In HRO / GC, a constant capacity can be obtained even during extremely fast charging / discharging (high-speed scanning or large-current charging / discharging). This capacitance is composed of a non-Faradic electric double layer capacitance component and a Faradic redox capacitance component. These capacitive components depend on the electrochemically active surface area. In the case of crystalline rutile-type ruthenium oxide, these contributions can be obtained only on the particle surface, and thus their contribution is extremely small. The active surface area of the crystalline rutile-type ruthenium oxide is 50 m 2 / g, and that of the proton-type layered ruthenic acid is 508 m 2 / g-RuO 2, which is ten times as large as that. In the case of the proton-type layered ruthenic acid, since the interlayer itself is electrochemically active, a pseudo capacitance that cannot be achieved with crystalline rutile-type ruthenium oxide is obtained.

総じて、プロトン型層状ルテニウム酸においては、結晶性酸化ルテニウム層の間に電解液が浸透することが可能であり、電子伝導性ネットワークを損なうことなくプロトン導電性を付与することができた。加えて、層厚0.5nm以下という原子レベルまで酸化ルテニウム層を微細化できた結果、活性表面積は極めて高く、508m2/gを達成できた。 In general, in the proton-type layered ruthenic acid, the electrolyte solution could penetrate between the crystalline ruthenium oxide layers, and proton conductivity could be imparted without damaging the electron conductive network. In addition, as a result of making the ruthenium oxide layer finer to the atomic level of 0.5 nm or less, the active surface area was extremely high, and 508 m 2 / g was achieved.

これらの結果、層表面で極めて速く非ファラディックな(酸化還元反応が関与しない物理現象)電気二重層容量成分とファラディックなレドックス容量成分が得られるために、大電流充放電時でも大きなキャパシタンスが得られる。加えて、結晶性構造由来の層表面でのレドックス容量も得られるため、低速充放電時にはさらに大きなキャパシタンスが得られる。したがって、プロトン型層状ルテニウム酸水和物は、急速充放電可能な大容量電気化学スーパー電極材料であり、エネルギー密度・出力密度ともに極めて大きい。   As a result, an extremely fast non-faradic (physical phenomenon not involving the redox reaction) electric double layer capacitance component and a faradic redox capacitance component can be obtained on the layer surface, so that a large capacitance can be obtained even when charging and discharging a large current. can get. In addition, since a redox capacity on the layer surface derived from the crystalline structure can be obtained, a larger capacitance can be obtained during low-speed charge and discharge. Therefore, the proton-type layered ruthenic acid hydrate is a large-capacity electrochemical superelectrode material that can be rapidly charged and discharged, and has extremely high energy density and output density.

このようにエネルギー密度・出力密度ともに極めて大きい理由は、プロトン・電子混合導電性に優れる点にあると推定され、一般にプロトン・電子混合導電性が良好であるか否かは、i−V曲線(CV特性)から類推することができる。つまり、上記理由は、i−V曲線が早い走査速度においても良好な立ち上がりをしてキャパシタに類似した正方形形状を保っていること、および抵抗が入っていないことから理解することができる。また、数値データの観点からは、表8および表10において走査速度を早くしてもキャパシタンスロスがほとんど見受けられないことから、上記理由を推定することができる。   It is presumed that the reason why both the energy density and the output density are extremely large is that the proton / electron mixed conductivity is excellent. In general, whether the proton / electron mixed conductivity is good is determined by the i-V curve ( CV characteristic). That is, the reason can be understood from the fact that the iV curve rises favorably even at a high scanning speed and maintains a square shape similar to a capacitor, and that no resistance is included. Further, from the viewpoint of numerical data, even if the scanning speed is increased in Tables 8 and 10, almost no capacitance loss is observed, so the above reason can be estimated.

例えば、2mV/s走査時のキャパシタンスを100%として、走査速度を速くした時のプロトン型層状ルテニウム酸のキャパシタンス保持率は500mv/s走査時に90%である。これに対し、ナノレベルの粒径を有するルチル型酸化ルテニウムナノ粒子のキャパシタンス保持率は、500mV/s走査時に69%にしか過ぎない。これは、プロトン導電性が十分に確保されている結果と考えられる。表9にデータをまとめた。   For example, assuming that the capacitance at the time of scanning at 2 mV / s is 100%, the capacitance retention of the proton-type layered ruthenic acid when the scanning speed is increased is 90% at the time of scanning at 500 mv / s. In contrast, the capacitance retention of rutile-type ruthenium oxide nanoparticles having a nano-level particle size is only 69% when scanning at 500 mV / s. This is considered to be the result of sufficient proton conductivity. Table 9 summarizes the data.

上記実施例2ではプロトン型層状ルテニウム酸水和物の硫酸中でのキャパシタンスを説明したが、本発明はカリウム型層状ルテニウム酸水和物や各種アルカリ電解液にも適応することができる。
(1)プロトン型層状ルテニウム酸水和物のアルカリ電解液中でのキャパシタンスについて、プロトン型層状ルテニウム酸水和物を上記実施例2と同様の方法で合成し、0.5M硫酸電解液の代わりに1MKOH電解液を用いた以外は上記実施例2と同様にしてキャパシタンスを調べた。結果を表10に示す。ナノレベルの粒径を有するルチル型酸化ルテニウムナノ粒子と比較すると、5倍のキャパシタンスが得られる。0.5M硫酸電解液の場合よりもキャパシタンスが小さいのはアルカリ電解液中では酸化還元によって擬似容量が低下することに起因する。
In the above Example 2, the capacitance of the proton-type layered ruthenic acid hydrate in sulfuric acid was described. However, the present invention can be applied to a potassium-type layered ruthenic acid hydrate and various alkaline electrolytes.
(1) Regarding the capacitance of a proton-type layered ruthenic acid hydrate in an alkaline electrolyte, a proton-type layered ruthenic acid hydrate was synthesized in the same manner as in Example 2 above, and instead of a 0.5M sulfuric acid electrolyte. The capacitance was examined in the same manner as in Example 2 except that a 1M KOH electrolyte was used. Table 10 shows the results. Compared to rutile-type ruthenium oxide nanoparticles having a nano-sized particle size, the capacitance is five times higher. The reason why the capacitance is smaller than that in the case of the 0.5 M sulfuric acid electrolyte is that the pseudo capacity is reduced by oxidation and reduction in the alkali electrolyte.

(2)カリウム型層状ルテニウム酸水和物のキャパシタンスについて、カリウム型層状ルテニウム酸水和物と、バインダーであるポリエチレンテレフタレート(PTFE)の分散液((株)三井・デュポンフロロケミカル製の30−J)とを混合し、得られた混合物をの集電体に塗り付けて膜電極を作製した。0.5M硫酸電解液および1MKOH電解液を用いた場合のキャパシタンスを表11に示す。ルチル型酸化ルテニウムナノ粒子と比較すると、最大6倍のキャパシタンスが得られる。 (2) Regarding the capacitance of potassium-type layered ruthenic acid hydrate, a dispersion of potassium-type layered ruthenic acid hydrate and polyethylene terephthalate (PTFE) as a binder (30-J manufactured by DuPont Fluorochemicals, Mitsui) ) Was mixed, and the resulting mixture was applied to a current collector to prepare a membrane electrode. Table 11 shows the capacitance when the 0.5 M sulfuric acid electrolyte and the 1 M KOH electrolyte were used. As compared with the rutile-type ruthenium oxide nanoparticles, the capacitance can be obtained up to six times.

本発明における層状ルテニウム酸化合物を電気化学素子に応用する例を説明する。層状ルテニウム酸化合物は、走査顕微鏡写真やX線回折パターンから理解されるように、極めて安定した結晶を形成している。以下に、電気化学素子を製造する工程を述べる。
(a)粉砕工程
層状ルテニウム酸化合物を粗粉砕し、ついで微粉砕し、分級工程を経て、8〜2.5μmの粒度に分級した。
An example in which the layered ruthenate compound in the present invention is applied to an electrochemical device will be described. The layered ruthenate compound forms extremely stable crystals as understood from a scanning micrograph and an X-ray diffraction pattern. Hereinafter, a process of manufacturing an electrochemical device will be described.
(A) Pulverization Step The layered ruthenate compound was coarsely pulverized, then finely pulverized, and classified through a classification step to a particle size of 8 to 2.5 μm.

(b)混合、混練工程
つぎに、分級された層状ルテニウム酸化合物40重量部、活性炭粉末(クラレケミカル(株)製BP−20、平均粒度5μm、比表面積2200m2/g、平均細孔径16Å)50重量部、導電材料4重量部、一次バインダー2重量部、永久バインダー2重量部、およびゴム系材料2重量部を混合し、乾式混合、湿式混合および混練を経て、電極材料を調製した。
(B) Mixing and Kneading Steps Next, 40 parts by weight of the classified layered ruthenate compound, activated carbon powder (BP-20 manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd., average particle size 5 μm, specific surface area 2200 m 2 / g, average pore diameter 16 °) An electrode material was prepared by mixing 50 parts by weight, 4 parts by weight of a conductive material, 2 parts by weight of a primary binder, 2 parts by weight of a permanent binder, and 2 parts by weight of a rubber-based material, followed by dry mixing, wet mixing and kneading.

(c)各種電極材料
導電材料としては、アセチレンブラックとケッチェンブラックとを重量比1:1の割合で混合したカーボンブラック混合物を用いた。一次バインダーとしては、澱粉とカルボキシメチルセルロースとを重量比1:1の割合で混合した混合物を用いた。また、永久バインダーとしては、水系溶媒の場合にはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のゾル溶液を用いるのが好ましく、有機系溶媒の場合にはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いるのが好ましかった。
(C) Various electrode materials As the conductive material, a carbon black mixture in which acetylene black and ketjen black were mixed at a weight ratio of 1: 1 was used. As the primary binder, a mixture in which starch and carboxymethyl cellulose were mixed at a weight ratio of 1: 1 was used. As the permanent binder, a sol solution of polytetrafluoroethylene (PTFE) is preferably used for an aqueous solvent, and polyvinylidene fluoride (PVDF) is preferably used for an organic solvent. .

ゴム系材料としては、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)とスチレンブタジエンゴム(SBR)とを重量比1:1の割合で混合した混合物を使用するのが好ましかった。また、活性炭粉末としては、椰子殻活性炭、フェノール系活性炭、石炭系ピッチ活性炭、石油系ピッチ活性炭、エアロゲルカーボンの何れの活性炭も使用可能であった。   As the rubber-based material, a mixture obtained by mixing acrylonitrile butadiene rubber (NBR) and styrene butadiene rubber (SBR) at a weight ratio of 1: 1 was preferably used. Further, as the activated carbon powder, any activated carbon such as coconut shell activated carbon, phenol-based activated carbon, coal-based pitch activated carbon, petroleum-based pitch activated carbon, and airgel carbon could be used.

(d)成形工程、乾燥工程
電気化学素子の形状および大きさに応じてプレスまたはコーターを使用した。上記電極材料を、有機系溶媒の場合は100℃以下で乾燥した。また、水系溶媒の場合は上記電極材料から水分を除去し、一次バインダーを焼却除去し、減率乾燥領域まで完全乾燥を行い、ついで圧延ローラーで厚み120μm程度のシートを得、このシートを所望する形状に裁断し、シート状電極を得た。
(D) Molding step, drying step A press or a coater was used according to the shape and size of the electrochemical element. The electrode material was dried at 100 ° C. or less in the case of an organic solvent. Further, in the case of an aqueous solvent, water is removed from the electrode material, the primary binder is incinerated and removed, complete drying is performed to a reduced-rate drying area, and then a sheet having a thickness of about 120 μm is obtained with a rolling roller. The sheet was cut into a shape to obtain a sheet-like electrode.

コイン型キャパシタ用としては、一対のシート状電極をセパレータ(日本鋼管(株)製ポリビニルアルコール系合成紙、厚み50μm)を介して重ね合わせて電気化学素子を得た。シリンダー型キャパシタ用としては、一対のシート状電極を間にセパレータを挟み、全体を渦巻き状に巻回して電気化学素子を得た。   For a coin-type capacitor, an electrochemical element was obtained by laminating a pair of sheet-like electrodes via a separator (polyvinyl alcohol-based synthetic paper manufactured by Nippon Steel Pipe Co., Ltd., thickness 50 μm). For a cylindrical capacitor, a pair of sheet electrodes was sandwiched between separators, and the whole was spirally wound to obtain an electrochemical element.

(e)ハウジング
コイン型またはシリンダー型のケースに、上記電気化学素子を電解液とともにハウジングし、電気化学素子を完成させた。
(f)評価
得られた電気化学素子の充放電特性を評価した。評価は、実用化を想定した放電レートを用い、85℃、45℃、25℃、0℃、または−20℃の温度で行った。
(E) Housing The electrochemical element was housed in a coin-type or cylinder-type case together with an electrolytic solution to complete the electrochemical element.
(F) Evaluation The charge / discharge characteristics of the obtained electrochemical device were evaluated. The evaluation was performed at a temperature of 85 ° C., 45 ° C., 25 ° C., 0 ° C., or −20 ° C. using a discharge rate assumed for practical use.

従来のルテニウム化合物を用いた電気化学素子は主として酸化ルテニウムを含むが、酸化ルテニウムは高価であるため、酸化ルテニウムがアイランド状に薄く分散して担持されていた。そのため、前記電気化学素子は初期性能には優れるものの、充放電を繰り返すと活性炭と酸化ルテニウムが剥離するという現象が観察され、実用化には至らなかった。これに対し、本発明における層状ルテニウム酸化合物は結晶性に優れ、これを用いた電気化学素子は長期に安定な充放電特性を示した。   A conventional electrochemical element using a ruthenium compound mainly contains ruthenium oxide. However, since ruthenium oxide is expensive, ruthenium oxide is thinly dispersed and supported in an island shape. For this reason, although the electrochemical element was excellent in initial performance, a phenomenon in which activated carbon and ruthenium oxide were separated when charge and discharge were repeated was observed, and did not reach practical use. On the other hand, the layered ruthenate compound in the present invention has excellent crystallinity, and the electrochemical device using the compound has stable charge / discharge characteristics for a long period of time.

本実施例においては、アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を用いた電気化学スーパーキャパシタ用電極を作製し、その電気化学キャパシタ容量を評価した。
プロトン型層状ルテニウム酸水和物の代わりにアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を用いて実施例2と同様の方法で電極を製法し、0.5M硫酸電解液を電解液として用いた場合のキャパシタンスを求めた。結果を表12に示す。プロトン型層状ルテニウム酸水和物を用いた場合と比較すると、2倍のキャパシタンスが得られた。
In this example, an electrode for an electrochemical supercapacitor using an alkylammonium-layered ruthenic acid interlayer compound was prepared, and the capacity of the electrochemical capacitor was evaluated.
An electrode was produced in the same manner as in Example 2 using an alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound instead of the protonated layered ruthenic acid hydrate, and the capacitance when a 0.5 M sulfuric acid electrolyte was used as the electrolyte. I asked. Table 12 shows the results. As compared with the case where the proton-type layered ruthenic acid hydrate was used, twice the capacitance was obtained.

プロトン型層状ルテニウム酸水和物よりアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物のほうが大きいキャパシタンスが得られるのは、アルキルアンモニウムにより層間が拡張され、電解液中のプロトンとのイオン交換後もその拡張された層間によって電解液の浸透が促進されることに起因するからである。   The reason that the alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound obtains a larger capacitance than the proton-type layered ruthenic acid hydrate is that the interlayer is expanded by the alkylammonium and is expanded even after ion exchange with protons in the electrolyte. This is because the penetration of the electrolyte solution is promoted by the interlayer.

本実施例においては、コロイド状ルテニウム酸ナノシート(ルテニウム酸ナノシートを含むコロイド)を用いた電気化学スーパーキャパシタ用電極を作製し、電気化学キャパシタ容量を評価した。
上記実施例1と同様にして得たテトラブチルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を高誘電率溶媒であるメタノールに分散することにより、個々のルテニウム酸ナノシートが結晶構造を保持したまま孤立分散したコロイド状ルテニウム酸ナノシートを得た。このコロイドにおいては、ルテニウム酸ナノシートが分散媒中に安定的に分散しており、膨潤性粘土に類似した性質を有した。
In this example, an electrode for an electrochemical supercapacitor using a colloidal ruthenate nanosheet (a colloid containing a ruthenate nanosheet) was prepared, and the capacity of the electrochemical capacitor was evaluated.
By dispersing the tetrabutylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound obtained in the same manner as in Example 1 in methanol, which is a high dielectric constant solvent, individual ruthenate nanosheets are isolated and dispersed while maintaining the crystal structure. A ruthenate nanosheet was obtained. In this colloid, the ruthenate nanosheet was stably dispersed in the dispersion medium, and had properties similar to swellable clay.

このようにしてルテニウム酸ナノシートを含むコロイド溶液を、グラッシーカーボンロッド表面に塗布し、ルテニウム酸ナノシートで修飾した電極(ナノシート修飾電極)を形成した。すなわちルテニウム酸ナノシートを含むコロイド溶液をグラッシーカーボンロッド表面に滴下し、乾燥した後、前述のパーフルオロカルボン酸イオノマーを滴下し、乾燥して作製した。得られたナノシート修飾電極を、実施例2と同様の条件下において走査速度50mV/sで走査し、CV特性を調べた。得られたCV曲線を図24にaで示した。比較として、ナノシート化していない通常のHRO(プロトン型層状ルテニウム酸水和物)粒子およびルチル型酸化ルテニウムナノ粒子のCVをそれぞれbおよびcで示した。   Thus, the colloid solution containing the ruthenate nanosheet was applied to the surface of the glassy carbon rod to form an electrode modified with the ruthenate nanosheet (nanosheet-modified electrode). That is, a colloid solution containing a ruthenate nanosheet was dropped on the surface of a glassy carbon rod and dried, and then the above-mentioned perfluorocarboxylic acid ionomer was dropped and dried to prepare a product. The obtained nanosheet-modified electrode was scanned at a scanning speed of 50 mV / s under the same conditions as in Example 2 to examine the CV characteristics. The obtained CV curve is shown by a in FIG. For comparison, CVs of ordinary HRO (proton-type layered ruthenic acid hydrate) particles and rutile-type ruthenium oxide nanoparticles which are not formed into nanosheets are shown by b and c, respectively.

ルテニウム酸ナノシートを用いたナノシート修飾電極のCV曲線の形状は、層状ルテニウム酸水和物を用いた場合のCV曲線の形状と本質的には同等である。ただし、前者の場合、酸化還元反応によるレドックス容量成分が高速走査時においても明瞭に観測され、酸化還元反応の全容量への寄与が増加している。ナノシート修飾電極ではルテニウム酸ナノシートが再積層時に乱れた構造を形成し、プロトンの拡散抵抗が減少し、層間への電解液の浸透がよりスムーズに行われたものと考えられる。その結果、表13に示すように、ルテニウム酸ナノシートを用いると高速充放電時でも良好なスーパーキャパシタ特性が得られ、層状ルテニウム酸よりもさらにハイパワー大容量用途に対応できる。   The shape of the CV curve of the nanosheet-modified electrode using the ruthenate nanosheet is essentially the same as the shape of the CV curve when the layered ruthenate hydrate is used. However, in the former case, the redox capacity component due to the oxidation-reduction reaction is clearly observed even during high-speed scanning, and the contribution of the oxidation-reduction reaction to the total capacity is increasing. It is considered that in the nanosheet-modified electrode, the ruthenate nanosheets formed a disordered structure during re-lamination, the diffusion resistance of protons was reduced, and the permeation of the electrolyte between the layers was performed more smoothly. As a result, as shown in Table 13, when the ruthenic acid nanosheet is used, good supercapacitor characteristics can be obtained even at the time of high-speed charge / discharge, and it is possible to cope with high-power large-capacity applications more than layered ruthenate.

本実施例においては、各種キャパシタを比較した。活性炭電極を用いた市販の電気二重層キャパシタ、ルチル型酸化ルテニウムを用いた電気化学キャパシタ、ならびに代表的な本発明に係る電気化学キャパシタIおよびIIを比較するため、それぞれ直径20mm、厚さ1.6mmのコイン型セルを組み立て、単位質量当たりと単位体積当たりの容量を計測した。その結果を、表14に示した。表14中、水系としては硫酸、塩酸もしくは過塩素酸などの酸性電解液、またはKOH、NaOHもしくはLiOHなどのアルカリ性電解液の使用が可能であるが、ここでは、8NのKOH水溶液を用いた。   In this example, various capacitors were compared. In order to compare a commercially available electric double-layer capacitor using an activated carbon electrode, an electrochemical capacitor using rutile-type ruthenium oxide, and typical electrochemical capacitors I and II according to the present invention, each has a diameter of 20 mm and a thickness of 1. A 6 mm coin cell was assembled, and the capacity per unit mass and per unit volume was measured. Table 14 shows the results. In Table 14, as the aqueous system, an acidic electrolyte such as sulfuric acid, hydrochloric acid, or perchloric acid, or an alkaline electrolyte such as KOH, NaOH, or LiOH can be used. Here, an 8N KOH aqueous solution was used.

キャパシタIおよびIIを実施例4の方法で作製した。表14からわかるように、本発明に係るキャパシタは、従来のルチル型の8〜11倍、電気二重層キャパシタの2〜3倍の質量容量を有し、従来のルチル型の5〜8倍、電気二重層キャパシタの9〜12倍の体積容量を有するという優れた結果が得られた。   Capacitors I and II were produced by the method of Example 4. As can be seen from Table 14, the capacitor according to the present invention has a mass capacity 8 to 11 times that of the conventional rutile type, 2 to 3 times that of the electric double layer capacitor, and 5 to 8 times that of the conventional rutile type. An excellent result of having a volume capacity 9 to 12 times that of the electric double layer capacitor was obtained.

本実施例においては、ルテニウム酸ナノシートを用いた燃料電池用電極触媒を作製し、その一酸化炭素酸化特性およびメタノール酸化特性を調べた。
実施例6と同様にして調製したコロイド状ルテニウム酸溶液に白金系電極触媒(白金担持炭素)を添加し、乾燥させ、ルテニウム酸ナノシート担持触媒(以下、HRO−NS/Pt/Cという)を調製した。このようにして調製した電極触媒で、集電体であるグラッシー・カーボンロッドを修飾し、実施例6と同様の方法で電極を作製した。また、比較のために白金担持炭素(Pt/C)触媒を用いて電極を作製した。
In this example, an electrode catalyst for a fuel cell using a ruthenate nanosheet was prepared, and its carbon monoxide oxidation property and methanol oxidation property were examined.
A platinum-based electrode catalyst (platinum-supported carbon) was added to the colloidal ruthenic acid solution prepared in the same manner as in Example 6 and dried to prepare a ruthenate nanosheet-supported catalyst (hereinafter, referred to as HRO-NS / Pt / C). did. A glassy carbon rod as a current collector was modified with the electrode catalyst thus prepared, and an electrode was produced in the same manner as in Example 6. For comparison, an electrode was prepared using a platinum-supported carbon (Pt / C) catalyst.

1Mメタノール存在下、0.5M硫酸中の0.5V(vs.RHE)におけるメタノール酸化電流を30分後に測定したところ、HRO−NS/Pt/Cの方がPt/Cと比べてより高い電流密度が得られた。HRO−NS/Pt/Cの場合は21A/g−Ptであったのに対して、Pt/Cの場合は2A/g−Ptであった。このことは、本発明に係るナノシート担持触媒がメタノール酸化電極触媒として好適であることを示し、HRO−NSが耐CO被毒性を付与する助触媒として機能していると考えられる。これは、0.5M硫酸電解液中におけるHRO−NS/Pt/C(RuO2:Pt=1:1(モル比)、Pt:C=30:70(質量比))およびPt/C(Pt:C=30:70(質量比))に飽和吸着させたCOの電解酸化挙動の違いにより説明することができる。 When the methanol oxidation current at 0.5 V (vs. RHE) in 0.5 M sulfuric acid in the presence of 1 M methanol was measured after 30 minutes, HRO-NS / Pt / C had a higher current than Pt / C. Density was obtained. In the case of HRO-NS / Pt / C, it was 21 A / g-Pt, whereas in the case of Pt / C, it was 2 A / g-Pt. This indicates that the nanosheet-supported catalyst according to the present invention is suitable as a methanol oxidation electrode catalyst, and it is considered that HRO-NS functions as a cocatalyst that imparts resistance to CO poisoning. This is because HRO-NS / Pt / C (RuO 2 : Pt = 1: 1 (molar ratio), Pt: C = 30: 70 (mass ratio)) and Pt / C (Pt) in a 0.5 M sulfuric acid electrolyte solution. : C = 30: 70 (mass ratio)).

HRO−NS/Pt/CによるCOの電解酸化は約0.44V(vs.RHE)で開始されるが、Pt/Cの場合は約0.62V(vs.RHE)以上の高い電位でCOの電解酸化が開始する。COは、メタノールを燃料として用いる場合やメタノールまたは都市ガスなどの改質燃料を用いる場合に、Pt表面を被毒することが知られており、CO被毒耐性が優れていれば触媒利用率が増加していることを意味する。HRO−NS/Pt/Cの場合、吸着COを酸化させるOH種がHRO表面上にあるため、COが容易に酸化されると考えられる。   The electro-oxidation of CO by HRO-NS / Pt / C is started at about 0.44 V (vs. RHE). In the case of Pt / C, CO is electro-oxidized at a high potential of about 0.62 V (vs. RHE) or more. Electrolytic oxidation starts. It is known that CO poisons the Pt surface when methanol is used as a fuel or when a reformed fuel such as methanol or city gas is used. It means that it is increasing. In the case of HRO-NS / Pt / C, it is considered that CO is easily oxidized because OH species that oxidize adsorbed CO are present on the HRO surface.

本発明は、1nm以下の厚みの結晶構造を有するルテニウム酸ナノシート、ならびにこのナノシートが積層した構造を有する層状ルテニウム酸化合物を提供する。本発明に係る前記ナノシートおよび層状ルテニウム酸化合物は、電荷貯蓄能が従来の酸化ルテニウムに比べて大きく、電気化学素子の電極として有用である。さらに、本発明に係る前記ナノシートおよび層状ルテニウム酸化合物は、電気化学素子にとどまらず、高分子電解質型燃料電池の電極、光触媒および色素増感湿式太陽電池などへの応用も可能である。   The present invention provides a ruthenate nanosheet having a crystal structure with a thickness of 1 nm or less, and a layered ruthenate compound having a structure in which the nanosheets are stacked. The nanosheet and the layered ruthenate compound according to the present invention have a larger charge storage ability than conventional ruthenium oxide, and are useful as electrodes of electrochemical devices. Further, the nanosheet and the layered ruthenate compound according to the present invention can be applied not only to electrochemical devices but also to electrodes of polymer electrolyte fuel cells, photocatalysts, dye-sensitized wet solar cells, and the like.

本発明におけるカリウム型層状ルテニウム酸の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron microscope photograph of potassium type layered ruthenic acid in the present invention. 図1に示す走査型電子顕微鏡写真の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of the scanning electron microscope photograph shown in FIG. 1. 本発明におけるカリウム型層状ルテニウム酸の粉末X線回折(XRD)パターンである。It is a powder X-ray diffraction (XRD) pattern of the potassium-type layered ruthenic acid in this invention. 本発明におけるカリウム型層状ルテニウム酸の電子線回折図形である。3 is an electron diffraction pattern of potassium-type layered ruthenic acid in the present invention. 本発明におけるカリウム型層状ルテニウム酸の透過型電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron microscope photograph of potassium type layered ruthenic acid in the present invention. 本発明におけるセシウム型層状ルテニウム酸の粉末X線回折(XRD)パターンである。1 is a powder X-ray diffraction (XRD) pattern of a cesium-type layered ruthenic acid in the present invention. 本発明におけるプロトン型層状ルテニウム酸水和物の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the proton type layered ruthenic acid hydrate in this invention. 図7に示す走査型電子顕微鏡写真の拡大図である。FIG. 8 is an enlarged view of the scanning electron microscope photograph shown in FIG. 7. 本発明におけるプロトン型層状ルテニウム酸水和物の粉末X線回折(XRD)パターンである。It is a powder X-ray diffraction (XRD) pattern of the proton type layered ruthenic acid hydrate in the present invention. 本発明におけるプロトン型層状ルテニウム酸水和物の電子線回折図形である。It is an electron-beam-diffraction figure of the proton type layered ruthenic acid hydrate in this invention. 本発明におけるプロトン型層状ルテニウム酸水和物の透過型電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph of the proton type layered ruthenic acid hydrate in the present invention. 本発明におけるセチルトリメチルアンモンニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the cetyltrimethylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound in this invention. 本発明におけるエチルアンモンニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の粉末X線回折図形である。It is a powder X-ray diffraction pattern of the ethylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound in the present invention. 本発明におけるテトラブチルアンモンニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の粉末X線回折図形である。It is a powder X-ray diffraction pattern of the tetrabutylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound in the present invention. 本発明におけるセチルトリメチルアンモンニウム−層状ルテニウム酸層間化合物の粉末X線回折図形である。1 is a powder X-ray diffraction pattern of cetyltrimethylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound in the present invention. 本発明に係るルテニウム酸ナノシートの走査型電子顕微鏡写真である。4 is a scanning electron micrograph of a ruthenate nanosheet according to the present invention. 本発明に係るルテニウム酸ナノシートを再積層して得た配向薄膜の粉末X線回折図形である。4 is a powder X-ray diffraction pattern of an oriented thin film obtained by re-stacking the ruthenate nanosheet according to the present invention. 本発明におけるHRO/GC電極の500mV/s走査時のサイクリックボルタモグラムである。5 is a cyclic voltammogram of the HRO / GC electrode according to the present invention at the time of scanning at 500 mV / s. 本発明におけるHRO/GC電極の200mV/s走査時のサイクリックボルタモグラムである。5 is a cyclic voltammogram of the HRO / GC electrode according to the present invention at the time of scanning at 200 mV / s. 本発明におけるHRO/GC電極の50mV/s走査時のサイクリックボルタモグラムである。5 is a cyclic voltammogram of the HRO / GC electrode according to the present invention at the time of scanning at 50 mV / s. 本発明におけるHRO/GC電極の20mV/s走査時のサイクリックボルタモグラムである。5 is a cyclic voltammogram of the HRO / GC electrode according to the present invention at the time of scanning at 20 mV / s. 本発明におけるHRO/GC電極の5mV/s走査時のサイクリックボルタモグラムである。5 is a cyclic voltammogram of the HRO / GC electrode according to the present invention when scanning at 5 mV / s. 本発明におけるHRO/GC電極の2mV/s走査時のサイクリックボルタモグラムである。4 is a cyclic voltammogram of the HRO / GC electrode according to the present invention when scanning at 2 mV / s. 本発明に係るナノシート修飾電極の50mV/s走査時のサイクリックボルタモグラムである。5 is a cyclic voltammogram of the nanosheet-modified electrode according to the present invention at the time of scanning at 50 mV / s.

Claims (12)

1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシート。   A ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less. 式(1):[RuO2+0.5xx- (1)
で表される請求項1記載のルテニウム酸ナノシート。
Formula (1): [RuO 2 + 0.5x ] x- (1)
The ruthenate nanosheet according to claim 1, which is represented by the following formula:
請求項1または2記載のルテニウム酸ナノシートが積層して構成された層状ルテニウム酸化合物。   A layered ruthenate compound formed by laminating the ruthenate nanosheets according to claim 1. X線回折図形において(00L)の各面(ただし0≦θ(CuKα)≦90°の範囲においてL=1〜nであり、nは基本面間隔によって決まり5≦n≦35を満たす。)に回折ピークを有する請求項3記載の層状ルテニウム酸化合物。   In the X-ray diffraction pattern, each plane is (00L) (provided that L = 1 to n in the range of 0 ≦ θ (CuKα) ≦ 90 °, and n is determined by the basic plane distance and satisfies 5 ≦ n ≦ 35). The layered ruthenate compound according to claim 3, which has a diffraction peak. 請求項1記載のルテニウム酸ナノシートおよび/または請求項3記載の層状ルテニウム酸化合物と溶媒とを含むコロイド状ルテニウム酸化合物。   A colloidal ruthenate compound comprising the ruthenate nanosheet according to claim 1 and / or the layered ruthenate compound according to claim 3 and a solvent. 請求項1記載のルテニウム酸ナノシートを含む電極を有する電気化学素子。   An electrochemical device having an electrode comprising the ruthenate nanosheet according to claim 1. (a)酸化ルテニウムとアルカリ金属化合物とを混合し、得られた混合物を焼成または溶融することによって、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートを含むアルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を得る工程、
(b)前記アルカリ金属型層状ルテニウム酸化合物を酸性溶液中で処理し、アルカリ金属の少なくとも一部をプロトンで交換してプロトン型層状ルテニウム酸水和物を得る工程、
(c)前記プロトン型層状ルテニウム酸水和物にアルキルアンモニウムまたはアルキルアミンを反応させてアルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を得る工程、ならびに
(d)前記アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を溶媒と混合し、1nm以下の厚みを有するルテニウム酸ナノシートを含むコロイドを得る工程を含むルテニウム酸ナノシートの製造方法。
(A) mixing ruthenium oxide and an alkali metal compound and calcining or melting the resulting mixture to obtain an alkali metal-type layered ruthenate compound containing a ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less;
(B) a step of treating the alkali metal-type layered ruthenate compound in an acidic solution and exchanging at least a part of the alkali metal with protons to obtain a proton-type layered ruthenate hydrate;
(C) reacting the proton-type layered ruthenic acid hydrate with alkylammonium or alkylamine to obtain an alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound; and (d) using the alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound as a solvent. A method for producing a ruthenate nanosheet, comprising a step of mixing to obtain a colloid containing a ruthenate nanosheet having a thickness of 1 nm or less.
前記工程(a)が、酸化ルテニウムとアルカリ金属塩とを混合し、得られた混合物を700〜900℃で焼成する工程である請求項7記載のルテニウム酸ナノシートの製造方法。   The method for producing a ruthenate nanosheet according to claim 7, wherein the step (a) is a step of mixing ruthenium oxide and an alkali metal salt and firing the resulting mixture at 700 to 900 ° C. 前記工程(a)が、酸化ルテニウムとアルカリ金属水酸化物とを混合し、得られた混合物を500〜700℃で溶融させる工程である請求項7記載のルテニウム酸ナノシートの製造方法。   The method for producing a ruthenate nanosheet according to claim 7, wherein the step (a) is a step of mixing ruthenium oxide and an alkali metal hydroxide and melting the resulting mixture at 500 to 700 ° C. 前記工程(c)が、プロトン型層状ルテニウム酸水和物に(R)mNH4-mまたは(R)m-p(R’)pNH4-m(式中、RおよびR’はCH3(CH2)q、m=0〜4、p=0〜3、q=0〜18)で表されるアルキルアンモニウムを反応させる工程である請求項7記載のルテニウム酸ナノシートの製造方法。 In the step (c), (R) m NH 4-m or (R) mp (R ′) p NH 4-m (where R and R ′ are CH 3 ( CH 2) q, m = 0~4 , p = 0~3, q = 0~18) in the production method of the ruthenium acid nanosheets according to claim 7, wherein the alkylammonium is a step of reacting represented. 前記工程(c)が、プロトン型層状ルテニウム酸水和物に(R)mNH3-mまたは(R)m-p(R’)pNH3-m(式中、RおよびR’はCH3(CH2)q、m=0〜3、p=0〜2、q=0〜18)で表されるアルキルアミンを反応させる工程である請求項7記載のルテニウム酸ナノシートの製造方法。 In the step (c), the proton-type layered ruthenic acid hydrate is converted into (R) m NH 3-m or (R) mp (R ′) p NH 3-m (where R and R ′ are CH 3 ( CH 2) q, m = 0~3 , p = 0~2, q = 0~18) in the production method of the ruthenium acid nanosheets according to claim 7 wherein the alkyl amine is a step of reacting represented. 前記工程(d)が、アルキルアンモニウム−層状ルテニウム酸層間化合物を、水、アルコール、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびプロピレンカーボネートよりなる群から選択される少なくとも1種の溶媒と混合してコロイドを得る工程である請求項7記載のルテニウム酸ナノシートの製造方法。   In the step (d), an alkylammonium-layered ruthenic acid intercalation compound is mixed with at least one solvent selected from the group consisting of water, alcohol, acetonitrile, dimethylsulfoxide, dimethylformamide and propylene carbonate to obtain a colloid. The method for producing a ruthenate nanosheet according to claim 7, which is a step.
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