JP2005104044A - Charging/discharging material - Google Patents

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JP2005104044A JP2003342349A JP2003342349A JP2005104044A JP 2005104044 A JP2005104044 A JP 2005104044A JP 2003342349 A JP2003342349 A JP 2003342349A JP 2003342349 A JP2003342349 A JP 2003342349A JP 2005104044 A JP2005104044 A JP 2005104044A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a charging/discharging material which has a high capacity and a high diffusion constant. <P>SOLUTION: This charging/discharging material comprises a conductive base material and a coating film including a hollow fiber formed on the base material and made of a chemical compound containing a titanium element. In addition, the major axis of the hollow fiber is orientated in parallel with the conductive base material and a cation can be reversibly intercalated and eliminated. Thus it is possible to obtain the charging/discharging material which shows the peak of oxidation current of not less than 0.6 mA/unit area at an intercalation/elimination rate of 400 mV/s when a proton is intercalated and eliminated. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、充放電材料に関する。本発明は電池材料、プロトン伝導体、エレクトロクロミズム素子、フォトクロミック素子、電気化学センサー、イオン固定化材、防錆部材等の技術にも適用できる。   The present invention relates to charge / discharge materials. The present invention can also be applied to technologies such as battery materials, proton conductors, electrochromic elements, photochromic elements, electrochemical sensors, ion immobilization materials, and rust prevention members.

材料の酸化還元反応が伴うインターカレーションを利用した現象として、電池やフォトクロミック、エレクトロクロミック特性などが知られている。例えば、酸化チタンはエレクトロクロミズム、フォトクロミック特性を示す材料として知られている(たとえば、非特許文献1参照)。エレクトロクロミックを起こすためには、酸化チタン電極をカソード分極して、プロトンやリチウムを酸化物中にインターカレートし、結果として酸化物自体が還元されるために着色する。これらの材料はいずれも多結晶の電極として検討されている。カチオンとの接触面積を上げるため、これらの材料のポーラス化が検討されてきた。     Batteries, photochromics, electrochromic characteristics, and the like are known as phenomena using intercalation accompanied by oxidation-reduction reactions of materials. For example, titanium oxide is known as a material exhibiting electrochromic and photochromic characteristics (see, for example, Non-Patent Document 1). In order to cause electrochromic, the titanium oxide electrode is subjected to cathodic polarization to intercalate protons and lithium into the oxide, resulting in coloration because the oxide itself is reduced. All of these materials have been studied as polycrystalline electrodes. In order to increase the contact area with cations, the porous formation of these materials has been studied.

粒子の形状を中空状ファイバにすることによって、外系との接触面積が大きくなるため、更なる充放電特性の向上が期待できる。酸化チタンないしチタン酸の中空状ファイバに関しては、粉末状の材料については既に報告されている(たとえば、特許文献1、非特許文献2参照)。しかしながら、中空ファイバを基材に形成された例は報告されていない。前記先行例の中空ファイバは溶媒への分散性が悪いために、均一な被膜を形成させることが困難であった。
N. Sakai et al. J. Electrochem. Soc., 148, E395 (2001) 特開平10-152323号公報 L. M. Peng et al., Adv. Mater. 14, 1208 (2002)
By making the shape of the particles into a hollow fiber, the contact area with the outer system is increased, and therefore further improvement in charge / discharge characteristics can be expected. Regarding hollow fibers of titanium oxide or titanic acid, powder materials have already been reported (for example, see Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). However, an example in which a hollow fiber is used as a base material has not been reported. Since the hollow fiber of the preceding example has poor dispersibility in a solvent, it is difficult to form a uniform film.
N. Sakai et al. J. Electrochem. Soc., 148, E395 (2001) Japanese Patent Laid-Open No. 10-152323 LM Peng et al., Adv. Mater. 14, 1208 (2002)

キャパシティーが大きく、かつ拡散係数の高い充放電材料を提供する。
Provided is a charge / discharge material having a large capacity and a high diffusion coefficient.

導電性基材と、チタン元素を含む化合物からなる中空ファイバを含む被膜からなり、前記中空ファイバの長軸が導電性基材に対して平行に配向し、前記中空ファイバにカチオンが可逆的に挿入、脱離可能であることを特徴とする充放電材料を提供する。   Consists of a coating containing a conductive substrate and a hollow fiber made of a compound containing titanium element, the long axis of the hollow fiber is oriented parallel to the conductive substrate, and cations are reversibly inserted into the hollow fiber. Provided is a charge / discharge material that is detachable.

中空ファイバは表面積が大きいため、充電時のキャパシティーが大きく、充放電時のカチオンの拡散係数が高い。また、前記中空ファイバの長軸を導電性基材に対して平行に配向させることで、被膜の密着強度が向上し、導電性基材とのコンタクトも増加する。   Since the hollow fiber has a large surface area, it has a large capacity during charging and a high cation diffusion coefficient during charging and discharging. Further, by orienting the long axis of the hollow fiber in parallel with the conductive substrate, the adhesion strength of the coating is improved and the contact with the conductive substrate is also increased.

本発明によれば、電池材料、プロトン伝導体、エレクトロクロミズム素子、フォトクロミック素子、電気化学センサー、イオン固定化材、防錆部材等、様々な用途へと適用することが可能な充放電材料を提供できる。   According to the present invention, there is provided a charge / discharge material that can be applied to various uses such as battery materials, proton conductors, electrochromic elements, photochromic elements, electrochemical sensors, ion immobilization materials, and rust prevention members. it can.

本発明で言う充放電材料とは、カチオンの挿入、脱離によって、材料自身の酸化還元を誘起し、一時的にエネルギーを蓄えたり放出したりする材料のことを言う。この特性は電池、エレクトロクロミズム、フォトクロミック、電気化学センサー、イオン固定化、防錆等の機能の発現に必要な特性である。
本発明の充放電材料は、導電性基材と、チタン元素を含む化合物からなる中空ファイバを含む被膜からなり、前記中空ファイバの長軸が導電性基材に対して平行方向に配向している。中空ファイバが導電性基材に対して平行に配向していることで、密着強度が高く、電極とのコンタクトも多く取れるメリットがある。前記中空ファイバが導電性基材に対して配向しているかどうかは、例えば、表面や破断面を走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、原子間力顕微鏡(AFM)等で確認することができる。
The charge / discharge material referred to in the present invention refers to a material that induces redox of the material itself by insertion and desorption of cations, and temporarily stores and releases energy. This characteristic is necessary for the functions such as battery, electrochromism, photochromic, electrochemical sensor, ion immobilization, and rust prevention.
The charge / discharge material of the present invention comprises a conductive substrate and a coating containing a hollow fiber made of a compound containing titanium element, and the long axis of the hollow fiber is oriented in a direction parallel to the conductive substrate. . Since the hollow fibers are oriented parallel to the conductive base material, there are advantages in that the adhesion strength is high and that many contacts with the electrodes can be obtained. Whether the hollow fiber is oriented with respect to the conductive substrate can be determined, for example, by scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), atomic force microscope (AFM), etc. Can be confirmed.

本発明の充放電材料に挿入、脱離するカチオンは有機溶媒や水溶液中に電離していても良いし、ゲル上の電解質、固体電解質でもよい。   The cations inserted into and desorbed from the charge / discharge material of the present invention may be ionized in an organic solvent or an aqueous solution, or may be an electrolyte on a gel or a solid electrolyte.

本発明に係る導電性基材として、電気伝導性を有していれば材質を問わず、例えば、銅、鉄、白金、金、銀、亜鉛、ニッケル、パラジウム、タングステン、鉛、コバルト、アルミニウム、シリコン、カーボンからなる群より選択される少なくとも一種類の金属を含有させることで電気伝導性をもたせたものが使用できる。
また、導電性基材として、金属およびフッ素をドープした酸化インジウム、金属およびフッ素をドープした酸化スズ、酸素欠陥を有する酸化スズ、酸素欠陥を有する酸化亜鉛からなる群より選択される少なくとも一つの透明な導電性化合物を含有させたものも使用できる。
As a conductive base material according to the present invention, any material can be used as long as it has electrical conductivity. For example, copper, iron, platinum, gold, silver, zinc, nickel, palladium, tungsten, lead, cobalt, aluminum, A material imparted with electrical conductivity by containing at least one metal selected from the group consisting of silicon and carbon can be used.
Further, the conductive substrate is at least one transparent selected from the group consisting of indium oxide doped with metal and fluorine, tin oxide doped with metal and fluorine, tin oxide having oxygen defects, and zinc oxide having oxygen defects Those containing various conductive compounds can also be used.

本発明に係るチタン元素を含む化合物は酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種である。本発明に係るチタン元素を含む化合物が酸化チタンの場合、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型、TiO2(B)が好適に使用できる。本発明に係るチタン元素を含む化合物がチタン酸塩の場合、三チタン酸、四チタン酸、五チタン酸、六チタン酸、七チタン酸、八チタン酸等のプロトンを含む多価チタン酸や、チタン酸カリウム、チタン酸カルシウム、チタン酸セシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸アルミニウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム等の多価チタン酸塩であっても構わない。特に好ましい態様においては、チタン元素を含む化合物は巻物状の層状のトリチタン酸で構成されている。前記巻物状の層状のトリチタン酸は、層状構造のためカチオンの拡散係数が高い。 The compound containing a titanium element according to the present invention is at least one selected from titanium oxide, titanium hydroxide, titanate, and amorphous titanium oxide. When the compound containing the titanium element according to the present invention is titanium oxide, rutile type, anatase type, brookite type, and TiO 2 (B) can be preferably used. When the compound containing the titanium element according to the present invention is titanate, polytitanic acid containing protons such as trititanic acid, tetratitanic acid, pentatitanic acid, hexatitanic acid, heptitanic acid, octatitanic acid, Polyvalent titanates such as potassium titanate, calcium titanate, cesium titanate, sodium titanate, magnesium titanate, aluminum titanate, strontium titanate, and barium titanate may be used. In a particularly preferred embodiment, the compound containing titanium element is composed of a scroll-like layered trititanic acid. The scroll-like layered trititanic acid has a high cation diffusion coefficient due to its layered structure.

前記中空ファイバの作製方法としては、例えば、酸化チタン粒子を水酸化ナトリウム水溶液中において、水熱処理する方法が好ましく用いられる。   As a method for producing the hollow fiber, for example, a method of hydrothermally treating titanium oxide particles in a sodium hydroxide aqueous solution is preferably used.

本発明に係る中空ファイバに挿入、脱離可能なカチオンは、Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+のいずれかのアルカリ金属のイオンが好適に使用することができる。特に好ましい態様においては、プロトン(H+)を使用する。プロトンはイオン半径が小さいために、挿入、脱離が容易であり、前記チタン元素を含む化合物との親和性も高い。 As the cation that can be inserted into and removed from the hollow fiber according to the present invention, an alkali metal ion of Li + , Na + , K + , Rb + , or Cs + can be preferably used. In a particularly preferred embodiment, protons (H + ) are used. Since protons have a small ionic radius, protons can be easily inserted and desorbed, and have a high affinity for compounds containing the titanium element.

本発明の充放電材料において、プロトンを挿入、脱離する際の酸化電流のピークが挿引速度400mV/secにおいて、単位面積あたり0.6mA以上である。酸化電流のピークはプロトンの充電量や拡散速度の指標として使用することができる。本発明の更に好ましい態様においては、前記酸化電流のピークは1.2mA以上である。酸化電流のピークが1.2mA以上となると、良好な充放電特性を発現する。酸化電流は、例えば、プロトンを含む水溶液中でサイクリックボルタングラムを測定することで求めることができる。   In the charge / discharge material of the present invention, the peak of the oxidation current when protons are inserted and desorbed is 0.6 mA or more per unit area at an insertion rate of 400 mV / sec. The peak of the oxidation current can be used as an indicator of proton charge amount and diffusion rate. In a further preferred embodiment of the present invention, the peak of the oxidation current is 1.2 mA or more. When the peak of the oxidation current is 1.2 mA or more, good charge / discharge characteristics are exhibited. The oxidation current can be determined, for example, by measuring a cyclic voltammogram in an aqueous solution containing protons.

本発明の充放電材料において、前記プロトン充電量の指標として、カソード分極後の可視光領域の吸光度を好適に使用することもできる。カソード分極してプロトンをインターカレートすると、4価チタンイオン(Ti4+)が還元され、3価のチタンイオン(Ti3+)が生成する。Ti3+の準位はバンド構造の禁制帯内に生成するため、400nm〜900nmの可視光領域に吸収が発現し、目視にて黒に着色する。可視光の吸収量は、例えば分光光度計によって測定することができる。 In the charge / discharge material of the present invention, the absorbance in the visible light region after cathodic polarization can also be suitably used as an indicator of the proton charge amount. When protons are intercalated by cathodic polarization, tetravalent titanium ions (Ti 4+ ) are reduced and trivalent titanium ions (Ti 3+ ) are generated. Since the level of Ti 3+ is generated in the forbidden band of the band structure, absorption appears in the visible light region of 400 nm to 900 nm, and it is colored black visually. The amount of visible light absorption can be measured by, for example, a spectrophotometer.

本発明に係る中空ファイバのサイズは、内径が3〜8nm、外径が8〜30nm、長さが100nm〜1μmの範囲である。前述したように、従来のTiO2コロイドと比較すると表面積が大きいために、カチオンの挿入、脱離に有利に働く。 The hollow fiber according to the present invention has an inner diameter of 3 to 8 nm, an outer diameter of 8 to 30 nm, and a length of 100 nm to 1 μm. As described above, since the surface area is larger than that of the conventional TiO 2 colloid, it works favorably for insertion and desorption of cations.

本発明に係る被膜の膜厚の範囲は、8nm〜10μmが好ましい。中空ファイバが単粒子で1層並んだ場合の膜厚が中空ファイバの外径(8nm)に相当する。また、膜厚を10μm以下であるとカチオンが十分に浸透するため、十分な充放電特性を発揮することができる。   The film thickness range of the coating according to the present invention is preferably 8 nm to 10 μm. The film thickness when a single layer of hollow fibers is arranged as a single particle corresponds to the outer diameter (8 nm) of the hollow fiber. Further, when the film thickness is 10 μm or less, cations sufficiently permeate, so that sufficient charge / discharge characteristics can be exhibited.

本発明の充放電材料を製造する方法として、特に好ましくは、前記中空ファイバが分散した溶液と、カチオン性ポリマーを含む溶液に対し、導電性基材を交互に浸漬することによって製造する。前記中空ファイバの表面はアニオン性なので、カチオン性のポリマーと交互に積層することによって、単粒子膜が容易に製造でき、浸漬回数によって精密な膜厚の制御が可能となる。   As the method for producing the charge / discharge material of the present invention, it is particularly preferred to produce the charge / discharge material by alternately immersing the conductive substrate in the solution in which the hollow fiber is dispersed and the solution containing the cationic polymer. Since the surface of the hollow fiber is anionic, a single particle film can be easily manufactured by alternately laminating with a cationic polymer, and the film thickness can be precisely controlled by the number of immersions.

前記製造方法において、中空ファイバが分散した溶液の作製方法として、例えば、前記中空ファイバを酸水溶液に接触させる工程の後、アミン水溶液に分散させることができる。酸水溶液に接触させることによって中空ファイバの内部ないし表面にプロトンが付加されて安定化し、その後、アミン水溶液を溶媒とすることで高度に分散した溶液を作製することができる。中空ファイバにプロトンを付加する方法として、中空ファイバを酸水溶液と接触させる方法が好適に用いられる。ここで用いる酸の種類としては、硝酸、塩酸、硫酸、過塩素酸、フッ酸、臭素酸、沃素酸、亜硝酸、酢酸、蓚酸などが挙げられる。アミン水溶液としては、たとえば、アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、n−プロピルアミン、イソプロピルアミン、n−ブチルアミン、tert−ブチルアミン、n−ペンチルアミン、n−ヘキシルアミン等のアルキルアミンやそのハロゲン酸塩、またはエチレンジアミン、プロパンジアミンなどのジアミン類からなる郡から選択される少なくとも一種を好適に使用することができる。更に好ましい態様においては、前記アミンとして、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラプロピルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウムなどの四級アンモニウム水酸化物のうち、少なくとも一項を好適に使用することができる。   In the manufacturing method, as a method for producing a solution in which hollow fibers are dispersed, for example, after the step of bringing the hollow fibers into contact with an acid aqueous solution, the hollow fibers can be dispersed in an aqueous amine solution. Proton is added to the inside or the surface of the hollow fiber by bringing it into contact with an acid aqueous solution and stabilized, and then a highly dispersed solution can be prepared by using an aqueous amine solution as a solvent. As a method for adding protons to the hollow fiber, a method in which the hollow fiber is brought into contact with an acid aqueous solution is preferably used. Examples of the acid used here include nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, perchloric acid, hydrofluoric acid, bromic acid, iodic acid, nitrous acid, acetic acid, and oxalic acid. Examples of the aqueous amine solution include, for example, ammonia, methylamine, ethylamine, n-propylamine, isopropylamine, n-butylamine, tert-butylamine, n-pentylamine, alkylamine such as n-hexylamine, and halogenated salts thereof, or At least one selected from the group consisting of diamines such as ethylenediamine and propanediamine can be preferably used. In a more preferred embodiment, at least one of quaternary ammonium hydroxides such as tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetrapropylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide is suitably used as the amine. can do.

前記製造方法において、カチオン性ポリマー水溶液として、ポリスチレンスルホン酸(PSS)ポリ塩化ジエチルジアリルアンモニウム(PDDA)、ポリエチレンイミン(PEI)、ポリビニルサルフェート(PVS)、ポリアリルアミン(PAH)等のポリマーが好適に使用することができる。カチオン性のポリマーを嵩高くするため、前記カチオン性ポリマー水溶液にNaCl、KCl等の塩を添加しても構わない。また、成膜後、前記カチオン性ポリマーを除去してもよい。中空ファイバの層間に存在するポリマーは、50℃〜600℃の熱処理によって取り除くことができる。   In the manufacturing method, as the cationic polymer aqueous solution, polymers such as polystyrene sulfonic acid (PSS) polydiethyldiallylammonium chloride (PDDA), polyethyleneimine (PEI), polyvinyl sulfate (PVS), polyallylamine (PAH) are preferably used. can do. In order to increase the bulk of the cationic polymer, a salt such as NaCl or KCl may be added to the aqueous cationic polymer solution. Further, after the film formation, the cationic polymer may be removed. The polymer existing between the layers of the hollow fiber can be removed by heat treatment at 50 ° C to 600 ° C.

前記製造方法のカチオン性ポリマーを除去する方法として、更に好ましくは紫外線の照射をおこなう。紫外線照射の工程は、熱処理と比較すると中空ファイバの構造が収縮しないため、紫外線照射によってカチオン性ポリマーを除去した充放電材料のプロトンの拡散速度は速い。   As a method for removing the cationic polymer in the production method, ultraviolet irradiation is more preferably performed. In the process of ultraviolet irradiation, the structure of the hollow fiber is not shrunk as compared with the heat treatment, so that the proton diffusion rate of the charge / discharge material from which the cationic polymer has been removed by ultraviolet irradiation is faster.

本発明の充放電材料はカチオンのキャパシティーが高く、移動度も高い。本発明の充放電材料は、電池、プロトン伝導体、エレクトロクロミズム素子、フォトクロミック素子、電気化学センサー、イオン固定化材、防錆部材等の様々な用途に適用することができる。
The charge / discharge material of the present invention has high cation capacity and high mobility. The charge / discharge material of the present invention can be applied to various uses such as batteries, proton conductors, electrochromic elements, photochromic elements, electrochemical sensors, ion immobilization materials, and rust prevention members.

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、これらの実施例になんら制限されるものではない。
1.充放電材料の作製
1−1.中空ファイバの作製
酸化チタン粉末(商品名P25、日本アエロジル(株)、平均一次粒子径約25nm、比表面積約55m2/g)0.64gを10M水酸化ナトリウム水溶液80mlに投入し、ガラス棒にて1分間攪拌することにより、白色懸濁液を得た。この白色懸濁液を100mlフッ素樹脂製容器に入れ、さらにステンレス製容器にこのフッ素樹脂製の容器を入れた。乾燥器の中にこのステンレス容器を入れて、110℃で20時間保持した。反応終了後、室温までステンレス容器を自然放冷させ、白色沈殿物を含む溶液を回収した。洗浄工程として、この白色沈殿物を含む溶液から、上澄み液をまずスポイトにて除去した。残った白色沈殿物に0.1M塩酸水溶液100mlを少量ずつ添加した。塩酸水溶液を全量添加後、室温(20℃)で3時間静置した。静置後、上澄み液を除去した。この洗浄工程を合計3回行い、上澄み液がpH7以下であることを確認した。これらの中和操作の後、残った白色沈殿物を蒸留水で2回洗浄することにより、白色粉末を得た。この白色粉末を走査型透過電子顕微鏡(日立製作所(株)、STEM S−5200)で観察したところ、15万倍の倍率において、この方法で得られる白色粉末が中空ファイバの集合体であり、各ファイバの中心部は直径3〜5nmの中空構造になっていることを確認した。
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, it is not restrict | limited to these Examples at all.
1. 1. Preparation of charge / discharge material 1-1. Production of hollow fiber 0.64 g of titanium oxide powder (trade name P25, Nippon Aerosil Co., Ltd., average primary particle size of about 25 nm, specific surface area of about 55 m 2 / g) was put into 80 ml of 10M sodium hydroxide aqueous solution, and placed in a glass rod. For 1 minute to obtain a white suspension. This white suspension was placed in a 100 ml fluororesin container, and the fluororesin container was placed in a stainless steel container. This stainless steel container was put in a drier and kept at 110 ° C. for 20 hours. After completion of the reaction, the stainless steel container was allowed to cool naturally to room temperature, and a solution containing a white precipitate was collected. As a washing step, the supernatant was first removed from the solution containing the white precipitate with a dropper. To the remaining white precipitate, 100 ml of 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution was added little by little. After the entire amount of aqueous hydrochloric acid was added, the mixture was allowed to stand at room temperature (20 ° C.) for 3 hours. After standing, the supernatant was removed. This washing step was performed three times in total, and it was confirmed that the supernatant liquid had a pH of 7 or less. After these neutralization operations, the remaining white precipitate was washed twice with distilled water to obtain a white powder. When this white powder was observed with a scanning transmission electron microscope (Hitachi, Ltd., STEM S-5200), at a magnification of 150,000 times, the white powder obtained by this method was an aggregate of hollow fibers. It was confirmed that the center part of the fiber had a hollow structure with a diameter of 3 to 5 nm.

1−2.中空ファイバを含む溶液の作製
上記の方法で作製した白色粉末を2M硝酸水溶液64ml中に添加、室温で15時間マグネティックスターラーによって攪拌した。攪拌後、得られた半透明溶液を遠心分離機(佐久間製作所(株)M200−IVD)により5000rpmで30分遠心分離することで、プロトンを付加した白色ゲルを得た。さらに、この白色ゲルを0.1Mの水酸化テトラブチルアンモニウムの水溶液に加え、室温で24時間マグネティックスターラーによって攪拌し、半透明な溶液を得た。更にこの溶液に100mmolの塩酸を加えpHが9.5になるように調整した。
1-2. Preparation of solution containing hollow fiber The white powder prepared by the above method was added to 64 ml of a 2M nitric acid aqueous solution, and stirred with a magnetic stirrer at room temperature for 15 hours. After stirring, the obtained translucent solution was centrifuged at 5000 rpm for 30 minutes with a centrifuge (Sakuma Seisakusho M200-IVD) to obtain a white gel with added protons. Furthermore, this white gel was added to an aqueous solution of 0.1 M tetrabutylammonium hydroxide and stirred with a magnetic stirrer at room temperature for 24 hours to obtain a translucent solution. Further, 100 mmol of hydrochloric acid was added to this solution to adjust the pH to 9.5.

1−3.カチオン性ポリマー水溶液の作製
ポリエチレンイミン(0.25g)を水(97.5g)に溶解し、濃度2.5%の水溶液を作製した。
また、異種のカチオン性のポリマーとして、PDDA水溶液を作製した。PDDAの10%水溶液(アルドリッチ社)を純水で20倍に希釈し、0.25%のPDDA水溶液を作製した。更にこの水溶液に0.1Mの水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液を加え、pHが9.5となるように調整した。
1-3. Preparation of cationic polymer aqueous solution Polyethyleneimine (0.25 g) was dissolved in water (97.5 g) to prepare an aqueous solution having a concentration of 2.5%.
In addition, an aqueous PDDA solution was prepared as a different cationic polymer. A 10% aqueous solution of PDDA (Aldrich) was diluted 20 times with pure water to prepare a 0.25% PDDA aqueous solution. Further, 0.1 M tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution was added to this aqueous solution to adjust the pH to 9.5.

1−4.基材への固定化と電極の作製
基材としてフッ素ドープしたSnO2コートガラス(日本板硝子)を用い、エタノールで超音波洗浄後、純水で洗浄した。この基材を一部電極取り出し用にマスキングし、前記ポリエチレンイミン水溶液に10分間浸漬した後、純水で洗浄した。更に、前記中空ファイバを含む溶液中に10分間浸漬し、純水で洗浄した。また、更に、この基材をPDDA水溶液中に10分間浸漬し純水で洗浄した。以後、中空ファイバを含む溶液とPDDA水溶液への浸漬と洗浄を繰り返し、中空ファイバの層が6層の薄膜を作製した。最表面は中空ファイバが露出している。得られた薄膜に対し、大気中で400℃×1時間の熱処理、ないし、紫外線照射によって層間のカチオン性ポリマーを除去した。紫外線照射は200Wの水銀-キセノンランプ(林時計工業製、LA-210UV)を用い、24時間照射した。得られたサンプルのマスキング部分と銅線を銀ペーストを用いて接続し、接続部分をエポキシ樹脂で被覆した。以上によって作製した中空ファイバ電極の面積は4.5cm2である。
1-4. Immobilization on a base material and production of an electrode Using fluorine-doped SnO 2 coated glass (Nippon Sheet Glass) as a base material, it was ultrasonically cleaned with ethanol and then washed with pure water. This substrate was partially masked for electrode extraction, immersed in the polyethyleneimine aqueous solution for 10 minutes, and then washed with pure water. Further, it was immersed in the solution containing the hollow fiber for 10 minutes and washed with pure water. Further, this substrate was immersed in an aqueous PDDA solution for 10 minutes and washed with pure water. Thereafter, immersion in a solution containing a hollow fiber and an aqueous PDDA solution and washing were repeated to produce a thin film having six hollow fiber layers. The hollow fiber is exposed on the outermost surface. The resulting thin film was subjected to heat treatment at 400 ° C. for 1 hour in the air or ultraviolet irradiation to remove the interlayer cationic polymer. UV irradiation was performed using a 200 W mercury-xenon lamp (LA-210UV, manufactured by Hayashi Watch Industry) for 24 hours. The masking part of the obtained sample and the copper wire were connected using a silver paste, and the connection part was covered with an epoxy resin. The area of the hollow fiber electrode produced as described above is 4.5 cm 2 .

1−5.比較例の作製
前記洗浄方法で清浄化した導電性基材に、チタンアルコキシド溶液(日本曹達、型番:NDH510C)をディップコートした。ディップコートの引き上げ速度は5cm/minとした。ディップコート後、大気中で500℃×30分の焼成を行い、前記1−4と同様にアナターゼ型の酸化チタン電極を作製した。以上によって作製した酸化チタン電極の面積は4.5cm2であった。
1-5. Preparation of Comparative Example The conductive base material cleaned by the cleaning method was dip coated with a titanium alkoxide solution (Nippon Soda, model number: NDH510C). The lifting speed of the dip coat was 5 cm / min. After dip coating, baking was performed in the atmosphere at 500 ° C. for 30 minutes, and anatase-type titanium oxide electrodes were produced in the same manner as in 1-4. The area of the titanium oxide electrode produced as described above was 4.5 cm 2 .

2.SEMによる構造観察
本発明の充放電材料と比較例に対し、走査型電子顕微鏡(SEM:日立製作所(株)、S−800)で表面、および、断面を観察した。結果を図1に示したが、比較例のアナターゼ型TiO2薄膜を構成する粒子は球状であるのに対し、実施例の薄膜は異方性の中空ファイバで構成されている。また、中空ファイバの長軸は基材に対して平行に配向していることも確認できた。膜厚は、中空ファイバを6層で積層したものが50nm、比較例のアナターゼ型TiO2薄膜が70nmである。
2. Structure observation by SEM The surface and cross section were observed with a scanning electron microscope (SEM: Hitachi, Ltd., S-800) for the charge / discharge materials of the present invention and comparative examples. The results are shown in FIG. 1, whereas the particles constituting the anatase-type TiO 2 thin film of the comparative example are spherical, whereas the thin film of the example is composed of an anisotropic hollow fiber. It was also confirmed that the long axis of the hollow fiber was oriented parallel to the substrate. The film thickness is 50 nm for the six laminated hollow fibers, and 70 nm for the comparative anatase TiO 2 thin film.

3.サイクリックボルタングラムの測定
中空ファイバ電極および比較例のアナターゼ型TiO2電極に対し、電解液中でのサイクリックボルタングラムをポテンショスタット(北斗電工、HSV-100)で測定した。電解液は標準リン酸緩衝液(和光純薬工業)にNa2SO4を0.1mol/Lの濃度となるように調整した。中空ファイバおよびアナターゼ型TiO2電極をポテンショスタットの作用極に接続し、対極に白金線、参照極として銀−塩化銀電極を用いた。サイクリックボルタングラムの測定時は電解液を窒素でバブリングした。電圧の挿引速度は、50、100、200、400mV/secとした。
電流と電圧の関係を図2に示す。カソード分極したときに流れる還元電流はプロトンインターカレーション、および、水素発生に起因している。一方、アノードに逆電位をかけた場合の酸化電流はインターカレートしたプロトンの再酸化による。この酸化電流の大きさがプロトンの充電量、および、拡散速度の指標として使用することができる。この結果、中空ファイバ被膜にUV照射したもの、および、400℃で熱処理したものは、いずれも比較例よりも高い酸化電流を示した。挿引速度400mV/secにおける、単位面積あたりの酸化電流のピークは、中空ファイバにUVを照射したもので2.00mA、中空ファイバに400℃の熱処理をしたもので1.26mA、比較例のアナターゼ型TiO2で0.57mAであった。つまり、本発明の充放電材料は、従来のTiO2と比較するとプロトン充電量が高く、プロトンの拡散速度も速いことが示唆された。特に、中空ファイバにUVを照射したものの酸化電流が高いが、400℃で熱処理したものよりも中空ファイバ構造が収縮しないためにプロトンが拡散しやすくなったものと予想される。
3. Measurement of cyclic voltammogram The cyclic voltammogram in the electrolyte was measured with a potentiostat (Hokuto Denko, HSV-100) for the hollow fiber electrode and the anatase TiO 2 electrode of the comparative example. The electrolyte was adjusted to a standard phosphate buffer (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) so that Na 2 SO 4 had a concentration of 0.1 mol / L. A hollow fiber and an anatase TiO 2 electrode were connected to the working electrode of the potentiostat, a platinum wire was used as the counter electrode, and a silver-silver chloride electrode was used as the reference electrode. When measuring the cyclic voltammogram, the electrolyte was bubbled with nitrogen. The voltage pulling speed was 50, 100, 200, and 400 mV / sec.
The relationship between current and voltage is shown in FIG. The reduction current that flows when cathodic polarization is attributed to proton intercalation and hydrogen generation. On the other hand, the oxidation current when a reverse potential is applied to the anode is due to reoxidation of intercalated protons. The magnitude of this oxidation current can be used as an indicator of proton charge and diffusion rate. As a result, both of the hollow fiber coating irradiated with UV and the one heat-treated at 400 ° C. exhibited higher oxidation currents than the comparative example. The peak of the oxidation current per unit area at an insertion speed of 400 mV / sec is 2.00 mA when the hollow fiber is irradiated with UV, 1.26 mA when the hollow fiber is heat-treated at 400 ° C., anatase type TiO of the comparative example 2 was 0.57 mA. That is, it was suggested that the charge / discharge material of the present invention has a higher proton charge amount and a higher proton diffusion rate than conventional TiO 2 . In particular, the oxidation current of the hollow fiber irradiated with UV is high, but it is expected that protons are more likely to diffuse because the hollow fiber structure does not shrink than the heat treated at 400 ° C.

4.カソード分極時の着色の評価
中空ファイバ電極に紫外線を照射したもの、および、比較例のアナターゼ型TiO2電極に対し、ポテンショスタット(北斗電工、HSV-100)を用いて電解液中でカソード分極した。電圧は-1.5Vとし、分極時間を5分とした。前記サイクリックボルタングラムの測定と同様に、電解液は標準リン酸緩衝液(和光純薬工業)にNa2SO4を0.1mol/Lの濃度となるように作製した。中空ファイバおよびアナターゼ型TiO2電極をポテンショスタットの作用極に接続し、対極に白金線、参照極として銀-塩化銀電極を用いた。カソード分極後、直ちに純水で洗浄し、ブロアーで乾燥させた後、紫外可視分光光度計(日本分光、Ubest-55)によって、電極の吸光度を測定した。
結果を図3に示した。中空ファイバ電極の方が可視光領域における吸収量が大きいことが明らかになった。つまり、本発明の充放電材料はカソード分極によって、従来の酸化チタンよりも大量のプロトンが挿入され得ることが示唆された。
4). Evaluation of coloration during cathodic polarization Cathode polarization in an electrolyte using a potentiostat (Hokuto Denko, HSV-100) for a hollow fiber electrode irradiated with ultraviolet light and a comparative anatase TiO 2 electrode . The voltage was -1.5V and the polarization time was 5 minutes. Similarly to the measurement of the cyclic voltammogram, an electrolyte was prepared in a standard phosphate buffer (Wako Pure Chemical Industries) so that Na 2 SO 4 had a concentration of 0.1 mol / L. A hollow fiber and anatase TiO 2 electrode were connected to the working electrode of the potentiostat, a platinum wire was used as the counter electrode, and a silver-silver chloride electrode was used as the reference electrode. After cathodic polarization, immediately after washing with pure water and drying with a blower, the absorbance of the electrode was measured with an ultraviolet-visible spectrophotometer (JASCO, Ubest-55).
The results are shown in FIG. It was revealed that the hollow fiber electrode has a larger absorption in the visible light region. That is, it was suggested that the charge / discharge material of the present invention can insert a larger amount of protons than conventional titanium oxide by cathodic polarization.

本発明の充放電材料は電池材料、プロトン伝導体、エレクトロクロミズム素子、フォトクロミック素子、電気化学センサー、イオン固定化材、防錆部材等の用途に適用できる。   The charge / discharge material of the present invention can be applied to uses such as battery materials, proton conductors, electrochromic elements, photochromic elements, electrochemical sensors, ion immobilization materials, and rust prevention members.

本発明の充放電材料の断面のSEM写真を示す図である。It is a figure which shows the SEM photograph of the cross section of the charging / discharging material of this invention. 本発明の充放電材料のサイクリックボルタングラムを示す図である。It is a figure which shows the cyclic voltammogram of the charging / discharging material of this invention. 本発明の充放電材料の光吸収特性を示す図である。It is a figure which shows the light absorption characteristic of the charging / discharging material of this invention.

Claims (9)

導電性基材と、前記導電性基材上に設けられたチタン元素を含む化合物からなる中空ファイバを含む被膜とからなり、前記中空ファイバの長軸が導電性基材に対して平行に配向し、前記中空ファイバにカチオンが可逆的に挿入、脱離可能であることを特徴とする充放電材料。 A conductive base material and a coating containing a hollow fiber made of a compound containing titanium element provided on the conductive base material, and the long axis of the hollow fiber is oriented parallel to the conductive base material. A charge / discharge material, wherein cations can be reversibly inserted and removed from the hollow fiber. 前記チタン元素を含む化合物が、酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項1に記載の充放電材料。 The charge / discharge material according to claim 1, wherein the compound containing the titanium element is at least one selected from titanium oxide, titanium hydroxide, titanate, and amorphous titanium oxide. 前記チタン元素を含む化合物が、巻物状の層状のトリチタン酸であることを特徴とする請求項1に記載の充放電材料。 The charge / discharge material according to claim 1, wherein the compound containing the titanium element is a scroll-like layered trititanic acid. 前記中空ファイバに挿入、脱離可能なカチオンがプロトンであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の充放電材料。 The charge / discharge material according to any one of claims 1 to 3, wherein a cation that can be inserted into and removed from the hollow fiber is a proton. 前記プロトンを挿入、脱離する際の酸化電流のピークが挿引速度400mV/secにおいて、単位面積あたり0.6mA以上であることを特徴とする請求項4に記載の充放電材料。 5. The charge / discharge material according to claim 4, wherein the peak of the oxidation current when the proton is inserted and desorbed is 0.6 mA or more per unit area at an insertion speed of 400 mV / sec. 前記中空ファイバの内径が3〜8nm、外径が8〜30nm、長さが100nm〜1μmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の充放電材料。 The charge / discharge material according to any one of claims 1 to 5, wherein the hollow fiber has an inner diameter of 3 to 8 nm, an outer diameter of 8 to 30 nm, and a length of 100 nm to 1 µm. 前記被膜の膜厚が8nm〜10μmの範囲であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の充放電材料。 The charge / discharge material according to any one of claims 1 to 6, wherein the film thickness is in a range of 8 nm to 10 µm. 請求項1〜7いずれか一項に記載の充放電材料を製造する方法であって、前記中空ファイバが分散した溶液と、カチオン性ポリマーを含む溶液に対し、導電性基材を交互に浸漬することによって積層する工程を有することを特徴とする充放電材料の製造方法。 It is a method of manufacturing the charging / discharging material as described in any one of Claims 1-7, Comprising: A conductive base material is immersed in the solution in which the said hollow fiber was disperse | distributed, and the solution containing a cationic polymer alternately. The manufacturing method of the charging / discharging material characterized by having the process laminated | stacked by this. 請求項8に記載の充放電材料の製造方法であって、前記中空ファイバとカチオン性ポリマーを積層する工程の後、更に紫外線照射をおこなうことを特徴とする充放電材料の製造方法。

It is a manufacturing method of the charging / discharging material of Claim 8, Comprising: The ultraviolet irradiation is performed after the process of laminating | stacking the said hollow fiber and a cationic polymer, The manufacturing method of the charging / discharging material characterized by the above-mentioned.

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