JP2011086572A - 無機粒子集合体およびガス拡散電極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】官能基を有する第一の有機配位子により表面修飾された第一の無機粒子を調製する工程と、
前記第一の有機配位子の官能基と化学反応により結合し得る官能基を有する第二の有機配位子により表面修飾された第二の無機粒子を調製する工程と、
前記第一の有機配位子により表面修飾された第一の無機粒子と前記第二の有機配位子により表面修飾された第二の無機粒子とを混合する工程と、
前記第一の有機配位子の官能基と前記第二の有機配位子の官能基とを化学反応により結合させる工程と、
を含むことを特徴とする無機粒子集合体の製造方法。
【選択図】なし
Description
先ず、本発明の無機粒子集合体の製造方法について説明する。本発明の無機粒子集合体の製造方法は、第一の有機配位子により表面修飾された第一の無機粒子を調製する工程(第一の粒子調製工程)と、第二の有機配位子により表面修飾された第二の無機粒子を調製する工程(第二の粒子調製工程)と、前記第一の有機配位子により表面修飾された第一の無機粒子と前記第二の有機配位子により表面修飾された第二の無機粒子とを混合する工程(混合工程)と、前記第一の有機配位子の官能基と前記第二の有機配位子の官能基とを化学反応により結合させる工程(反応工程)と、を含む方法であり、さらに、必要に応じて、前記官能基の化学反応により結合した有機配位子を除去する工程(除去工程)を含む方法である。
本発明にかかる第一の粒子調製工程は、第一の無機粒子の表面を第一の有機配位子により処理して、第一の有機配位子により表面修飾された第一の無機粒子(以下、「第一の表面修飾無機粒子」という)を調製する工程である。また、本発明にかかる第二の粒子調製工程は、第二の無機粒子の表面を第二の有機配位子により処理して、第二の有機配位子により表面修飾された第二の無機粒子(以下、「第二の表面修飾無機粒子」という)を調製する工程である。
次に、第一の表面修飾無機粒子と第二の表面修飾無機粒子を混合する。これらの混合比としては、第一の表面修飾無機粒子:第二の表面修飾無機粒子で、1:1〜1:4が好ましい。
このようにして調製した第一および第二の表面修飾無機粒子を含有する分散液に、必要に応じて触媒を添加する。このような触媒としては、第一の有機配位子の官能基と第二の有機配位子の官能基を反応させるものであれば特に制限はなく、例えば、p−トルエンスルホン酸、p−トルエンスルホニルクロライド、DCC(N,N’−ジシクロヘキシルカルボジイミド)、塩酸などが挙げられる。中でも、化学反応のしやすさの観点からp−トルエンスルホン酸が好ましい。
このようにして製造された無機粒子集合体においては、必要に応じて、第一の無機粒子と第二の無機粒子との間に存在する第一の有機配位子と第二の有機配位子との反応生成物を除去することが好ましく、これにより、第一の無機粒子と第二の無機粒子からなる無機粒子集合体を得ることができる。除去方法としては特に制限はなく、例えば、前記無機粒子集合体を焼成することによって前記反応生成物を除去することができる。この方法によれば、第一の無機粒子と第二の無機粒子が凝集することなく、これらの位置関係を保持した状態で前記反応生成物を除去することができる。焼成温度は前記反応生成物が除去できる温度であれば特に制限はないが、250〜350℃であることが好ましい。また、焼成時間としては1〜5時間が好ましい。
本発明のガス拡散電極の製造方法は、上記のようにして製造された、第一の無機粒子および第二の無機粒子と、これらの間に第一の有機配位子と第二の有機配位子との反応生成物を備える無機粒子集合体を基板上に塗装して、この無機粒子集合体からなる層を形成する工程を含む方法であり、さらに、必要に応じて、前記官能基の化学反応により結合した有機配位子を除去する工程を含むものである。
ガス拡散電極の表面積は、定電流過渡解析(galvanostatic transient technique)(C.G.
Vayenas et al., Eds. J.O'M. Bockris et al., "Modern Aspects of
Electrochemistry", Kluwer Academic/Plenum, New York, 1996, p.57、およびC.G. Vayenas et al., "Electrochemical
activation of catalysis: promotion, electrochemical promotion, and
metal-support interactions", Kluwer Academic/Plenum, New York, 2001を参照)により算出した。先ず、ガス拡散電極を2枚のAuメッシュで挟んで電気化学セルを作製し、Auメッシュを定電流電源に接続した。この電気化学セルを酸素1%雰囲気下で400℃に加熱して保持し、ガス拡散電極に流れる電流を一定となるように制御した。このときの電圧の波形から電極に吸着した酸素量を算出した。酸化亜鉛1molに対して1molの酸素が吸着していると仮定して、求めた酸素吸着量から電極表面に露出している酸化亜鉛の量を算出し、この値でガス拡散電極の表面積を評価した。
図2に示す触媒活性測定装置を用いてエチレンの転化率を測定した。先ず、ガス拡散電極を2枚のAuメッシュで挟んで電気化学セルを作製した。この電気化学セル11を、石英製管型反応器12に装着し、Auメッシュ(図示なし)を定電圧電源13に接続した。電気化学セル11の一方の面に0.5%のエチレンを含むガス(残りは窒素)、他方の面に5%の酸素を含むガス(残りは窒素)を所定の流量で供給した。電気化学セル11および管型反応機12を400℃に加熱して保持し、ガス拡散電極に+2Vの電圧を印加した。管型反応器12から流出したエチレンを含むガス中のエチレン濃度をガスクロマトグラフィ((株)島津製作所製「GC−8A」)により測定し、エチレンの転化率を算出した。
水酸化ナトリウム4.9gをメタノール150mlに溶解して調製した水酸化ナトリウムのメタノール溶液に、酢酸亜鉛13.3gをメタノール100mlに溶解して調製した酢酸亜鉛のメタノール溶液を滴下した。その後、この溶液に、4−ヒドロキシシクロヘキサン酸0.1gをメタノール50mlに溶解して調製した4−ヒドロキシシクロヘキサン酸のメタノール溶液を添加して室温で1時間撹拌し、4−ヒドロキシシクロヘキサン酸で表面修飾された白色の酸化亜鉛粒子(以下、「表面修飾酸化亜鉛粒子A1」という)を含む分散液を得た。この分散液をろ過して前記表面修飾酸化亜鉛粒子A1を回収した。
4−ヒドロキシシクロヘキサン酸のメタノール溶液の代わりに4−ヒドロキシ安息香酸0.1gをメタノール50mlに溶解して調製した4−ヒドロキシ安息香酸のメタノール溶液を用いた以外は実施例1と同様にして4−ヒドロキシ安息香酸で表面修飾された白色の酸化亜鉛粒子(以下、「表面修飾酸化亜鉛粒子A2」という)を得た。
表面修飾された酸化亜鉛粒子集合体からなる白色粉末の代わりに、実施例1と同様にして調製した表面修飾酸化亜鉛粒子A1(4−ヒドロキシシクロヘキサン酸で表面修飾された酸化亜鉛粒子)(5g)を用いた以外は実施例1と同様にしてYSZ板の両面に酸化亜鉛粒子からなる層を備えたガス拡散電極(20mmφ)を作製した。
表面修飾された酸化亜鉛粒子集合体からなる白色粉末の代わりに、実施例1と同様にして調製した表面修飾酸化亜鉛粒子B1(1,4−シクロヘキサンジカルボン酸で表面修飾された酸化亜鉛粒子)(5g)を用いた以外は実施例1と同様にしてYSZ板の両面に酸化亜鉛粒子からなる層を備えたガス拡散電極(20mmφ)を作製した。
実施例1と同様にして調製した表面修飾酸化亜鉛粒子A1(4−ヒドロキシシクロヘキサン酸で表面修飾された酸化亜鉛粒子)(5g)と実施例1と同様にして調製した表面修飾酸化亜鉛粒子B1(1,4−シクロヘキサンジカルボン酸で表面修飾された酸化亜鉛粒子)(5g)をドライブレンドした。表面修飾された酸化亜鉛粒子集合体からなる白色粉末の代わりに、この混合物を用いた以外は実施例1と同様にしてYSZ板の両面に酸化亜鉛粒子からなる層を備えたガス拡散電極(20mmφ)を作製した。
Claims (6)
- 官能基を有する第一の有機配位子により表面修飾された第一の無機粒子を調製する工程と、
前記第一の有機配位子の官能基と化学反応により結合し得る官能基を有する第二の有機配位子により表面修飾された第二の無機粒子を調製する工程と、
前記第一の有機配位子により表面修飾された第一の無機粒子と前記第二の有機配位子により表面修飾された第二の無機粒子とを混合する工程と、
前記第一の有機配位子の官能基と前記第二の有機配位子の官能基とを化学反応により結合させる工程と、
を含むことを特徴とする無機粒子集合体の製造方法。 - 前記第一の無機粒子および前記第二の無機粒子のうちの少なくとも一方が金属酸化物粒子であることを特徴とする請求項1に記載の無機粒子集合体の製造方法。
- 前記第一の有機配位子の官能基がヒドロキシル基、アミノ基およびチオール基からなる群から選択される少なくとも1種の官能基であり、前記第二の有機配位子の官能基がカルボキシル基であることを特徴とする請求項1または2に記載の無機粒子集合体の製造方法。
- 前記官能基の化学反応により結合した有機配位子を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の無機粒子集合体の製造方法。
- 請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の製造方法により調製した無機粒子集合体を基板上に塗装して前記無機粒子集合体からなる層を形成する工程を含むことを特徴とするガス拡散電極の製造方法。
- 前記官能基の化学反応により結合した有機配位子を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載のガス拡散電極の製造方法。
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