JP2012530845A - Bismuth metal oxide pyrochlore as electrode material - Google Patents

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バヴァラジュ サイ
ステッパン ジェームス
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Abstract

オゾンおよび過塩素酸塩の電解発生のためのアノードとしてのパイロクロア構造を有する新規ビスマス系混合金属酸化物材料について開示する。これらの材料は高い導電性および酸性電解質における優れた安定性を有する。これらの材料は二酸化鉛より環境にやさしく、白金より安価である。A novel bismuth-based mixed metal oxide material having a pyrochlore structure as an anode for the electrolysis of ozone and perchlorate is disclosed. These materials have high conductivity and excellent stability in acidic electrolytes. These materials are more environmentally friendly than lead dioxide and are less expensive than platinum.

Description

(関連出願の相互参照)
本出願は2009年6月19日出願の米国仮特許出願第61/218,554号「電解オゾンおよび過塩素酸塩発生のための電極材料としてのビスマス金属酸化物パイロクロア」の優先権を主張し、その全開示を本明細書に参照により組み入れる。
(Cross-reference of related applications)
This application claims the priority of US Provisional Patent Application No. 61 / 218,554 “Bismuth Metal Oxide Pyrochlore as Electrode Ozone and Perchlorate Generation” filed June 19, 2009. The entire disclosure of which is incorporated herein by reference.

本発明は、オゾンおよび過塩素酸塩を発生させるためのアノード電解触媒材料として活性であることが示されているパイロクロア構造を有するBi系混合金属酸化物アノード材料に関する。本発明はさらに、水の電解分解または塩化物の酸化によってオゾンまたは過塩素酸塩を生成するためのオゾンまたは過塩素酸塩発生器に関する。   The present invention relates to a Bi-based mixed metal oxide anode material having a pyrochlore structure that has been shown to be active as an anode electrocatalyst material for generating ozone and perchlorate. The invention further relates to an ozone or perchlorate generator for producing ozone or perchlorate by electrolysis of water or oxidation of chloride.

オゾン水は、医療、食品、飲料および農業(MFBA)産業において抗菌洗浄剤として、酸化剤としておよび殺虫剤として効果的に用いることができる。オゾン利用は近年、電子部品を洗浄するため半導体産業にまで拡大してきている。C.Gottschalk,A.Saupe,and J.A.Libra,“Ozonation of water and waste water:a practical guide to understanding ozone and its application,” Wiley−VCH,New York(2000)。オゾンは主として、放電によりまたは紫外線への露出により空気から生成される。しかしながら、空気は80%の窒素を含有するので、窒素の酸化も起こり、窒素酸化物も生成される。このように生成されたオゾンを水中に溶解してオゾン水を生成する場合、窒素酸化物も溶解し、これにより水は酸性になる。また、気相におけるオゾンの低分圧および水中におけるオゾンの限られた溶解性のため、この方法を用いると水中のオゾンの濃度は低くなるだろう。   Ozone water can be effectively used as an antibacterial detergent, as an oxidant and as an insecticide in the medical, food, beverage and agriculture (MFBA) industries. In recent years, the use of ozone has expanded to the semiconductor industry to clean electronic components. C. Gottschalk, A.M. Saupe, and J.M. A. Libra, “Ozonation of water and waste water: a practical guide to understand application,” Wiley-VCH, New York (2000). Ozone is mainly generated from air by discharge or exposure to ultraviolet light. However, since air contains 80% nitrogen, nitrogen oxidation also occurs and nitrogen oxides are also produced. When ozone generated in this way is dissolved in water to generate ozone water, nitrogen oxides are also dissolved, which makes the water acidic. Also, due to the low partial pressure of ozone in the gas phase and the limited solubility of ozone in water, the concentration of ozone in water will be low using this method.

あるいは、オゾンは水から以下の反応式(1)に示すアノード反応に示されるような、およびW.G.Fischer,“Electrolytical ozone production for super−pure water disinfection,” Pharma International,2,1997に記載されるような電解により発生させることができる。   Alternatively, ozone can be obtained from water as shown in the anodic reaction shown in reaction formula (1) below and G. Fischer, “Electrical ozone production for super-pure water indication,” Pharma International, 2, 1997.

Figure 2012530845
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このように生成されたオゾンは水中に高濃度で存在し、酸性度または溶解性に関する問題は存在しない。このプロセスの不利点は電力消費を増加させる高電圧の反応である。また、以下の反応式(2)に示すように酸素発生がオゾン生成と競合するので、プロセスの効率は低い。水素発生(反応式3)はカソード反応である。   The ozone thus produced is present at high concentrations in water and there are no problems with acidity or solubility. The disadvantage of this process is the high voltage response that increases power consumption. In addition, as shown in the following reaction formula (2), since oxygen generation competes with ozone generation, the efficiency of the process is low. Hydrogen evolution (Scheme 3) is a cathodic reaction.

Figure 2012530845
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水素発生は以下の反応式(3)に従ってカソードで起こる。   Hydrogen evolution occurs at the cathode according to the following reaction equation (3).

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オゾンを生成するためのアノード材料としての二酸化鉛(PbO)の利用については文献に記載されている。P.C.Foller and C.W.Tobias,“The anodic evolution of Ozone,”J.Electrochem.Soc.,129(3),506(1982)。PbOに基づく電解オゾン発生器が市販されている。S.Stucki,et al.,“In Situ production of Ozone in water using a Membrel electrolyzer”,J.Electrochem.Soc.,132(2),367(1985)。 The use of lead dioxide (PbO 2 ) as an anode material for generating ozone is described in the literature. P. C. Foller and C.I. W. Tobias, “The anodical evolution of Ozone”, “J. Electrochem. Soc. , 129 (3), 506 (1982). Electrolytic ozone generators based on PbO 2 are commercially available. S. Stucki, et al. , “In Situ production of Ozone in water using a Membrel electrolyzer”, J. et al. Electrochem. Soc. 132 (2), 367 (1985).

PbOを用いる一般的なプロセスにおいて、OはNafion膜電解質に接触する多孔質PbOアノードの裏面から水流中に発生する。しかしながら、二酸化鉛アノードはオゾン発生に必要な高い電流密度(>1A/cm)で完全に安定ではない。PbOは分解し、鉛酸イオンとしてオゾン水に入り、水を汚染し、水を多くの洗浄およびMFBA用途に直接用いることができなくする。無鉛オゾン水を生成するためには、オゾンガスをまず鉛を含有するオゾン水から回収した後、オゾンが酸素に分解する前に淡水中に再溶解しなければならない。これらの追加工程はプロセスを非実用的にする。よって、無鉛オゾン水を洗浄またはMFBA用途に直接用いられるように生成することが好ましい。 In a typical process using PbO 2, O 3 is generated in the water flow from the back surface of the porous PbO 2 anode in contact with the Nafion membrane electrolyte. However, the lead dioxide anode is not completely stable at the high current density (> 1 A / cm 2 ) required for ozone generation. PbO 2 decomposes and enters ozone water as lead acid ions, contaminates the water, making it unusable directly for many cleaning and MFBA applications. In order to produce lead-free ozone water, ozone gas must first be recovered from lead-containing ozone water and then redissolved in fresh water before ozone is decomposed into oxygen. These additional steps make the process impractical. Therefore, it is preferable to produce lead-free ozone water so that it can be used directly for cleaning or MFBA applications.

白金は、市販のオゾン発生器における利用が検討されている、オゾンの電解発生のための数少ない他の候補アノード材料の1つである。米国特許第4,541,989号を参照されたい。鉛のような有害な重金属に代わるPtのアノードとしての使用は、MFBAおよび半導体産業用途のためのオゾン水の生成を可能にする。しかしながら、Ptは、そのコストの高さおよび長期性能の低さのため、すなわち、オゾン発生効率が二酸化鉛と比較してすぐに低下するため、市販のオゾン発生器には現在用いられていない。長期にわたるオゾン発生の際、Ptアノードは(1)触媒不活性または非導電性表面被膜の形成によるPtアノード表面の劣化および(2)PtアノードとNafion電解質との間の界面の劣化のため、その活性を失う。Ptでさえ、高アノード電流密度で溶解し、電解質に入ることが知られている。   Platinum is one of the few other candidate anode materials for the electrolysis of ozone that is being considered for use in commercial ozone generators. See U.S. Pat. No. 4,541,989. The use of Pt as an anode to replace harmful heavy metals such as lead enables the generation of ozone water for MFBA and semiconductor industry applications. However, Pt is not currently used in commercial ozone generators because of its high cost and low long-term performance, i.e., the ozone generation efficiency decreases quickly compared to lead dioxide. During long-term ozone generation, the Pt anode has its Loses activity. Even Pt is known to dissolve at high anode current densities and enter the electrolyte.

100,1000および5000ppmのホウ素/炭素比を有するホウ素ドープダイヤモンド(BDD)も電解オゾン発生のための潜在的なアノード材料である。米国特許第6,235,186号を参照されたい。酸素発生の過電圧は>2.0Vであることが見出されたが、これはPbOアノードと比較して著しく大きい。ホウ素ドーピングを増加させると酸素発生過電圧は低下する。しかしながら、オゾン発生の電流効率はPbO電極で得られるものの約3分の1であった。電解の最終段階中、3つのドープ材料すべてについて電圧の急上昇が見られるが、より高いBドープ材料がより長持ちした。不具合は、高温での膜の生成プロセス中にもたらされた応力により引き起こされる基板からの膜の剥離が原因である。N.Katsuki et al.,“Water electrolysis using Boron−doped Diamond thin film electrodes”,J.Electrochem.Soc.,145(7),2358(1998)。 Boron doped diamond (BDD) with boron / carbon ratios of 100, 1000 and 5000 ppm is also a potential anode material for electrolytic ozone generation. See U.S. Patent No. 6,235,186. The oxygen generation overvoltage was found to be> 2.0 V, which is significantly higher compared to the PbO 2 anode. Increasing boron doping decreases the oxygen generation overvoltage. However, the current efficiency of ozone generation was about one third that obtained with a PbO 2 electrode. During the final stage of electrolysis, the voltage spike was seen for all three doped materials, but the higher B-doped material lasted longer. The failure is due to film peeling from the substrate caused by stress introduced during the film formation process at high temperatures. N. Katsuki et al. "Water electrolysis using Boron-doped diamond thin films", J. et al. Electrochem. Soc. , 145 (7), 2358 (1998).

前述から、現行のオゾン発生器においてアノードとして用いられるPbO材料はMFBAおよび半導体洗浄用途に用いることができない。Ptおよびホウ素ドープダイヤモンド(BDD)は潜在的に用いることができるが、それらは長いサイクル寿命を提供しない。オゾンの電解発生における使用に適した代替無鉛電極材料を提供することは当技術分野の進歩となるだろう。 From the foregoing, the PbO 2 material used as the anode in current ozone generators cannot be used for MFBA and semiconductor cleaning applications. Although Pt and boron doped diamond (BDD) can potentially be used, they do not provide long cycle life. It would be an advance in the art to provide alternative lead-free electrode materials suitable for use in the electrolysis of ozone.

前述の議論はオゾンの生成に焦点を当てたが、塩化物または塩素酸塩からの過塩素酸塩の電気化学的合成は一般的にはPbO、Ptまたは高い酸素過電圧を有する他の電極を用いる。これらはオゾンを発生させるのに用いられるものと同じタイプの電極である。塩素酸塩を電気化学セルにおいて酸化し、過塩素酸塩を生成することができる。1つの一般的な出発物質は、以下の反応に従ってアノードで酸化することができる塩素酸ナトリウムである。 While the foregoing discussion focused on ozone generation, electrochemical synthesis of perchlorate from chloride or chlorate generally involves PbO 2 , Pt or other electrodes with high oxygen overvoltage. Use. These are the same type of electrodes that are used to generate ozone. Chlorates can be oxidized in an electrochemical cell to produce perchlorates. One common starting material is sodium chlorate that can be oxidized at the anode according to the following reaction.

Figure 2012530845
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塩素酸ナトリウムは以下の反応に従って塩化ナトリウムから生成することができる。   Sodium chlorate can be generated from sodium chloride according to the following reaction.

Figure 2012530845
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これらの反応器のエネルギー効率は20〜40%と低い。D.Pletcher and F.C.Walsh(1990),Industrial Electrochemistry,Chapman and Hill,New York。無鉛であり、より高い電流効率およびより長い寿命をもたらすことができる、過塩素酸塩の生成のためのアノード材料を提供することは、当技術分野の進歩となるだろう。   The energy efficiency of these reactors is as low as 20-40%. D. Pletcher and F.M. C. Walsh (1990), Industrial Electrochemistry, Chapman and Hill, New York. It would be an advance in the art to provide an anode material for the production of perchlorate that is lead free and can provide higher current efficiency and longer lifetime.

本発明は、電解オゾンおよび過塩素酸塩発生のための高電流密度電極として適したビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を提供する。本明細書において開示するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料は、オゾンおよび過塩素酸塩発生に現在用いられている二酸化鉛電極の安全かつ有効な代替物を提供する。   The present invention provides a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material suitable as a high current density electrode for electrolytic ozone and perchlorate generation. The bismuth mixed metal oxide pyrochlore material disclosed herein provides a safe and effective alternative to the lead dioxide electrode currently used for ozone and perchlorate generation.

発明を解決するための手段Means for Solving the Invention

本発明に関連して用いられる高電流密度電極は、一般式A7−xを有するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むが、式中、AはBiであり、BはRu、Ir、Rh、Sn、Ti、またはPtであり、0≦x≦1である。本発明の範囲内の1つの非限定的な実施形態では、BはRuであり、パイロクロア材料は一般式BiRu7−xを有し、0≦x≦1である。別の非限定的な実施形態では、電極はビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料とPt、Ag、Au、Ru、Re、またはPdから選択される1つ以上の貴金属との複合体で製造することができる。本発明の範囲内の電解セルおよび電解方法は、上述のようなビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードを有する。カソードは任意でビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むことができる。カソード材料はアノードと同じまたは異なる材料であってもよい。 The high current density electrode used in connection with the present invention comprises a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material having the general formula A 2 B 2 O 7-x , where A is Bi, B is Ru, Ir, Rh, Sn, Ti, or Pt, and 0 ≦ x ≦ 1. In one non-limiting embodiment within the scope of the present invention, B is Ru and the pyrochlore material has the general formula Bi 2 Ru 2 O 7-x , where 0 ≦ x ≦ 1. In another non-limiting embodiment, the electrode can be made of a composite of a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material and one or more noble metals selected from Pt, Ag, Au, Ru, Re, or Pd. it can. An electrolysis cell and electrolysis method within the scope of the present invention has an anode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material as described above. The cathode can optionally include a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material. The cathode material may be the same or different material as the anode.

本発明は、上述のようなビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードを有する電解セルを用いてオゾンを発生させる電解方法を含む。電解セルアノードはオゾンを発生させるのに十分な電流密度で作動させる。1つの実施形態では、オゾンは以下の反応に従って発生する。   The present invention includes an electrolysis method for generating ozone using an electrolysis cell having an anode containing a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material as described above. The electrolysis cell anode is operated at a current density sufficient to generate ozone. In one embodiment, ozone is generated according to the following reaction.

Figure 2012530845
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この反応は高い、一般的には1A/cmより高い電流密度を必要とする。いくつかの非限定的な実施形態では、電流密度は1.2A/cmより高い。他の非限定的な実施形態では、電流密度は約1.4A/cmより高い。また別の非限定的な実施形態では、電解セルアノードは約1.5A/cmの電流密度で作動させる。当業者であれば、他の反応を用いて特定の条件下でオゾンを生成することができることを理解するだろう。1つのこうした非限定的な反応としては以下を挙げることができる。 This reaction requires a high current density, generally higher than 1 A / cm 2 . In some non-limiting embodiments, the current density is higher than 1.2 A / cm 2 . In other non-limiting embodiments, the current density is greater than about 1.4 A / cm 2 . In yet another non-limiting embodiment, the electrolytic cell anode is operated at a current density of about 1.5 A / cm 2 . One skilled in the art will appreciate that other reactions can be used to produce ozone under certain conditions. One such non-limiting reaction can include the following.

Figure 2012530845
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本発明はオゾンを発生させるための電解セルを含む。電解セルは、上述のようなビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードを有する。電解セルはカソード、アノードおよびカソードに接触する電解水、ならびにアノードおよびカソードと電気的に結合し、オゾンを発生させるのに十分な作動電流密度を生成する電位および電流の供給源をさらに備える。1つの実施形態では、オゾンは以下の反応に従ってアノードで発生する。   The present invention includes an electrolysis cell for generating ozone. The electrolysis cell has an anode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material as described above. The electrolysis cell further comprises a cathode, electrolyzed water in contact with the anode, and a source of electrical potential and current that is electrically coupled to the anode and the cathode and generates a working current density sufficient to generate ozone. In one embodiment, ozone is generated at the anode according to the following reaction.

Figure 2012530845
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電解セルは上述の電流密度で作動させることができる。アノードおよびカソードは上述のように構成することができる。当業者であれば、他の反応を用いて特定の条件下でオゾンを生成することができることを理解するだろう。1つのこうした非限定的な反応としては以下を挙げることができる。   The electrolysis cell can be operated at the current density described above. The anode and cathode can be configured as described above. One skilled in the art will appreciate that other reactions can be used to produce ozone under certain conditions. One such non-limiting reaction can include the following.

Figure 2012530845
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本発明は、上述のようなビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードを有する電解セルを用いて過塩素酸塩を発生させる電解方法を含む。電解セルアノードは、以下の反応に従って塩素酸塩水溶液を酸化し、過塩素酸塩水溶液を形成するのに十分な電流密度で作動させる。   The present invention includes an electrolysis method for generating perchlorate using an electrolysis cell having an anode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material as described above. The electrolytic cell anode is operated at a current density sufficient to oxidize the aqueous chlorate solution and form a perchlorate aqueous solution according to the following reaction.

Figure 2012530845
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1つの非限定的な実施形態では、塩素酸および過塩素酸塩は塩素酸および過塩素酸ナトリウム塩である。この反応は高い、一般的には約0.5A/cmより高い、好適には約1.0A/cmより高い、より好適には0.5A/cm〜1.3A/cmの範囲内の電流密度を必要とする。 In one non-limiting embodiment, the chloric acid and perchlorate are chloric acid and sodium perchlorate. This reaction is high, generally higher than about 0.5 A / cm 2 , preferably higher than about 1.0 A / cm 2 , more preferably 0.5 A / cm 2 to 1.3 A / cm 2 . Requires a current density in the range.

本発明は、過塩素酸塩を発生させるための電解セルを含む。電解セルは、上述のようなビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードを有する。電解セルは、カソード、アノードに接触する塩素酸塩水溶液、ならびにアノードおよびカソードと電気的に結合し、以下の反応に従ってアノードで塩素酸塩水溶液を酸化し、過塩素酸塩水溶液を形成するのに十分な作動電流密度を生成する電位および電流の供給源をさらに備える。   The present invention includes an electrolysis cell for generating perchlorate. The electrolysis cell has an anode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material as described above. The electrolysis cell is electrically coupled with the cathode, the chlorate aqueous solution in contact with the anode, and the anode and cathode, and oxidizes the chlorate aqueous solution at the anode to form a perchlorate aqueous solution according to the following reaction: It further comprises a source of potential and current that produces a sufficient operating current density.

Figure 2012530845
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電解セルは上述の電流密度で作動させることができる。アノードおよびカソードは上述のように構成することができる。   The electrolysis cell can be operated at the current density described above. The anode and cathode can be configured as described above.

前述の議論はオゾンまたは過塩素酸塩の電解生成のためのアノード材料としてのビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料の使用に焦点を当てたが、当業者であれば、開示ビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を高電流密度電極が必要な他の電気化学的用途に用いることができることを理解するだろう。   While the foregoing discussion has focused on the use of bismuth mixed metal oxide pyrochlore materials as anode materials for the electrolytic generation of ozone or perchlorate, those skilled in the art will disclose the disclosed bismuth mixed metal oxide pyrochlore materials. It will be appreciated that can be used for other electrochemical applications where a high current density electrode is required.

本発明のこれらの特徴および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかとなるだろう、または以下に示すように本発明の実施により確認することができる。   These features and advantages of the present invention will become more fully apparent from the following description and appended claims, or may be learned by the practice of the invention as set forth hereinafter.

本発明の上に列挙したおよび他の特徴および利点を得る方法が容易に理解されるように、上で簡単に述べた本発明のより詳細な説明を、添付の図面に示されるその具体的な実施形態への参照により提供する。図面は本発明の一般的な実施形態を描写するのみであり、従ってその範囲を限定するものとみなすべきではないことを踏まえ、本発明について添付の図面を用いてさらに具体的かつ詳細に説明する。   For a better understanding of the method for obtaining the above listed and other features and advantages of the present invention, a more detailed description of the present invention, briefly described above, is presented in its specific form shown in the accompanying drawings. Provided by reference to the embodiments. The present invention will be described more specifically and in detail with reference to the accompanying drawings, since the drawings depict only typical embodiments of the present invention, and therefore should not be regarded as limiting the scope thereof. .

図1は、合成ビスマスルテニウム酸化物のX線回析パターンである。FIG. 1 is an X-ray diffraction pattern of a synthetic bismuth ruthenium oxide. 図2は、オゾン発生を研究するための回転リングディスク電極(RRDE)を示す。FIG. 2 shows a rotating ring disk electrode (RRDE) for studying ozone generation. 図3は、焼結ビスマスルテニウム酸化物のX線回析パターンである。FIG. 3 is an X-ray diffraction pattern of sintered bismuth ruthenium oxide. 図4は、焼結ビスマスルテニウム酸化物ディスクの走査電子顕微鏡写真(SEM)である。FIG. 4 is a scanning electron micrograph (SEM) of a sintered bismuth ruthenium oxide disk. 図5は、図4のビスマスルテニウム酸化物焼結ディスクのエネルギー分散型X線分光(EDS)パターンである。FIG. 5 is an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) pattern of the bismuth ruthenium oxide sintered disk of FIG. 図6は、大きなアノード電流を示す、5Mのリン酸中のBiRuディスクのサイクリックボルタモグラムである。FIG. 6 is a cyclic voltammogram of Bi 2 Ru 2 O 7 disc in 5M phosphoric acid showing large anode current. 図7は、酸素中10mV/sでの5Mのリン酸中のPtリング上でのオゾン回収をもたらすBiRuディスク電解のグラフである。FIG. 7 is a graph of Bi 2 Ru 2 O 7 disc electrolysis resulting in ozone recovery on a Pt ring in 5M phosphoric acid at 10 mV / s in oxygen. 図8は、電解後のビスマスルテニウム酸化物ディスクのSEM像である。FIG. 8 is an SEM image of the bismuth ruthenium oxide disk after electrolysis. 図9は、電解後のビスマスルテニウム酸化物ディスクのEDSである。FIG. 9 is an EDS of a bismuth ruthenium oxide disk after electrolysis. 図10は、オゾン発生器実験構成の概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram of an ozone generator experimental configuration. 図11は、5MのHSO中のAuディスクを用いる(コロナ放電オゾン発生器から拡散された)Oの検出を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing detection of O 3 (diffused from a corona discharge ozone generator) using an Au disk in 5M H 2 SO 4 . 図12は、BiRu被覆Pt電流コレクタを用いるオゾン発生器についての電圧、温度、およびオゾン電流の作動性能パラメータを示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing voltage, temperature, and ozone current operating performance parameters for an ozone generator using a Bi 2 Ru 2 O 7 coated Pt current collector. BiRu被覆Pt電流コレクタを用いるオゾン発生器についての電圧、温度、およびオゾン電流の作動性能パラメータを示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing voltage, temperature, and ozone current operating performance parameters for an ozone generator using a Bi 2 Ru 2 O 7 coated Pt current collector.

本明細書を通して「1つの実施形態」、「ある実施形態」または同様の語は、その実施形態に関連して記載する特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。よって、本明細書を通して「1つの実施形態では」、「ある実施形態では」、および同様の句は、必ずしもそうとは限らないが、すべて同じ実施形態を指し得る。   Throughout this specification "an embodiment," "an embodiment," or similar word is included in at least one embodiment of the invention with the particular feature, structure, or characteristic described in connection with that embodiment. Means that Thus, throughout this specification, “in one embodiment”, “in one embodiment”, and similar phrases may, but need not be, all refer to the same embodiment.

さらに、本発明の記載する特徴、構造、または特性は、1つ以上の実施形態においていずれかの適切な方法で組み合わせることができる。以下の説明では、適切なビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料の例のような多数の具体的な詳細を提供し、本発明の実施形態の完全な理解を提供する。関連技術分野の当業者であれば、しかしながら、本発明を1つ以上の具体的な詳細なしに、または他の方法、要素、材料、等を用いて実施することができることを認識するだろう。他の例では、周知の構造、材料、または作業は、本発明の態様を分かりにくくすることを避けるため、詳細には図示または記載しない。   Furthermore, the described features, structures, or characteristics of the invention can be combined in any suitable manner in one or more embodiments. In the following description, numerous specific details are provided, such as examples of suitable bismuth mixed metal oxide pyrochlore materials, to provide a thorough understanding of embodiments of the present invention. Those skilled in the relevant art will recognize, however, that the invention can be practiced without one or more specific details or with other methods, elements, materials, and the like. In other instances, well-known structures, materials, or operations are not shown or described in detail to avoid obscuring aspects of the invention.

ビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料は、本明細書において電解オゾンおよび過塩素酸塩発生のための高電流密度電極として開示する。本明細書において開示するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料は、医療、食品、飲料および農業(MFBA)産業において抗菌洗浄剤として、酸化剤としておよび殺虫剤として用いられるオゾン水を生成するのに適した安全かつ有効な無鉛電極材料を提供する。こうしたオゾン水は電子部品を洗浄するために半導体産業において用いることもできる。本明細書において開示するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料は、過塩素酸塩の電気化学的生成のためのアノードに用いることもできる。   The bismuth mixed metal oxide pyrochlore material is disclosed herein as a high current density electrode for electrolytic ozone and perchlorate generation. The bismuth mixed metal oxide pyrochlore material disclosed herein is suitable for producing ozone water for use as an antibacterial detergent, as an oxidant and as an insecticide in the medical, food, beverage and agriculture (MFBA) industries. A safe and effective lead-free electrode material is provided. Such ozone water can also be used in the semiconductor industry to clean electronic components. The bismuth mixed metal oxide pyrochlore materials disclosed herein can also be used in anodes for electrochemical production of perchlorate.

本発明に関連して用いられる高電流密度電極は、一般式A7−xを有するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含み、式中、AはBiであり、BはRu、Ir、Rh、Sn、Ti、またはPtであり、0≦x≦1である。電極は、ビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料とPt、Ag、Au、Ru、Re、またはPdから選択される1つ以上の貴金属との複合体で製造することができる。本発明の範囲内の電解セルおよび電解方法は、上述のようなビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードを有する。カソードは任意でビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むことができる。カソード材料はアノードと同じまたは異なる材料であってもよい。 High current density electrode used in connection with the present invention includes a bismuth mixed metal oxide pyrochlore materials having the general formula A 2 B 2 O 7-x , wherein, A is Bi, B is Ru, Ir , Rh, Sn, Ti, or Pt, and 0 ≦ x ≦ 1. The electrode can be made of a composite of a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material and one or more noble metals selected from Pt, Ag, Au, Ru, Re, or Pd. An electrolysis cell and electrolysis method within the scope of the present invention has an anode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material as described above. The cathode can optionally include a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material. The cathode material may be the same or different material as the anode.

ビスマスルテニウム酸化物(BiRu)は、オゾンおよび過塩素酸塩発生のためのアノードとして二酸化鉛および白金の代替物として用いることができる既知の導電性材料である。BiRuはパイロクロア構造を有する。これは酸化条件下で酸性および塩基性溶液において安定性を示すことが知られている。J.M.Zen,R.Monoharan and J.B.Goodenough,J.Appl.Electrochem.,22 140(1992)。この材料について高度な酸素および塩素発生能力、酸素還元のための高い初期電極触媒活性ならびに多数の有機化合物の電気化学的酸化が報告されている。H.S.Horowitz,J.M.Longo and H.H.Horowitz,J.Electrochem.Soc.,130,1851(1983);J.Praksah,A.K.Shukla and E.Yeager,J.Power Sources,29,413(1990);N.M.Markovic and P.N.Ross,Jr.J.Electrochem.Soc.,141 2590(1994)。 Bismuth ruthenium oxide (Bi 2 Ru 2 O 7 ) is a known conductive material that can be used as an alternative to lead dioxide and platinum as an anode for ozone and perchlorate generation. Bi 2 Ru 2 O 7 has a pyrochlore structure. It is known to show stability in acidic and basic solutions under oxidizing conditions. J. et al. M.M. Zen, R.A. Monoharan and J.M. B. Goodenough, J.A. Appl. Electrochem. 22 140 (1992). A high oxygen and chlorine generation capacity, high initial electrocatalytic activity for oxygen reduction and electrochemical oxidation of a number of organic compounds have been reported for this material. H. S. Horowitz, J. et al. M.M. Longo and H.C. H. Horowitz, J. et al. Electrochem. Soc. , 130, 1851 (1983); Praksah, A.M. K. Shukla and E.I. Yeager, J .; Power Sources, 29, 413 (1990); M.M. Markovic and P.M. N. Ross, Jr. J. et al. Electrochem. Soc. 141 2590 (1994).

Jacobsonら(米国特許第5,105,053号)は、炭化水素、もっとも好適にはメタンの高級炭化水素およびオレフィンへの変換のための効率的な触媒としてのパイロクロア構造を有するビスマスルテニウム酸化物触媒について開示した。   Jacobson et al. (US Pat. No. 5,105,053) describe a bismuth ruthenium oxide catalyst having a pyrochlore structure as an efficient catalyst for the conversion of hydrocarbons, most preferably methane to higher hydrocarbons and olefins. Disclosed.

米国特許第4,163,706号は、電極触媒作用のような電気化学的プロセスにおける用途のためのルテニウム、イリジウムおよびそれらの混合物を含有する高表面積のビスマスを豊富に含むパイロクロア型化合物の合成および特性について開示する。米国特許第4,129,525号は、触媒または電極触媒環境において有用であるルテニウムおよびイリジウムを含む鉛富化およびビスマスパイロクロア化合物について開示する。同様の開示は、米国特許第4,203,871号;第4,225,469号;第4,434,031号;および第4,440,670号に含まれる。   US Pat. No. 4,163,706 describes the synthesis of pyrochlore type compounds rich in high surface area bismuth containing ruthenium, iridium and mixtures thereof for use in electrochemical processes such as electrocatalysis and Disclose characteristics. U.S. Pat. No. 4,129,525 discloses lead enriched and bismaspyrochlore compounds containing ruthenium and iridium that are useful in catalytic or electrocatalytic environments. Similar disclosures are included in US Pat. Nos. 4,203,871; 4,225,469; 4,434,031; and 4,440,670.

米国特許第4,146,458号は、パイロクロア型材料を含有する酸素電極を有する電気化学的デバイスについて開示する。好適なパイロクロア材料は高い鉛含量および式Pb[M2−xPb]O7−yを有し、式中、MはRuまたはIrであり、0≦x≦1.2および0≦y≦1.0である。ビスマスルテニウム酸化物は広範な開示の範囲内である。 U.S. Pat. No. 4,146,458 discloses an electrochemical device having an oxygen electrode containing a pyrochlore type material. Suitable pyrochlore materials have a high lead content and the formula Pb 2 [M 2-x Pb x] O 7-y, wherein, M is Ru or Ir, 0 ≦ x ≦ 1.2 and 0 ≦ y ≦ 1.0. Bismuth ruthenium oxide is within the broad disclosure.

出願人らは、この材料の電解オゾンおよび過塩素酸塩発生のためのアノードとしての使用または性能について報告された研究を知らない。   Applicants are unaware of reported studies of the use or performance of this material as an anode for electrolytic ozone and perchlorate generation.

ビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料についてより良く説明するため、適切な製造方法および電解用途のいくつかの代表的な実施形態について図1〜13を参照しながら説明する。記載するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を用いて他の過塩素酸塩を生成することができるが、簡潔さのため、以下の実施例は電極材料を用いてオゾンを生成する方法について議論する。   To better describe the bismuth mixed metal oxide pyrochlore material, several exemplary embodiments of suitable manufacturing methods and electrolysis applications are described with reference to FIGS. Although other perchlorates can be produced using the bismuth mixed metal oxide pyrochlore material described, for simplicity, the following examples discuss how to produce ozone using an electrode material.

以下の非限定的な実施例は、本発明の範囲内の各種実施形態を示すために提供する。この実施例は例示の目的でのみ提供し、以下の実施例は本発明に従って生成することができる本発明の多くのタイプの実施形態の包括体または完全体ではないことが理解されている。   The following non-limiting examples are provided to illustrate various embodiments within the scope of the present invention. It is understood that this example is provided for purposes of illustration only, and that the following example is not an exhaustive or complete form of the many types of embodiments of the present invention that can be generated according to the present invention.

(実施例1)
BiRuの合成。化学量論的量のBiおよびRuO・xHO(RuOおよびHOの濃度は熱重量分析(TGA)によりそれぞれ76%および24%であると測定された)を、水を添加し、乳鉢および乳棒で混合することにより、スラリーに生成した。15分間の混合後、均質なスラリーが形成された。次にスラリーを乾燥オーブンにおいて乾燥させ、再度乳棒で混合した後、650℃で24時間、その後750℃で24時間加熱した。X線回析(XRD)を各段階で行い、生成物の相純度を測定した。XRD結果を図1に示す。750℃工程後のXRDデータは、BiRu7.3での粉末回析標準に関する合同委員会(JCPDS)参照パターンと2つのピーク以外はよく一致した。これらのピークの原因を出発物質BiおよびRuOのいずれかに帰することはできない。750℃でのさらに24時間の追加の加熱は2つのピークの強度を変化させなかった。よって、これらのピークは出発物質の何らかの多形体またはビスマスおよびルテニウムの異なる(非パイロクロア)相のいずれかのためであり得ると結論づけられた。しかしながら、この第2相は比較的小さな割合(<10%)を表し、重要ではない。
Example 1
Synthesis of Bi 2 Ru 2 O 7 . Stoichiometric amounts of Bi 2 O 3 and RuO 2 xH 2 O (the concentrations of RuO 2 and H 2 O were determined to be 76% and 24% by thermogravimetric analysis (TGA), respectively) Was added to and mixed into a slurry by mixing with a mortar and pestle. After 15 minutes of mixing, a homogeneous slurry was formed. The slurry was then dried in a drying oven, mixed again with a pestle and then heated at 650 ° C. for 24 hours and then at 750 ° C. for 24 hours. X-ray diffraction (XRD) was performed at each stage to measure the phase purity of the product. The XRD result is shown in FIG. The XRD data after the 750 ° C. process was in good agreement with the Joint Committee (JCPDS) reference pattern for powder diffraction standards in Bi 2 Ru 2 O 7.3 except for two peaks. These peaks cannot be attributed to any of the starting materials Bi 2 O 3 and RuO 2 . An additional 24 hours of heating at 750 ° C. did not change the intensity of the two peaks. It was therefore concluded that these peaks could be due to either some polymorph of the starting material or the different (non-pyrochlore) phases of bismuth and ruthenium. However, this second phase represents a relatively small percentage (<10%) and is not critical.

(実施例2)
オゾン分析のための回転リングディスク電極。回転リングディスク電極(RRDE)法を用い、ルテニウム酸ビスマスが電解オゾン発生器においてアノードとして確かに機能することができることを示した。一般的なRRDEデバイスの側断面図および底面図を図2に示す。オゾンのその場発生/検出のためのRRDEの用途の背景にある理論は、簡単に言うと以下のとおりである。RRDE100は、同心リング電極104により囲まれた中央ディスク電極102およびそれらを分離する薄いTeflon U−cup絶縁体106で構成される。各電極での電位または電流は、バイポテンショスタット(図示せず)を用いて独立して制御することができる。バイポテンショスタットは、電解質に浸漬した2つの作用電極で、1つの参照電極および1つの対極のみを用い、電圧を制御し、電流を測定する。図2に示すRRDEを用い、RRDEのディスクで生成されるOを検出および測定することができる。中央ディスク電極102をアノード分極する場合、中央ディスク電極102で生成されたオゾンはオゾンが還元される電位(E°=2.07V vs.NHE)で保持されるリング電極104で定量的に検出することができる。あるいは、リング電極はオゾンを還元することができる電位領域に入れることができる。よって、ディスク電極102で発生するオゾンの量に応じて、各材料についてリング電極104での限界オゾン還元電流を測定することができる。従って、この方法は各種アノード材料のそれらのオゾン発生能力についての比較を可能にする。
(Example 2)
Rotating ring disk electrode for ozone analysis. Using a rotating ring disk electrode (RRDE) method, it was shown that bismuth ruthenate can function reliably as an anode in an electrolytic ozone generator. A cross-sectional side view and a bottom view of a typical RRDE device are shown in FIG. The theory behind the use of RRDE for in situ generation / detection of ozone is briefly as follows. The RRDE 100 is comprised of a central disk electrode 102 surrounded by concentric ring electrodes 104 and a thin Teflon U-cup insulator 106 separating them. The potential or current at each electrode can be controlled independently using a bipotentiostat (not shown). A bipotentiostat is two working electrodes immersed in an electrolyte, using only one reference electrode and one counter electrode, controlling the voltage and measuring the current. The RRDE shown in FIG. 2 can be used to detect and measure O 3 generated on the RRDE disk. When the central disk electrode 102 is subjected to anodic polarization, ozone generated at the central disk electrode 102 is quantitatively detected by the ring electrode 104 held at a potential (E ° = 2.07 V vs. NHE) at which ozone is reduced. be able to. Alternatively, the ring electrode can be placed in a potential region where ozone can be reduced. Therefore, the limit ozone reduction current at the ring electrode 104 can be measured for each material according to the amount of ozone generated at the disk electrode 102. This method thus allows a comparison of the various anode materials in terms of their ability to generate ozone.

RRDEにおいて起こる関連電極反応を以下に示す。   The associated electrode reaction that occurs in RRDE is shown below.

中央ディスク電極反応:

Figure 2012530845
Central disk electrode reaction:
Figure 2012530845

Figure 2012530845
Figure 2012530845

リング電極反応:

Figure 2012530845
Ring electrode reaction:
Figure 2012530845

(実施例3)
BiRuRRDEディスクの製造。実施例1からの合成BiRu生成物をポリビニルアルコール結合剤の水性懸濁液と混合し、粒子に結合剤で塗布した。BiRu材料および結合剤をペレット状に圧縮し、空気中、1100℃で24時間焼成した。焼結材料のXRDパターンを図3に示す。XRDパターンは、焼結材料の結晶構造が出発物質とはかなり異なることを示す。この材料相の同定は現在知られていない。ペレットの最終直径は〜0.6mmだった。ペレットは、RRDE構成で用いるRRDEディスクのサイズおよび形状までさらに粉砕した。ディスクの表面は研磨もし、表面をさらに滑らかにした。導電性銀塗料をディスクの裏面上に塗布し、700℃で硬化した。これはRRDEの金属スプリングと混合金属酸化物ディスクとの間の良好な電気接触を確保するために行った。走査電子顕微鏡写真(SEM)およびエネルギー分散型X線分光(EDS)分析をディスクについて行った。図4に記録するSEMデータは、ディスクの表面が焼結プロセス中に形成された著しい多孔性を有することを示す。図5に記録するEDSデータは、予想されたBi、RuおよびO以外の追加の元素を示さない。
(Example 3)
Manufacture of Bi 2 Ru 2 O 7 RRDE discs. The synthetic Bi 2 Ru 2 O 7 product from Example 1 was mixed with an aqueous suspension of polyvinyl alcohol binder and applied to the particles with the binder. Bi 2 Ru 2 O 7 material and binder were compressed into pellets and fired in air at 1100 ° C. for 24 hours. The XRD pattern of the sintered material is shown in FIG. The XRD pattern shows that the crystal structure of the sintered material is quite different from the starting material. The identity of this material phase is currently unknown. The final diameter of the pellet was ~ 0.6 mm. The pellets were further ground to the size and shape of the RRDE disc used in the RRDE configuration. The surface of the disk was also polished to make the surface even smoother. A conductive silver paint was applied on the back side of the disk and cured at 700 ° C. This was done to ensure good electrical contact between the RRDE metal spring and the mixed metal oxide disk. Scanning electron micrographs (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analyzes were performed on the disks. The SEM data recorded in FIG. 4 shows that the surface of the disk has significant porosity formed during the sintering process. The EDS data recorded in FIG. 5 shows no additional elements other than the expected Bi, Ru and O.

(実施例4)
サイクリックボルタンメトリー。実施例3で製造したディスクのサイクリックボルタンメトリー(CV)を酸素雰囲気下5MのHPO中で行った。図6に記録するCVデータは、酸素発生が>1.5Vのアノード分極電位で開始し、PtおよびPbディスクの場合のようにより高い電位で大電流が得られることを示す。材料は、カソード分極した場合、水素発生に関してもかなり活性だった。4Vでの定電位電解は、BiRuが1.5A/cmの電流密度を減衰なしに1時間まで維持したことを示した。電解質をろ過することにより取り出した残渣についてのEDS分析はBiまたはRuピークを示さなかった。化学分析のためより可溶性な種を発生させるには長期電解実験が必要である。
Example 4
Cyclic voltammetry. Cyclic voltammetry (CV) of the disk produced in Example 3 was performed in 5M H 3 PO 4 under an oxygen atmosphere. The CV data recorded in FIG. 6 shows that oxygen evolution starts with an anodic polarization potential of> 1.5 V, and a large current is obtained at a higher potential as in the case of Pt and Pb disks. The material was also quite active in terms of hydrogen evolution when cathodic polarized. Constant potential electrolysis at 4V showed that Bi 2 Ru 2 O 7 maintained a current density of 1.5 A / cm 2 for up to 1 hour without decay. EDS analysis on the residue removed by filtering the electrolyte showed no Bi or Ru peaks. Long-term electrolysis experiments are required to generate more soluble species for chemical analysis.

(実施例5)
定電位。定電位電解実験を実施例3で製造したBiRuディスク電極で行った。ディスク電極を4Vで保ち(電位はディスク電流が〜1.5A/cmとなるようにあらかじめ定めた)、オゾンを生成し、その後リングで回収した。リング電位を0.5〜1.2Vのオゾン還元の電位窓に入れた。ディスク電解中のリングのCVを図7に示す。ディスクを電解した際にオゾン還元のための大きなリング電流が存在し、オゾンがディスクで発生していたことを示す。電解前後のリングのCVはオゾン還元によるこうしたカソード電流は示さなかった。電解後リング上にカソード電流は見られなかったので、電解中に発生したオゾンはBiRuディスクの分解により形成されたいずれかの可溶性種ではなく電流によるものであると考えられる。
(Example 5)
Constant potential. The constant potential electrolysis experiment was performed with the Bi 2 Ru 2 O 7 disk electrode prepared in Example 3. The disk electrode was kept at 4 V (potential was predetermined so that the disk current was ~ 1.5 A / cm 2 ), ozone was generated, and then recovered with a ring. The ring potential was placed in an ozone reduction potential window of 0.5-1.2V. FIG. 7 shows the CV of the ring during disk electrolysis. When the disk was electrolyzed, there was a large ring current for ozone reduction, indicating that ozone was generated in the disk. The CV of the ring before and after electrolysis did not show such cathode current due to ozone reduction. Since no cathodic current was seen on the ring after electrolysis, the ozone generated during electrolysis is believed to be due to the current rather than any soluble species formed by decomposition of the Bi 2 Ru 2 O 7 disk.

いくらかの量のディスクの物理的分解は長期にわたるガス発生の際に確認され、セルの底の少量の固形物により認識できた。電解後のディスクの走査電子顕微鏡写真(SEM)像は、図8に示すようにごく一部の電極が表面から失われたことを示した。EDS分析は、図9に示すように、表面上のAgの存在を示した。この予想外の結果は、焼結ディスクの多孔質性のためであり得る。電解質がディスクに浸透し、裏面に塗布された銀に到達したこともあり得る。これらの結果に基づき、BiRuディスクはオゾン発生に適していると考えられる。RRDE実験は、ビスマスルテニウム酸化物(BiRu)をオゾンの電解発生のためのアノード材料として成功裏に用いることができることを確認した。 Some amount of disk physical decomposition was confirmed during long-term gas evolution and could be recognized by a small amount of solids at the bottom of the cell. A scanning electron micrograph (SEM) image of the disc after electrolysis showed that only a small portion of the electrode was lost from the surface as shown in FIG. EDS analysis showed the presence of Ag on the surface as shown in FIG. This unexpected result may be due to the porosity of the sintered disk. It is possible that the electrolyte has penetrated the disk and has reached the silver applied on the back side. Based on these results, the Bi 2 Ru 2 O 7 disc is considered suitable for ozone generation. RRDE experiments have confirmed that bismuth ruthenium oxide (Bi 2 Ru 2 O 7 ) can be successfully used as an anode material for the electrolysis of ozone.

オゾン発生器の構成
水の電解によるオゾンの発生については十分に立証されており、いくつかの実験構成の変形が知られている。本明細書において報告する試験に用いた実験構成200の概略図を図10に示す。構成は、水道水を市販の軟水装置に通すことにより生成した軟水を用いた。軟水源202は継続的に軟水204を電解セル206に供給した。水204の流速は所望に応じて変更した。30A(1.5A/cm)の電流をセル206に印加した。酸素/オゾンを含む水208がアノード区画から出、これを気液分離器210において分離した。気液分離器から回収された給水を排出した212。次にガス状混合物214を、5Mのリン酸を含有する回転リングディスク電極(RRDE)セル216中に拡散し、オゾン水中のオゾン濃度について分析した。発生したガス状混合物の流速、セルの温度および電圧を測定した。図10に示すすべての要素はTeflonまたはチタンでできている。
The generation of ozone by electrolysis of the constituent water of the ozone generator is well documented and several experimental configuration variations are known. A schematic diagram of the experimental setup 200 used in the tests reported herein is shown in FIG. The structure used the soft water produced | generated by letting a tap water pass through a commercially available soft water apparatus. The soft water source 202 continuously supplied the soft water 204 to the electrolysis cell 206. The flow rate of water 204 was changed as desired. A current of 30 A (1.5 A / cm 2 ) was applied to the cell 206. Oxygen / ozone-containing water 208 exited the anode compartment and was separated in the gas-liquid separator 210. The water supply recovered from the gas-liquid separator was discharged 212. The gaseous mixture 214 was then diffused into a rotating ring disk electrode (RRDE) cell 216 containing 5M phosphoric acid and analyzed for ozone concentration in ozone water. The flow rate of the gaseous mixture generated, the cell temperature and the voltage were measured. All elements shown in FIG. 10 are made of Teflon or titanium.

水の電解が行われるセル206を、カチオン交換膜Nafion117(商標)でアノード区画およびカソード区画に分け、2つの区画を分離する。アノードおよびカソードをイオン交換膜の両面に密接に押圧し、ゼロギャップセルを形成した。ビスマスルテニウム酸化物被覆Tiメッシュをアノードとして、1つの表面上にPtを蒸着させたNafion117を電解質として、および裸のTiメッシュをカソードとして用いた(裸のTiメッシュはNafion膜のPt蒸着表面に接触していた)。   A cell 206 in which water is electrolyzed is divided into an anode compartment and a cathode compartment by a cation exchange membrane Nafion 117 (trademark), and the two compartments are separated. The anode and cathode were pressed tightly on both sides of the ion exchange membrane to form a zero gap cell. Bismuth ruthenium oxide coated Ti mesh was used as anode, Nafion 117 with Pt deposited on one surface as electrolyte, and bare Ti mesh as cathode (bare Ti mesh was in contact with Pt deposition surface of Nafion film) Was).

RRDE法を用い、発生したオゾンの濃度を測定した。オゾンの検出のためのRRDEの用途の背景ある理論は簡単に言うと以下のとおりである。RRDEは金ディスク電極で構成する。電極を超高速で回転させる。この回転運動は回転ディスク電極の表面への溶液の明確な流れを作る。流れパターンは文字通り(溶解オゾンを含有する)溶液を電極に向かって巻き込む渦のようである。ディスクの電位はポテンショスタットにより制御し、酸素および水素発生の間をゆっくり往復させる。ディスクをカソード分極する場合、溶液中に存在するオゾンはオゾンが還元される電位で保持したディスク電極で定量的に検出することができる。あるいは、ディスクを、オゾンを還元することができる電位領域に入れる。よって、電解質中に存在するオゾンの量に応じて、限界オゾン還元電流を測定することができる。従って、この方法は異なるオゾン発生器のそれらのオゾン発生能力についての比較を可能にする。   The concentration of generated ozone was measured using the RRDE method. The theory behind the use of RRDE for the detection of ozone is briefly as follows. RRDE is composed of gold disk electrodes. The electrode is rotated at an ultra high speed. This rotational motion creates a clear flow of solution to the surface of the rotating disk electrode. The flow pattern is literally like a vortex that entrains a solution (containing dissolved ozone) towards the electrode. The potential of the disk is controlled by a potentiostat and is slowly reciprocated between oxygen and hydrogen generation. When cathodic polarization of the disk, ozone present in the solution can be quantitatively detected with a disk electrode held at a potential at which ozone is reduced. Alternatively, the disc is placed in a potential region where ozone can be reduced. Therefore, the limit ozone reduction current can be measured according to the amount of ozone present in the electrolyte. Thus, this method allows a comparison of different ozone generators for their ozone generation capacity.

(実施例6)
RRDE法の有効性。RRDE分析法の有効性を示すため、我々は外部のオゾン発生デバイス(コロナ放電オゾン発生器)を用いて溶液をオゾンで飽和し、オゾン化後のAuディスクのサイクリックボルタンメトリー(CV)を行った。図11は、オゾンが1.0V vs.SCEよりカソード的な電位について金RRDEで還元されることを示す。図11は、リングでの酸素還元が室温で約0.6V vs.SCEで開始することを示す。オゾンの存在は1.3Vよりカソード的な電位で還元電流をもたらし、0.2V〜1.0Vの限界電流領域を測定することができる。オゾンおよび酸素の同時還元は、0.2Vよりカソード的な電位で起こる。図11からの主な結論は、オゾンは0.2V〜1.0Vの電位で明らかに検出することができ、オゾン還元限界電流はこれらの範囲内で観測することができるということである。これらの結果は他のRRDE研究と一致する。限界オゾン還元電流は溶液中に存在するオゾンの量の直接的な指標である。
(Example 6)
Effectiveness of the RRDE method. To demonstrate the effectiveness of the RRDE analysis method, we saturated the solution with ozone using an external ozone generating device (corona discharge ozone generator), and performed cyclic voltammetry (CV) of the Au disk after ozonization. . FIG. 11 shows that ozone is 1.0 V vs.. It shows that the cathode potential is reduced by gold RRDE from SCE. FIG. 11 shows that oxygen reduction at the ring is about 0.6 V vs. room temperature. Indicates start with SCE. The presence of ozone causes a reduction current at a cathode potential from 1.3 V, and a limit current region of 0.2 V to 1.0 V can be measured. Simultaneous reduction of ozone and oxygen occurs at cathodic potentials from 0.2V. The main conclusion from FIG. 11 is that ozone can be clearly detected at a potential between 0.2V and 1.0V and the ozone reduction limit current can be observed within these ranges. These results are consistent with other RRDE studies. The critical ozone reduction current is a direct indicator of the amount of ozone present in the solution.

(実施例7)
オゾン発生器のためのアノードの製造。これはまず実施例1に従って生成された合成BiRu材料でインクを製造することにより行った。等量(重量)のBiRu材料および5重量%のNafion溶液(Aldrich)を完全に混合し、インクを形成した。インクをPtアノード電流コレクタにブラシを用いて塗布した。塗膜をオーブンにおいて1時間130℃で乾燥させ、すべての有機物をNafion溶液から除去した。複数の塗膜をこの方法で塗布し、Pt基板上にBiRu材料の均一な塗膜を生成した。被覆アノードを蒸留水に一晩浸すことにより再水和した。
(Example 7)
Manufacture of anodes for ozone generators. This was done by first producing the ink with a synthetic Bi 2 Ru 2 O 7 material produced according to Example 1. An equal amount (by weight) of Bi 2 Ru 2 O 7 material and 5 wt% Nafion solution (Aldrich) were mixed thoroughly to form an ink. Ink was applied to the Pt anode current collector using a brush. The coating was dried in an oven for 1 hour at 130 ° C. to remove all organics from the Nafion solution. Multiple coatings were applied by this method to produce a uniform coating of Bi 2 Ru 2 O 7 material on the Pt substrate. The coated anode was rehydrated by soaking in distilled water overnight.

(実施例8)
ビスマスルテニウム酸化物アノードを有するオゾン発生器の作動。実施例7に従って製造したBiRu被覆Ptアノード電流コレクタを、PtまたはPbOの代わりに、オゾン発生器においてアノードとして用いた。BiRuセルの性能を図12に示す。初期オゾン電流は(同様に構築および作動したPbOセルで記録した80μAと比較して)70μAである。しかしながら、オゾン電流は約2時間で約30μAまで減少した。このオゾン電流の急降下の原因は(1)BiRu材料の損失、(2)Nafion膜の目詰まりまたは(3)被膜と電流コレクタとの間の接触の損失のためであり得る。
(Example 8)
Operation of an ozone generator with a bismuth ruthenium oxide anode. A Bi 2 Ru 2 O 7 coated Pt anode current collector prepared according to Example 7 was used as the anode in an ozone generator instead of Pt or PbO 2 . The performance of the Bi 2 Ru 2 O 7 cell is shown in FIG. The initial ozone current is 70 μA (compared to 80 μA recorded with a similarly constructed and operated PbO 2 cell). However, the ozone current decreased to about 30 μA in about 2 hours. The cause of this sudden drop in ozone current may be due to (1) loss of Bi 2 Ru 2 O 7 material, (2) clogging of the Nafion film or (3) loss of contact between the coating and the current collector.

白金アノード電流コレクタを、上記実験においてビスマスルテニウム酸化物被膜の基板として用いた。ビスマスルテニウム酸化物材料ではなく白金アノード電流コレクタによりオゾンが発生する可能性がある。そうではないことを証明するため、BiRu材料をアノードとしてPtアノード電流コレクタの上のTiメッシュ上に塗布した。まず、セルをPtアノード電流コレクタの上の裸のチタンメッシュで作成した。セルはこの構成では作動させることができなかった(30A電流を維持することができなかった)。次にセルを裸のTiメッシュの代わりにBiRu材料被覆Tiメッシュで作成した。今回セルは作動させることができ、得られたデータを図13に示す。13μAの初期オゾン電流は約1時間の作動で23μAに達し、約4.5時間の作動で徐々に17μAまで減少することが記録された。この実験でオゾンが発生したという事実は、それにPtアノード電流コレクタではなくBiRu材料が関与していることを示す。セル電圧および温度はそれぞれ13.5Vおよび33℃で安定した。これらの値はBiRu材料被覆Ptアノード電流コレクタをアノードとして用いた実験について記録したものより高い。これはTiメッシュを用いた場合に界面抵抗が増加したためであり得る。 A platinum anode current collector was used as the substrate for the bismuth ruthenium oxide coating in the above experiment. Ozone can be generated by a platinum anode current collector rather than a bismuth ruthenium oxide material. To prove that this was not the case, Bi 2 Ru 2 O 7 material was applied as an anode onto a Ti mesh over a Pt anode current collector. First, a cell was made with a bare titanium mesh over a Pt anode current collector. The cell could not be operated in this configuration (the 30 A current could not be maintained). Cells were then made with Bi 2 Ru 2 O 7 material coated Ti mesh instead of bare Ti mesh. The cell can now be activated and the data obtained is shown in FIG. It was recorded that the initial ozone current of 13 μA reached 23 μA after about 1 hour of operation and gradually decreased to 17 μA after about 4.5 hours of operation. The fact that ozone was generated in this experiment indicates that it involves Bi 2 Ru 2 O 7 material rather than a Pt anode current collector. The cell voltage and temperature were stable at 13.5 V and 33 ° C., respectively. These values are higher than those recorded for experiments using a Bi 2 Ru 2 O 7 material coated Pt anode current collector as the anode. This may be due to an increase in interfacial resistance when using a Ti mesh.

前述の実験は、オゾン発生器においてBiRuパイロクロアアノードによりオゾンを発生させることができることを示す。実施例は電解オゾン発生に適した1つの電極材料としてBiRuに焦点を当てたが、本発明はBiRuに限定されない。Ir、Sn、Rh、PtおよびTiを含む他のBi系パイロクロアも潜在的に用いることができ、開示発明の範囲内である。これらのビスマスパイロクロア材料は電解オゾンまたは過塩素酸塩発生のための魅力的な電極材料である。 The foregoing experiment shows that ozone can be generated by a Bi 2 Ru 2 O 7 pyrochlore anode in an ozone generator. While the examples focused on Bi 2 Ru 2 O 7 as one electrode material suitable for electrolytic ozone generation, the present invention is not limited to Bi 2 Ru 2 O 7 . Other Bi-based pyrochlores including Ir, Sn, Rh, Pt and Ti can also potentially be used and are within the scope of the disclosed invention. These bismuth spirochlore materials are attractive electrode materials for electrolytic ozone or perchlorate generation.

本発明の具体的の実施形態および実施例を示し、説明してきたが、本発明の精神から著しく逸脱することなく多くの変更が考えられ、保護範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。   While specific embodiments and examples of the invention have been shown and described, many modifications can be made without significantly departing from the spirit of the invention, and the scope of protection is limited only by the appended claims. .

Claims (27)

一般式A7−xを有するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードを有する電解セルを備えるステップであって、式中、AはBiであり、BはRu、Ir、Rh、Sn、Ti、またはPtであり、0≦x≦1である、ステップ;および
該電解セルアノードを、オゾンを発生させるのに十分な電流密度で作動させるステップ
を含む、オゾンを発生させる電解方法。
Providing an electrolytic cell having an anode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material having the general formula A 2 B 2 O 7-x , wherein A is Bi and B is Ru, Ir, Rh, An electrolysis method for generating ozone, comprising: Sn, Ti, or Pt, wherein 0 ≦ x ≦ 1, and operating the electrolysis cell anode at a current density sufficient to generate ozone.
前記オゾンの発生が反応:3HO→O+6H+6eに従って達成される、請求項1に記載の方法。 The process according to claim 1, wherein the generation of ozone is achieved according to the reaction: 3H 2 O → O 3 + 6H + + 6e . 前記電解セルアノードを約1A/cmより高い電流密度で作動させる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the electrolysis cell anode is operated at a current density greater than about 1 A / cm 2 . 前記電解セルアノードを約1.2A/cmより高い電流密度で作動させる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the electrolysis cell anode is operated at a current density greater than about 1.2 A / cm 2 . 前記電解セルアノードを約1.4A/cmより高い電流密度で作動させる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the electrolysis cell anode is operated at a current density greater than about 1.4 A / cm 2 . 前記電解セルアノードを約1.5A/cmより高い電流密度で作動させる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the electrolysis cell anode is operated at a current density greater than about 1.5 A / cm 2 . BがRuである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein B is Ru. 前記電解セルがビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むカソードを有する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the electrolysis cell has a cathode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material. 前記アノードがビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料とPt、Ag、Au、Ru、Re、およびPdから選択される1つ以上の貴金属との複合体を含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the anode comprises a composite of a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material and one or more noble metals selected from Pt, Ag, Au, Ru, Re, and Pd. 一般式A7−xを有するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードであって、式中、AはBiであり、BはRu、Ir、Rh、Sn、Ti、またはPtであり、0≦x≦1である、アノード;
カソード;
該アノードおよび該カソードに接触する電解水;ならびに
該アノードおよび該カソードと電気的に結合し、該アノードでオゾンを発生させるのに十分な作動電流密度を生成する電位および電流の供給源
を備える、オゾンを発生させるための電解セル。
An anode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material having the general formula A 2 B 2 O 7-x , wherein A is Bi and B is Ru, Ir, Rh, Sn, Ti, or Pt Yes, 0 ≦ x ≦ 1, anode;
Cathode;
Electrolyzed water in contact with the anode and the cathode; and a source of potential and current that is electrically coupled to the anode and the cathode and generates a working current density sufficient to generate ozone at the anode; Electrolytic cell for generating ozone.
前記オゾンの発生が反応:3HO→O+6H+6eに従って達成される、請求項10に記載の電解セル。 The electrolysis cell according to claim 10, wherein the generation of ozone is achieved according to the reaction: 3H 2 O → O 3 + 6H + + 6e . 前記電解セルアノードを約1A/cmより高い電流密度で作動させる、請求項10に記載の電解セル。 The electrolysis cell of claim 10, wherein the electrolysis cell anode is operated at a current density greater than about 1 A / cm 2 . 前記電解セルアノードを約1.2A/cmより高い電流密度で作動させる、請求項10に記載の電解セル。 The electrolysis cell of claim 10, wherein the electrolysis cell anode is operated at a current density greater than about 1.2 A / cm 2 . 前記電解セルアノードを約1.4A/cmより高い電流密度で作動させる、請求項10に記載の電解セル。 The electrolysis cell of claim 10, wherein the electrolysis cell anode is operated at a current density greater than about 1.4 A / cm 2 . 前記電解セルアノードを約1.5A/cmより高い電流密度で作動させる、請求項10に記載の電解セル。 The electrolysis cell of claim 10, wherein the electrolysis cell anode is operated at a current density greater than about 1.5 A / cm 2 . BがRuである、請求項10に記載の電解セル。   The electrolysis cell according to claim 10, wherein B is Ru. 前記電解セルがビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むカソードを有する、請求項10に記載の電解セル。   The electrolysis cell of claim 10, wherein the electrolysis cell has a cathode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material. 前記アノードがビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料とPt、Ag、Au、Ru、Re、およびPdから選択される1つ以上の貴金属との複合体を含む、請求項10に記載の電解セル。   The electrolysis cell of claim 10, wherein the anode comprises a composite of a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material and one or more noble metals selected from Pt, Ag, Au, Ru, Re, and Pd. 一般式A7−xを有するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードを有する電解セルを備えるステップであって、式中、AはBiであり、BはRu、Ir、Rh、Sn、Ti、またはPtであり、0≦x≦1である、ステップ;および
該電解セルアノードを、塩素酸塩水溶液を酸化し、過塩素酸塩水溶液を形成するのに十分な電流密度で作動させるステップ
を含む、過塩素酸塩を発生させる電解方法。
Providing an electrolytic cell having an anode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material having the general formula A 2 B 2 O 7-x , wherein A is Bi and B is Ru, Ir, Rh, Sn, Ti, or Pt, where 0 ≦ x ≦ 1, and the electrolytic cell anode is operated at a current density sufficient to oxidize the aqueous chlorate solution and form the aqueous perchlorate solution And an electrolysis method for generating perchlorate.
前記電解セルアノードを約1A/cmより高い電流密度で作動させる、請求項19に記載の方法。 The method of claim 19, wherein the electrolysis cell anode is operated at a current density greater than about 1 A / cm 2 . BがRuである、請求項19に記載の方法。   20. A method according to claim 19, wherein B is Ru. 前記電解セルがビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むカソードを有する、請求項19に記載の方法。   The method of claim 19, wherein the electrolysis cell has a cathode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material. 前記アノードがビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料とPt、Ag、Au、Ru、Re、およびPdから選択される1つ以上の貴金属との複合体を含む、請求項19に記載の方法。   20. The method of claim 19, wherein the anode comprises a composite of a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material and one or more noble metals selected from Pt, Ag, Au, Ru, Re, and Pd. 一般式A7−xを有するビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むアノードであって、式中、AはBiであり、BはRu、Ir、Rh、Sn、Ti、またはPtであり、0≦x≦1である、アノード;
カソード;
該アノードに接触する塩素酸塩水溶液;ならびに
該アノードおよび該カソードと電気的に結合し、該アノードで塩素酸塩水溶液を酸化し、過塩素酸水溶液を形成するのに十分な作動電流密度を生成する電位および電流の供給源
を備える、過塩素酸塩を発生させるための電解セル。
An anode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material having the general formula A 2 B 2 O 7-x , wherein A is Bi and B is Ru, Ir, Rh, Sn, Ti, or Pt Yes, 0 ≦ x ≦ 1, anode;
Cathode;
An aqueous chlorate solution in contact with the anode; and an electrical coupling with the anode and the cathode to oxidize the aqueous chlorate solution at the anode to produce a working current density sufficient to form an aqueous perchloric acid solution An electrolysis cell for generating perchlorate, comprising a source of electrical potential and current.
BがRuである、請求項24に記載の電解セル。   The electrolysis cell according to claim 24, wherein B is Ru. 前記電解セルがビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料を含むカソードを有する、請求項24に記載の電解セル。   25. The electrolysis cell of claim 24, wherein the electrolysis cell has a cathode comprising a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material. 前記アノードがビスマス混合金属酸化物パイロクロア材料とPt、Ag、Au、Ru、Re、およびPdから選択される1つ以上の貴金属との複合体を含む、請求項24に記載の電解セル。   25. The electrolysis cell of claim 24, wherein the anode comprises a composite of a bismuth mixed metal oxide pyrochlore material and one or more noble metals selected from Pt, Ag, Au, Ru, Re, and Pd.
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